抗生素的不合理使用甚至滥用导致抗生素耐药性问题日益凸显，但新型抗生素的研发停滞不前，尤其是针对革兰氏阴性菌的新抗生素少之又少，迫切需要新策略和新方法寻找对抗多重耐药革兰氏阴性菌（multidrug-resistant Gram-negative bacteria）的新型抗生素。

全细胞生物传感器（whole-cell biosensor）是合成生物学的重要研究领域之一，其以微生物细胞作为敏感元件，将收集到的相关信号转化为可读信号，广泛应用于生物工业过程监控、环境污染物监测、食品安全检测以及疾病诊断等领域，在微生物药物筛选方面也显示出巨大潜力。肽聚糖是细菌细胞壁的重要组成部分，因哺乳动物中没有肽聚糖，使得细菌肽聚糖成为最重要的抗生素作用靶点，被称为细菌的“阿喀琉斯之踵”（ the Achilles’ heel of bacteria）。很多常用的抗生素都能特异性靶向细胞壁的生物合成过程，如β-内酰胺类抗生素、糖肽类抗生素、D-环丝氨酸、默诺霉素、磷霉素和杆菌肽等。然而，由于目前对革兰氏阴性菌中负责感知和应答肽聚糖损伤的信号转导调控系统了解不多，极大地限制了检测肽聚糖靶向抗生素的全细胞生物传感器的设计与开发。

团队前期从革兰氏阴性菌Shewanella oneidensis中挖掘出一套能够感知和应答肽聚糖损伤的新颖的双组分信号转导系统PghK/PghR（另文发表）。当肽聚糖损伤时，组氨酸激酶PghK自磷酸化，随后将信号传递至应答调控蛋白PghR，进而调控下游基因的表达。基于此，团队利用该系统进行设计和组装，以S. oneidensis MR-1菌株为底盘细胞、以受PghK/PghR特异性激活的blaA基因启动子（P_blaA）为报告基因元件的启动子、以细菌荧光素酶基因luxCDABE为报告基因，构建了全细胞生物传感器（图1）。

图1 全细胞生物传感器的构建模式图

研究发现，该传感器能够特异性响应β-内酰胺类抗生素（如青霉素类）、糖肽类抗生素（如万古霉素）和D-环丝氨酸等肽聚糖靶向抗生素（图2）。通过对背景菌株中的基因blaA（编码β-内酰胺酶）和ampG（编码肽聚糖产物通透酶AmpG）进行敲除，显著提升了全细胞生物传感器的灵敏度。同时，团队还利用双层平板建立了肽聚糖靶向抗生素可视化筛选方法，成功地从土壤环境中筛选到能够产生肽聚糖靶向抗生素的细菌（图3）。该全细胞生物传感器的构建为开发对抗革兰氏阴性耐药菌的新型抗生素奠定基础。

图2 全细胞生物传感器特异性感知肽聚糖靶向抗生素

图3 基于双层平板法筛选肽聚糖靶向抗生素产生菌

  相关研究成果以“Development of Whole-Cell Biosensors for Screening of Peptidoglycan-Targeting Antibiotics in a Gram-Negative Bacterium”为题，于2022年9月发表在微生物学领域主流期刊《Applied and Environmental Microbiology》(DOI: 10.1128/aem.00846-22)。音建华副教授为该论文的第一作者和通讯作者，余志良教授为论文共同通讯作者。该研究得到了浙江省自然科学基金（LY20C010003）和国家自然科学基金（31600041）等项目的支持。

论文信息：Yin JH*, Zhu YL, Liang YQ, Luo YK, Lou J, Hu X, Meng Q, Zhu TH, Yu ZL*. Development of Whole-Cell Biosensors for Screening of Peptidoglycan-Targeting Antibiotics in a Gram-Negative Bacterium. Appl Environ Microbiol. 2022, 88(18):e0084622.

论文链接：https://journals.asm.org/doi/10.1128/aem.00846-22