大的疏水分子，如类胡萝卜素，不能通过自然运输系统有效地从细胞中排出。这些产物在细胞内积累，影响正常的细胞生理功能，阻碍进一步提高微生物细胞工厂类胡萝卜素的产量。因此，大型疏水分子需要一种新型的人工运输系统，帮助其运输至胞外。
中国科学院天津工业生物技术研究所研究员毕昌昊带领的代谢工程与合成生物学技术研究团队和研究员张学礼带领的微生物代谢工程研究团队进行合作，在大肠杆菌人工膜囊泡外排系统的建立方面取得新进展。由于类胡萝卜素属于脂溶性色素，可以通过革兰氏阴性菌分泌的外膜囊泡运输，所以可以通过改造膜囊泡系统或构建人工膜囊泡系统提高类胡萝卜素转运能力。该研究发现，通过敲除tolA, tolR以及nlpI等与大肠杆菌外膜结构有关的基因，细胞工厂外膜囊泡的分泌增加，外排部分的β-胡萝卜素的产量显著提高。其中对tolA，nlpi或tolR，nlpI两两组合敲除，可以造成对于细胞外膜破坏的合力作用，外膜囊泡的分泌能力进一步加强，相应菌株外排部分的β-胡萝卜素产量与对照菌株相比提高35.6%，β-胡萝卜素的分泌量提高13.7%。在细胞膜组分合成单元与外排系统的组合方面，细胞膜组分上游合成单元AccABCD与PlsBC的共表达，可以使菌株TW-013与菌株TW-015外膜囊泡的数量增加，并且外排部分的β-胡萝卜素产量高于对照菌株；使菌株CAR015中β-胡萝卜素产量提高3.2倍；使高产菌株CAR025中β-胡萝卜素产量提高61%。该研究构建的人工膜囊泡转运系统建立了一种不同于天然蛋白质的细胞转运系统的人工转运机制，具有广泛的应用前景。
此研究获得中科院重点部署项目、国家自然科学基金和中央高校基本科研基金资助。相关研究成果发表在ACS Synthetic Biology 杂志上。天津工生所联合培养博士生武陶为文章第一作者，毕昌昊与张学礼为论文通讯作者。
图1 外膜囊泡系统改造示意图
图2 菌株CAR015与TW-013(pAcc,pPlsBC)透射电子显微镜照片，白色箭头表示外膜囊泡