基因回路驱动的放大选择促进快速生长大肠杆菌的进化

实验室大肠杆菌 K-12 菌株的倍增时间数十年来从未快于约 20 分钟。这一平台期可能反映了生物物理极限，也可能仅仅是批量培养对生长速率的选择方式所致。我们在此表明，通过采用红皇后基因回路进行放大选择，可以突破这一限制；该回路利用单克隆群体中的生长速率异质性，选择性抑制生长较慢的细胞，并建立起从内在生长速率到存活的可调映射。在 MG1655+FHr 中经过 70 天（约 1,000 代）的放大选择，并在随后移除该回路后，一个顶尖进化克隆（RQ70）在摇瓶培养中达到了 2.61 h^-1 的最大比生长速率。按此计算，其倍增时间为 15.9 分钟，据我们所知，这是 E. coli K-12 已报道的最短值，而进化对照组和祖先株分别为 18.1 分钟和 20.3 分钟。该增益的代价是滞后时间增加了约 3 倍，表明在常规批量选择下，20 分钟平台期是多性状最优，而非绝对约束。我们认为，合成基因回路因此能够重塑进化过程本身，将性能推向表观生理极限之外。

实验室大肠杆菌 K-12 菌株的倍增时间数十年来一直未能快于约 20 分钟。这一平台期可能反映了生物物理极限，也可能仅仅是分批培养对生长速率选择的结果。我们在此表明，通过采用 Red Queen 基因回路进行放大选择，可以突破这一限制；该回路利用单克隆群体中的生长速率异质性，选择性抑制生长较慢的细胞，并建立起从内禀生长速率到存活概率的可调映射。在 MG1655+FHr 中进行 70 天（约 1,000 代）的放大选择并随后移除该回路后，一个顶级进化克隆（RQ70）在摇瓶培养中达到了 2.61 h^-1 的最大比生长速率。据我们所知，这对应 15.9 分钟的倍增时间，是迄今报道的 E. coli K-12 最短倍增时间；相比之下，进化对照组为 18.1 分钟，祖先株为 20.3 分钟。该增益的代价是滞后期增加约 3 倍，表明 20 分钟平台期是在常规分批选择下的多性状最优点，而非绝对约束。我们认为，合成基因回路因此能够重塑进化过程本身，将性能推向表观生理极限之外。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.05.743033v1?rss=1

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