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动态代谢调控被认为是提高微生物细胞工厂性能的重要策略。近年来，光遗传技术凭借高时空分辨率、可逆性以及无需额外添加化学诱导剂等优势，逐渐成为合成生物学和代谢工程的重要研究方向。然而，在工业高密度发酵条件下，光难以均匀穿透培养体系，大量细胞无法获得足的够光刺激，从而导致光遗传系统难以稳定运行，这一“光遮蔽效应”严重限制了光遗传技术的工业化应用。

近日，袁吉锋教授团队在Advanced Science杂志上发表了一篇题为“Engineered optogenetic circuits in yeast with self-sustained outputs”的研究论文。该论文围绕酵母G蛋白偶联受体（GPCR）信号通路、光遗传调控以及群体感应机制展开，开发出一种能够“记录”瞬时光刺激的新型酵母光遗传群体感应系统，实现了从短时光照到长时间群体级基因表达的动态调控，重点解决了长期制约工业光遗传技术发展的“光遮蔽效应”问题。这也为工业发酵中的光遗传应用提供了新的工程化解决方案。

基于研究人员前期在酿酒酵母中利用GPCR信号级联来重塑具有不同表达谱的酵母半乳糖调节子的研究（Cell Reports Methods, 2023, 3, 100647），团队提出了一种“光遗传+群体感应”的融合设计策略，构建了基于酵母GPCR信号通路的光遗传群体感应系统（OptoQS）。研究中，团队利用来源于拟南芥的 CRY2/CIB1蓝光响应模块感知光刺激，并进一步驱动α-factor的表达。与传统需要持续光照维持表达的光遗传系统不同，OptoQS能够将瞬时光输入“记录”为α-factor的积累，而α-factor作为可扩散信号分子，可以在整个细胞群体中传播并持续激活下游 GPCR信号通路，从而在停止光照后依然维持长时间的群体级基因表达。

为了进一步提高系统性能，研究团队对酵母信息素响应GPCR信号通路进行了工程化改造。通过将信息素响应启动子与GAL调控系统耦联，并进一步优化α-factor拷贝数以及Gpa1表达水平，研究团队成功降低了系统背景噪声，并获得了最高约73倍的基因表达动态范围。

随后，团队进一步引入前馈式自诱导回路，使α-factor能够进一步诱导自身表达，从而形成正反馈信号放大机制，显著增强了群体水平的信号传播能力。为了从单细胞层面解析系统行为，研究团队进一步进行了流式细胞术分析。结果显示，在引入正反馈后，细胞群体形成了明显的高表达与低表达两类稳定亚群，而高表达细胞同时表现出更大的细胞体积。进一步结合数学建模，研究团队发现正反馈系统能够持续积累α-factor，并在停止光刺激后依然维持系统激活状态。这意味着OptoQS实际上构建了一种能够“记录瞬时物理刺激”的工程化细胞系统。

在应用层面，研究团队进一步将OptoQS应用于3-羟基丙酸（3HP）生物合成调控。通过蓝光诱导相关代谢通路表达，工程酵母能够动态调控β-丙氨酸向3HP的代谢流分配。实验结果显示，仅经过短时间蓝光刺激后，即使停止光照，系统依然能够持续维持代谢通路激活。在摇瓶培养条件下，工程菌株实现了0.76 g/L的3HP产量；而在补料分批生物反应器中，最终3HP产量进一步达到4.97 g/L，表明该系统在工业放大条件下依然具有稳定功能和应用潜力。

总之，该研究提出了一种新的光遗传工程化框架，即利用群体感应机制将局部、瞬时的光刺激转化为群体范围内持续性的代谢激活。相比传统依赖持续光照的策略，OptoQS不仅降低了光输入需求与潜在光毒性风险，还提高了群体表达一致性，并显著增强了工业化应用潜力。未来，该设计原则有望进一步拓展至工业高密度发酵、固态发酵、复杂人工基因线路以及哺乳动物细胞工程等方向，为下一代低能耗、智能化生物制造提供新的技术路线。

图：基于GPCR的酿酒酵母光遗传群体感应回路