放線菌是重要的天然產物生產菌種，具有頗高的工業(yè)應用價值。多數工業(yè)放線菌難以進行基因操作，工業(yè)放線菌的馴化多依賴傳統(tǒng)的隨機誘變方法。而此類方法往往產生的隨機庫突變體數目龐大，正突變率低，傳統(tǒng)的基于孔板培養(yǎng)和產量測定的低通量篩選方法難以與其適配，因此開發(fā)次級代謝產物導向的放線菌高通量篩選方法對于天然產物生產具有重要意義。
中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所研究員王猛帶領的高通量編輯與篩選平臺實驗室，與天津科技大學教授花爾并團隊合作，開發(fā)了基于全細胞感應菌與生產菌共培養(yǎng)的液滴微流控篩選方法WELCOME（whole-cell biosensor and producer co-cultivation based microfluidic platform for screening actinomycetes），首次實現(xiàn)了次級代謝產物導向的放線菌高通量篩選。研究以重要的大環(huán)內酯類抗生素紅霉素為例，通過體外實驗表征了大腸桿菌MphR生物傳感器對于紅霉素的感應情況，后在液滴中建立大腸桿菌與放線菌共培養(yǎng)體系，將生產菌紅霉素的產量信息轉化為可視化的感應菌大腸桿菌綠色熒光信號，通過優(yōu)化分選參數，使紅霉素高低產人工混庫的FADS篩選富集率達到310.9。研究從一株紅霉素高產工業(yè)菌株出發(fā)，利用WELCOME通過兩輪迭代突變和篩選，在大于10萬個突變株的隨機庫中篩選得到多個高產突變株，效價最高可提高50%。研究通過對多個高產突變株的基因組測序和生物信息學分析，篩選到3個對于產量提升有潛在作用的位點，解釋了突變株的高產機制，并用反義RNA抑制策略驗證了其中一個關鍵基因突變對于紅霉素生物合成的影響，為進行菌株的理性代謝工程改造提供了可能的靶點。
在篩選方面，WELCOME方法無需對次級代謝產物生產菌進行基因操作，可規(guī)避工業(yè)放線菌的基因操作難題，且篩選過程快速高效，單輪篩選可壓縮至45天之內，并可通過多輪迭代誘變和篩選獲得更優(yōu)異的突變株。該方法變革了原有的產物導向的放線菌篩選模式，對于其他工業(yè)放線菌的馴化和篩選具有借鑒意義。
相關研究成果作為封面文章發(fā)表在ACS Synthetic Biology上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、合成生物學海河實驗室重大攻關類項目及天津市合成生物技術創(chuàng)新能力提升行動的支持。
封面文章
WELCOME高通量篩選工作流程
來源：中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所
