近日，北京理工大學(xué)生命學(xué)院霍毅欣團(tuán)隊(duì)在1區(qū)TOP期刊《Journal of Advanced Research》發(fā)表題為“Design of strictly orthogonal biosensors for maximizing renewable biofuel overproduction”的研究文章。本研究通過開發(fā)一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)方法，解決了信號(hào)分子濫交和工業(yè)正交性之間的關(guān)系，以轉(zhuǎn)錄因子BmoR為例，利用該方法成功地縮小了BmoR的改造區(qū)域，極大地加快了獲得理想突變體的速度，為合成生物學(xué)和生物制造的高度特定工具的理性設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的范例。該工作以北京理工大學(xué)為第一通訊單位，2020級(jí)博士生毋彤為第一作者，陳振婭長(zhǎng)聘副教授和霍毅欣教授為共同通訊作者。

目前，轉(zhuǎn)錄因子（Transcription factor, TF）工程依賴于隨機(jī)突變與高通量篩選相結(jié)合，而較大區(qū)域的突變會(huì)一定程度破壞轉(zhuǎn)錄因子的功能，同時(shí)一些非功能性的突變體的存在降低了有效突變體的篩選效率。將改造重心集中在控制信號(hào)分子正交性、靈敏度和檢測(cè)范圍的功能區(qū)域上，可以有效提高獲得理想突變體的速率?；诖?，識(shí)別這些關(guān)鍵區(qū)域?qū)τ诟咝гO(shè)計(jì)高性能轉(zhuǎn)錄因子至關(guān)重要。人工智能推動(dòng)了合成生物學(xué)和代謝工程的進(jìn)步，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)在蛋白質(zhì)和酶工程中的應(yīng)用。將高通量篩選與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，可以加速評(píng)估大量突變體性能的速度，從而顯著減少實(shí)驗(yàn)的工作量和成本?；诖?，本研究建立了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的半理性設(shè)計(jì)策略，通過定位影響B(tài)moR與信號(hào)分子結(jié)合的關(guān)鍵區(qū)域?qū)moR進(jìn)行半理性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)BmoR對(duì)特定信號(hào)分子嚴(yán)格特異性響應(yīng)（圖1）。

圖1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的半理性設(shè)計(jì)BmoR

以BmoR為例，本研究開發(fā)了一種量化轉(zhuǎn)錄激活因子影響的方法，以此指導(dǎo)具有精確信號(hào)分子識(shí)別能力的突變體的設(shè)計(jì)。利用隨機(jī)森林算法建立機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的半理性設(shè)計(jì)策略，通過搭建準(zhǔn)確度為88.5%的預(yù)測(cè)模型，精準(zhǔn)定位了三個(gè)顯著影響B(tài)moR與信號(hào)分子特異性結(jié)合的關(guān)鍵區(qū)域，共計(jì)36個(gè)氨基酸殘基（圖2）。

圖2 機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的識(shí)別影響信號(hào)分子特異性的CRR區(qū)域

通過對(duì)這三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行半理性設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了BmoR對(duì)同分異構(gòu)體和結(jié)構(gòu)類似物的嚴(yán)格區(qū)分。本研究通過測(cè)定BmoR與信號(hào)分子間的親和力進(jìn)一步證明了BmoR突變體對(duì)正戊醇或異戊醇的嚴(yán)格特異性響應(yīng)。通過模擬分析BmoR突變前后六聚體結(jié)構(gòu)的變化揭示了影響B(tài)moR識(shí)別信號(hào)分子的關(guān)鍵殘基。隨后，利用對(duì)異戊醇嚴(yán)格特異性響應(yīng)的生物傳感系統(tǒng)，該工作成功篩選到一株異戊醇高產(chǎn)菌株，實(shí)現(xiàn)12.6 g/L異戊醇的生物合成，為迄今為止的最高產(chǎn)量。該方法將機(jī)器學(xué)習(xí)與分子模擬相結(jié)合，以優(yōu)化轉(zhuǎn)錄因子改造工程，展示了解決轉(zhuǎn)錄因子的信號(hào)分子濫交，并提高了生物傳感器的檢測(cè)精度。

圖3 利用對(duì)異戊醇嚴(yán)格特異性響應(yīng)的生物傳感系統(tǒng)篩選異戊醇高產(chǎn)菌株

此項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、河北省自然科學(xué)基金委和唐山市科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助，以及北京理工大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程公共實(shí)驗(yàn)中心的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jare.2025.09.015

來源：北京理工大學(xué)