遇见/背景
自工业化开始以来，人类的生产活动造成严重的环境污染，生态环境治理已经成为全球范围必须面对的重大问题。以重金属污染为例，土壤中高浓度的重金属会影响农作物的生长，这些高度稳定的重金属离子可以通过食物链逐渐富集，最终对全球粮食安全和人类健康构成严重威胁。与物理化学处理手段相比，生物治理，尤其是微生物处理，具有成本低，效率高的优势，受到广泛关注。虽然自然筛选及驯化微生物已经成功应用于污染场地的治理，但还存在一定的应用局限，尤其在突发事件的处理过程中，自然微生物无法满足快速修复需求。利用基因工程手段对天然微生物进行功能改造，可以显著提高生物修复效率和拓展应用场景，但转基因微生物的环境使用存在生态安全风险，受制于目前的法规限制，还无法实际应用。随着合成生物学的兴起和技术的不断进步，我们已经可以通过设计基因线路来控制生物体的行为，使转基因微生物的环境可控释放成为可能。图片 图片
遇见/内容
以汞离子生物治理为例，中科院微生物所于波课题组设计了重金属修复的智能自调控基因线路。该基因线路可以感知环境重金属汞离子浓度的变化，自动启动重金属吸附、菌体回收和自杀模块基因的程序化表达，过程中无需任何外源诱导剂和人工干预。基因线路的工作原理如下：MerR作为抑制蛋白与PmerT启动子结合后会抑制基因转录，在设计中使用组成型启动子Pc启动MerR蛋白的正常表达，在无汞离子存在条件下会关闭后续基因的表达。将菌株投入含有汞离子的水体中后，MerR蛋白被汞离子从启动子上解离下来，PmerT启动重金属吸附蛋白和TetR蛋白的表达。TetR蛋白是启动子PLtetO的负调控蛋白，TetR存在的条件下，可以抑制PLtetO驱动的自杀基因的表达，使菌体可以正常繁殖。在处理后期，重金属离子随着细胞被富集回收，水体的重金属离子浓度将持续降低。当环境及细胞内汞离子浓度下降到低于启动子响应的阈值后，残留在水体中的工程菌株中PmerT启动子将无法继续启动TetR蛋白基因的表达。在后续细胞繁殖过程中，胞内的TetR蛋白浓度将不断降低甚至完全消失，PLtetO启动子将自动启动防逃逸元件（致死蛋白）的表达，水体残留或逃逸到无污染环境中的工程微生物将无法存活，从而实现生态安全。
经过精细调控各元件，研究人员首先在大肠杆菌系统中实现了基因线路的高灵敏工作【Journal of Cleaner Production, 2022, 337, 130524】。完成概念验证后，将基因线路移植到环境安全菌株恶臭假单胞菌KT2440中，然而线路完全不能工作。研究人员对各基因元件在假单胞菌中的表达进行了精细的适配性优化，包括重新调整MerR蛋白的表达水平，筛选不同的PmerT启动子突变体，替换不同来源的TetR蛋白元件等，实现了基因线路的正常工作；进一步耦合基因线路“放大器”，显著提升了基因线路响应汞离子的灵敏度，假单胞菌工程菌株可以响应低于10 nM的汞离子；组装完整基因线路的假单胞菌工程菌株实现了对水体汞离子98%以上的去除率，并且残留水体中的假单胞菌自动死亡，逃逸率低于10E-9，达到美国NIH建议的转基因微生物环境释放安全标准（< 10E-8）。为了进一步验证工程菌株的生态安全性，本研究采用自然环境水体，在非灭菌条件下，测定了工程菌株在模拟自然生态系统条件下的汞离子脱除效率和逃逸控制率，工程菌株对汞离子去除效率超过99%；处理72小时后，水体环境中检测不到工程菌株的存活。通过比较处理前后水体微生物多样性和丰度的变化，证实工程菌株的使用未对水体土著生态系统造成显著影响。本研究为利用转基因微生物开展生态环境修复提供了借鉴；也为假单胞菌合成生物学研究提供了一批优良的元件。
上述研究结果发表在环境微生物领域国际期刊Environmental Microbiology，题为“Mercury Bioremediation by Engineered Pseudomonas putida KT2440 with Adaptationally Optimized Biosecurity Circuit”。中国科学院微生物研究所于波研究组硕士毕业生薛宇斌为第一作者，于波为通讯作者；北京市农林科学院生物技术研究所仇天雷分析了模拟生态水体的微生物多样性变化。该研究获得国家重点研发计划（2021YFA0909500）和国家自然科学基金（31770122）项目资助。