Research on live biotherapeutic products in metabolic diseases Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2025-024

Table 2 Current status of LBP development in different chassis cells

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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。

随着上述菌株的应用潜力不断显现，研究人员开始着手于相关工具的开发，并取得了一些进展，详见表2。其中，布拉氏酵母因其易于基因操作和改造的特性而备受关注。例如，有研究团队在布拉酵母中构建了一种可扩展且可调的反式激活系统，该系统有望使工程改造的布拉酵母更精确地执行治疗功能［88］。还有团队修复了布拉酵母的乳糖代谢途径，评估了5种不同的诱导型启动子（由半乳糖、木糖、乳糖、IPTG、和无水四环素诱导）在布拉酵母中的性能。研究人员还构建了一个基于半乳糖和无水四环素诱导的转录调控系统，证明了其在小鼠肠道中进行基因表达编程控制的能力［89］。相比之下，针对丁酸梭菌和拟杆菌属的工具开发相对较少。例如，有团队开发了两套CRISPR-Cas系统用于丁酸梭菌基因编辑，扩展了可用于研究丁酸梭菌的现有遗传工具箱［90］。另有研究报道了在拟杆菌属中构建了多个CRISPR/Cas系统，并系统地评估了拟杆菌属中的基因组编辑效率，成功删除了长达50 kb的大基因组片段，以研究代谢基因簇的功能［91］。目前，这些益生菌目前仍面临缺少基因编辑工具、遗传操作技术不成熟和相关元件匮乏等问题，亟需研究人员通过合成生物学策略进一步开发和改造。

在合成生物学中，构建可控的遗传电路是其核心内容之一［101］.通过合理设计遗传电路，可有效规避传统组成型表达系统给LBP构建带来的问题，例如过度表达、对目标代谢物不敏感，以及影响肠道菌群正常功能等.近年来，生物传感器的研究逐渐成为热点.生物传感器可以将生物信号转化为可测量的信号（如电信号和光信号），能够表征基因表达水平［102］.合成生物学家也将其引入遗传电路中，从而使遗传电路实现多种功能.根据特定疾病和所选用的底盘细胞，有针对性地设计遗传电路是开发活体生物药的重要策略. ...