微生物的生长、分裂和形态发生等行为受到多基因时间表达调控的控制，而基因表达调控与其生长周期紧密相关，并受到其短暂代时的限制。在工业发酵、农业和生物医学工程等领域，工程菌株的发酵周期时间范围通常需要数十小时至数天，远长于其自然生命周期。传统的工程菌株基因表达调控手段往往依赖外源添加人工诱导剂（如 IPTG、arabinose等）、环境因子和群体感应因子刺激等静态策略，既需要外部干预，也受限于诱导剂种类数量、浓度阈值等，难以实现长时间尺度上的精准时序控制；虽然遗传振荡器可以周期性调节基因表达，但无法在特定时间点实现精确基因表达调控，限制了其在工业发酵和合成生物学中的应用。因此，如何突破微生物基因表达的调控方式和改造技术瓶颈是合成生物学代谢调控使能技术研究的关键。

2025年8月27日，浙江大学生命科学学院生物物理研究所田兵教授课题组在Science Advances上发表题目为“BioFuse: A programmable timer switch of gene expression”的研究论文。该研究构建了一种可编程的新型基因时序性表达调控系统BioFuse，该系统通过单碱基编辑器和特殊设计的串联DNA盒的级联编辑技术，可实现工程菌中精确的基因表达时间控制，可编程时间范围从数小时到数天，且无需外加诱导剂，也标志着基因调控从“开/关”走向“可时控”迈出重要一步，为工业微生物发酵、代谢工程和医学等领域提供了全新工具。

BioFuse系统包括以下两个核心部分：可编程的串联DNA盒重复序列和单碱基编辑器ABE。串联DNA盒序列由多个相互间部分重叠的推进靶点（push site）组成，其中每个推进靶点可被ABE依次编辑以激活下一个位点的PAM序列，当最后一个PAM 位点被编辑后，ABE即可对位于目标基因启动子区域的-35 box的开关靶点（switch site）进行编辑，从而激活或关闭下游基因表达。通过构建含不同数量推进靶点的BioFuse，BioFuse的反应时间与推进靶点数量呈正相关关系，实现了对目标基因开关的精确时序性表达控制。进一步系统优化构建了并联、可双向控制、多基因的时序表达调控体系，具有多基因定时表达切换、模块化易扩展等特性，可以实现复杂的多层级基因表达调控。

图1. 基因时序性表达调控系统BioFuse的设计、功能和应用价值示意图

作者将BioFuse调控系统用于番茄红素（lycopene）合成基因的表达调控。通过构建特定长度的BioFuse来控制番茄红素合成基因的时序性表达，实现了番茄红素合成与工程发酵菌株（大肠杆菌）生长的时相阶段解耦联，使菌体细胞从生长模式切换为产物合成模式（初级代谢/次级代谢切换），且无需额外诱导剂即可提高番茄红素产率。此外，利用 BioFuse构建了菌体自裂解系统，实现了细胞定时裂解和荧光报告蛋白释放，在提升微生物工业发酵后处理和活细胞药物递送释放效率等领域展示出潜在应用价值。由此，该研究论文提出的BioFuse提供了一种可用于精确、广泛时间范围内的基因表达和代谢调控的合成生物学工具，未来还有望扩展至酵母、藻类、哺乳动物细胞等更多系统，在工业微生物精准生物制造和医学领域具有广阔应用前景。

图2. 并联的BioFuse On-2和On-4分别控制mCherry和eGFP的差异时间表达介导形成菌落“花朵”表型（左图）；BioFuse On-2–lyco能够实现大肠杆菌工程菌株番茄红素合成与菌株生长阶段解耦联（右图）

浙江大学生命科学学院博士研究生黄铖、赵杰和谭梓纯为论文共同第一作者，浙江大学田兵教授为本文通讯作者，南京农业大学戴商副教授为本文共同通讯作者，浙江大学化学工程与生物工程学院王宝俊教授参与了该研究工作。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目资助。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv7892

作者介绍：

田兵，浙江大学生命科学学院教授、博导，生物物理研究所所长。田兵教授课题组围绕微生物抗逆机理与合成生物学研究领域，近年来在极端微生物环境胁迫响应与时空调控、合成生物学调控元件、人工细胞组装与演化研究领域取得了进展。

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