精确调控目的基因表达对生物体的正常生命活动以及基因功能研究至关重要。传统的以化学小分子为诱导剂的基因表达系统难以实现高时空分辨率的调控。与化学小分子相比，光具有廉价易得、操作简便、能够空间调控基因表达等优势，随着光遗传学的发展，光控基因表达系统被广泛应用于生命研究的各个领域。大肠杆菌是实验室最常见的模式生物之一，到目前为止科学家们已经开发了几种大肠杆菌光控基因表达系统。然而，这些系统存在着组份复杂、依赖外源辅因子、诱导倍数低、光抑制基因表达等缺点，这些缺点限制了它们的广泛使用。
2020年1月28日，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、药学院、光遗传学与合成生物学交叉学科研究中心杨弋教授在国际权威学术期刊Nucleic Acids Research发表题为“A single-component light sensor system allows highly tunable and direct activation of gene expression in bacterial cells”的文章，报道一种高性能大肠杆菌光激活基因表达系统，可实现大肠杆菌生命活动的精确调控以及合成生物学复杂基因回路的构建，为生命科学基础研究、生物绿色制造提供极具价值的工具。
团队利用光敏蛋白RsLOV在黑暗和光照条件下寡聚化状态不同的特性，在大肠杆菌中构建了只含单组份且不依赖外源辅因子的光激活基因表达系统。该系统有着非常优良的光诱导特性，如低泄漏表达、高诱导水平，大于500倍的诱导倍数、光强依赖的梯度表达、快速的诱导动力学特性和高空间分辨率以及对于不同菌株很好的普适性。此外，光敏转录因子LexOV具有很好的通用性，可以用于调控不同的启动子活性。
研究中利用开发的光控系统调控CheZ和FtsZ基因的表达，实现了对大肠杆菌“泳动”和分裂的调控。将该系统与PBAD /AraC、Plasl /LasR、PλO12 /cI基因开关结合起来，分别构建了“NOT”、“OR”、“AND”、“NAND”和“N-IMPLY”合成生物学逻辑门。这些结果显示该单组份光激活基因表达系统可被用于大肠杆菌生命活动的精确调控以及合成生物学复杂基因回路的构建。
近年来，杨弋教授团队开发了多个光控基因表达系统，可使人们以前所未有的精度来控制动物、细菌、真菌等物种细胞内基因的表达，系列工作发表在2012 Nature Methods、2016 Cell Research、2016 Nucleic Acids Research、2018 ACS Synthetic Biology。这些光控系统不仅可以广泛应用于生命科学领域研究，还将为糖尿病等人类疾病提供一种在时间和剂量上精确控制的基因治疗新途径。
李写博士为本论文的第一作者，杨弋教授和陈显军教授为通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、中国博士后科学基金、生物反应器工程国家重点实验室、中央大学基础研究基金、111计划等科研项目资助。
