工业菌种是生物制造的重要竞争力。研究微生物底盘并发现与目标产品生产相关的高效功能元件是工业菌种领域的研究热点。谷氨酸棒杆菌是氨基酸工业生产的主力菌。而谷氨酸棒杆菌基因组约50%的基因功能尚不明晰，功能元件的系统挖掘亟待研究。
近日，中国科学院天津工业生物技术研究所实现了谷氨酸棒杆菌全基因组规模单基因过表达库的自动化构建与高通量筛选，鉴定了多个影响渗透压耐受性和氨基酸产量的新型功能元件。该研究利用天津工生所生物铸造厂，构建了覆盖谷氨酸棒杆菌全基因组99.7%的单基因过表达库，并建立了资源共享网站。同时，该研究通过全自动、实时生长曲线测定建立了新型功能元件的高通量筛选方法；通过全文库筛选获得了15个可提高渗透压耐受和L-赖氨酸产量的新元件，如新型转录调控因子和DNA修复蛋白，并揭示了渗透压耐受新机制。进一步，研究对近400个膜转运蛋白子库进行筛选，获得了在谷氨酸棒杆菌和大肠杆菌中高效、特异的新型L-苏氨酸外排蛋白。研究将新型外排蛋白应用于L-苏氨酸生产菌株改造，实现了目前最高水平的谷氨酸棒杆菌L-苏氨酸生产。
上述研究作为生物铸造厂的应用场景之一，提供了新型功能元件筛选的系统策略。这一策略可以扩展应用于其他工业微生物和高水平工业菌种的创制研究。同时，该研究构建的全基因组规模菌种库，有望成为基础生物学研究和氨基酸开发等的工业菌种资源。
相关研究成果发表在《生物技术趋势》（Trends in Biotechnology）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院、天津市的支持。
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全基因组规模筛选谷氨酸棒杆菌新功能元件示意图
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