苯丙酮尿症（Phenylketonuria，PKU）是一种相对常见的遗传代谢病，主要由苯丙氨酸羟化酶（Phenylalanine Hydroxylase， PAH）缺陷或功能异常引起，导致苯丙氨酸（Phenylalanine， Phe）在体内积聚（图1）。在正常条件下，苯丙氨酸在PAH的催化作用下转化为酪氨酸。然而，PKU患者因PAH缺陷或完全缺失，致使苯丙氨酸代谢受阻，在体内过量蓄积［8］。高浓度的苯丙氨酸会对中枢神经系统有毒性作用，进而导致智力障碍、癫痫、行为异常及其他神经发育障碍［9］。

针对PKU的病理特点，利用基因工程技术构建LBP已成为一种重要的治疗策略。其核心在于应用基因工程改造的微生物表达特定酶，在肠道内代谢过量的苯丙氨酸，从而降低其异常积累（图1）。例如，Synlogic公司的团队通过基因工程改造E.coli Nissle 1917（EcN）得到菌株SYNB1618［12］。该工程菌株整合了两条降解苯丙氨酸的途径。第一条途径表达苯丙氨酸氨解氨酶（Phenylalanine Ammonia Lyase， PAL），催化苯丙氨酸脱氨为毒性较低的反式肉桂酸（trans-cinnamic acid， TCA）［13］。第二条途径表达L-氨基酸脱氨酶（L-amino acid deaminase， LAAD），催化苯丙氨酸转化为苯丙酮酸。为实现肠道内苯丙氨酸降解，研究人员在EcN的染色体中整合了基因pheP（编码苯丙氨酸转运蛋白PheP）、基因stlA（编码PAL）和基因pma（编码LAAD），其中2个pheP基因和3个stl1A基因受厌氧诱导型启动子P_fnrS控制，1个pma基因由阿拉伯糖诱导型启动子P_BAD控制。为保证菌株的生物安全性，研究人员敲除了EcN中的dapA基因，构建了营养缺陷型菌株，使其依赖外源补充的二氨基庚二酸进行细胞壁合成和生长。研究发现，单一提高stlA基因的表达量并不能显著提升全细胞催化活性，因此研究团队致力于提高PAL自身的活性来进一步优化菌株性能。为实现这一目的，研究人员开发了一种TCA的变构转录因子（aTF）生物传感器［14］。利用该生物传感器，研究人员从一个包含超过一百万个变体的PAL突变体库中进行筛选，获得了最高活性突变体mPAL，其酶活性较野生型PAL提高了2倍。基于此，研究人员又构建了菌株SYNB1934。