合成生物学的一个重要目标是开发可以执行复杂功能的生物工具。目前应用在代谢工程中的生物开关广泛集中在转录调控水平，调控时效性差。尽管最近有在蛋白水平调控代谢通量的报道，由于缺乏可编程、可组合性的工具，开发时效性高、功能复杂、用途广泛的分子开关仍是一个巨大挑战。
2019年8月21日，食品科学与技术国家重点实验室刘立明团队在Nature Communications发表题为“Programmable biomolecular switches for rewiringflux inEscherichia coli”的研究论文，为解决上述挑战提供了新的思路。
在这项研究中，他们将三种具有正交性的病毒蛋白酶和大肠杆菌内源性蛋白质降解机器巧妙结合，构建出两种具有良好可调性和特异性的蛋白质丰度调控单元，并首次在工业模式微生物中构建出三种蛋白酶为基础的新型分子开关：动态开关pbDRC、逆变器pbI和振荡器pbO（图1）。
利用稳定期启动子SPP和生长偶联启动子GPP分别控制蛋白酶和靶蛋白的表达，这项研究构建了一个不同于传统引入群体感应系统的动态开关。在模式大肠杆菌中应用pbDRC，在不添加诱导剂和芳香族氨基酸的无机盐培养条件下，获得了浓度高达12.63 g L-1的重要药物前体莽草酸。
利用蛋白酶的级联降解作用，这项研究依次构建了另外两种分子开关：逆变器pbI和振荡器pbO，分别解决了化工原料木糖酸在混合糖发酵生产中的碳代谢阻遏效应问题和双酶级联生产中细胞死亡问题，最终木糖酸的生产强度达7.12 g L−1h−1，产量高达199.44 g L−1。
图1三种分子开关的构建及评估
这项研究提供的基于蛋白酶的工具箱是目前转录调控系统的有益补充，可为复杂蛋白水平分子开关和高效微生物细胞工厂的构建提供新的思路。上述研究得到国家重点研发计划(2018YFA0901401)、国家自然科学基金(21676118, 21706095, and 21808083)和国家轻工技术与工程一流学科自主课题(LITE2018-08)的资助。刘立明教授为本文通讯作者，博士生高聪、硕士生侯建屾为文章共同第一作者。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-019-11793-7
