在生物制造领域，微生物合成天然产物是一种可持续且成本效益高的生产方式。为提高目标产物的产量和生产效率，优化微生物细胞工厂性能至关重要，而筛选高产菌株则成为关键环节。传统的基于生物传感器的筛选方法虽广泛应用，但存在诸多挑战。微生物在不同环境下，细胞生长速率和基因表达会发生显著变化，导致细胞密度和基因表达存在异质性。在液滴环境中，由于难以测量细胞密度，这种异质性会使筛选结果出现偏差，产生大量假阳性，增加后续重筛和验证的工作量。

研究团队构建了经修饰的双色全细胞大肠杆菌生物传感器。研究人员运用CRISPR/Cas9介导的基因插入技术，将含有 j23119 启动子、mCherry 基因和T7终止子的表达盒，整合到大肠杆菌 Top10 基因组的不同位点。通过比较不同位点整合后的表达水平，最终选定 aslB-aslA 位点的修饰菌株进行后续实验。实验表明，mCherry 荧光与细胞密度呈现良好的正相关（R²=0.98），这意味着 mCherry 荧光可用于标准化生物传感器的输出，有效消除细胞异质性对筛选结果的影响。

图 1：展示诱导剂浓度和细胞异质性对两种生物传感器荧光输出的影响。

图 2：呈现修饰的全细胞红霉素生物传感器的构建及相关特性。

图 3：体现修饰生物传感器 Top10::mcherry (aslB)/pSense_132 的剂量响应特征。

研究人员将该生物传感器与液滴微流控平台相结合，开展了一系列实验。在对人工文库的筛选实验中，以不同浓度红霉素诱导的液滴构建人工文库，分别采用单色和双色筛选策略进行荧光激活液滴分选（FADS）。结果显示，双色筛选的富集比达到 99.4，远高于单色筛选的 44.9；同时，双色筛选得到的液滴均匀性更好，其归一化 GFP 数据集的标准差仅为 0.07，而单色筛选非归一化 GFP 数据集的标准差为 0.17。这充分证明了双色筛选方法在减少生物传感器细胞异质性影响方面的优势，能够获得更一致的筛选结果。

图 4：展示修饰生物传感器辅助筛选人工文库的单双色策略及效果对比。

为进一步验证该平台在实际应用中的效果，研究人员对糖多孢红霉菌（Saccharopolyspora erythraea）的突变体文库进行筛选。他们以野生型 S. erythraea NRRL 23338 和工业菌株 S0 为亲本，利用 ARTP 诱变技术构建突变体文库。将修饰后的生物传感器分别与突变体文库共培养，进行液滴生成和孵育，随后通过 FADS 进行单双色筛选。实验结果令人瞩目，在筛选 S. erythraea NRRL 23338 和 S0 衍生的随机诱变文库时，双色筛选方法的阳性率分别提高了 24.2% 和 11.9%，并成功从两个文库中鉴定出红霉素高产菌株，其中S0衍生的高产菌株产量提高了19.6%。

图 5：展示从突变体文库筛选出的菌株红霉素产量分析及相关基因富集结果。

该研究成果意义重大，开发的双色液滴微流控筛选方法有效减轻了全细胞生物传感器中细胞异质性的影响，显著提高了 FADS 筛选的准确性和阳性率。这一策略不仅为红霉素高产菌株的筛选提供了高效手段，还为其他天然产物的高通量筛选提供了通用方法，有助于推动遗传编码生物传感器在高通量筛选中的应用，对微生物细胞工厂的工程化改造和生物制造产业的发展具有重要的指导意义。

参考文献：Zhao L, Li S, Yang Y, et al. Biosensor-based dual-color droplet microfluidic platform for precise high-throughput screening of erythromycin hyperproducers[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2025: 117376.