转录因子是细胞转录调控系统的核心组分，其可通过与DNA上相应的顺式元件结合，激活或者抑制启动子的转录活性，从而实现基因表达对胞内外信号的响应。很多天然的转录因子已经被深入研究并应用于代谢通路动态调控和人工基因线路构建。然而，天然的转录因子的调控性能难以满足工程化设计的需求，传统筛选和定向进化方法可改善转录因子的性能，但相关实验周期长、工作量大。

娄春波课题组针对转录因子的协同性、超敏性需求，开发了一种模块化的协同性蛋白元件，将该元件与转录因子融合后，可有效提高转录因子结合DNA的协同性，从而显著提升转录调控系统的超敏性和严谨性。该元件普遍适用于各种转录因子，在不同物种中也具有很高的通用性，可对遗传开关和人工调控网络实行“即插即用”式的改造，大幅改善人工系统的性能。

课题组首先通过实验测试了多种具有潜在多聚化能力的蛋白质结构域对CymR调控性能的影响，根据实验结果选取来自434噬菌体阻遏蛋白的多聚化结构域（CI434oligomer）进行模块化改造，并实验验证了该CI434oligomer元件对于提升基于PhlF、LmrA、MazE等种转录因子超敏性和严谨性的普适性。并以“即插即用”的方式，成功改造了人工非一致性前馈网络，将其输出信号的峰值提升了近3倍。后续研究表明，该元件还具有应用于真核细胞的潜力。

模块化设计各类基因元件是合成生物学相关领域的重要基础任务，以本研究成果为代表的高质量的模块化基因元件，可大幅降低改造生物系统常用“设计-构建-测试-再设计”循环流程的工作量，提升合成生物学的相关基础研究和应用研究的进度。

该研究成果已于近日在《ACS Synthetic Biology》上在线发表，微生物研究所硕士侯君然和中南大学湘雅医院的曾维倩博士为本文的共同第一作者，娄春波研究员为通讯作者。该研究得到了北京大学欧阳颀教授课题组帮助和国家自然科学基金、科技部、中国科学院跨学科创新团队项目和国际合作伙伴计划资助。