中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 化工煉制是工業(yè)社會必需物質(zhì)資源的傳統(tǒng)獲取途徑。但化工煉制以不可再生的石油資源為基礎(chǔ)，很多生產(chǎn)過程存在高能耗、高污染的問題。以綠色清潔的方式實現(xiàn)化學(xué)品的生產(chǎn)，對于實現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。通過合成生物學(xué)技術(shù)，可以改造自然界中微生物的合成能力，甚至創(chuàng)造新的合成途徑。通過構(gòu)建高效的細(xì)胞工廠，利用可再生的生物質(zhì)資源為原料生產(chǎn)各種化學(xué)品，發(fā)展生物制造產(chǎn)業(yè)，將有力促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，確保節(jié)能減排的目標(biāo)實現(xiàn)。

本文對利用合成生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建細(xì)胞工廠，以及構(gòu)建多酶分子機(jī)器來生產(chǎn)化學(xué)品的關(guān)鍵因素和典型案例進(jìn)行了綜述，并對合成生物學(xué)技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的未來進(jìn)行了展望。

合成生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建微生物細(xì)胞工廠的技術(shù)路線

轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)速率和產(chǎn)量是決定微生物細(xì)胞工廠是否能實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的?3?個關(guān)鍵指標(biāo)。通過最優(yōu)合成途徑的設(shè)計、合成途徑的優(yōu)化和細(xì)胞生理性能優(yōu)化，可以顯著提升微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)化學(xué)品的轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)速率，最終實現(xiàn)產(chǎn)量增加。

提高轉(zhuǎn)化率：最優(yōu)合成途徑的設(shè)計路徑

化學(xué)品生物制造的成本中，原料成本所占比重最大（通常超過50%），因此提升微生物細(xì)胞工廠的轉(zhuǎn)化率是實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用最為關(guān)鍵的因素。轉(zhuǎn)化率越高，生產(chǎn)化學(xué)品所需要消耗的原料越少，成本也就越低。在設(shè)計最優(yōu)合成途徑時，底物的碳代謝流和還原力的供給是兩個關(guān)鍵因素。自然界中微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，為了獲得最大的轉(zhuǎn)化率，要改變底物的碳代謝流，使其最大限度地集中于目標(biāo)化學(xué)品的合成。因此，細(xì)胞工廠的構(gòu)建首先需要創(chuàng)建微生物的基因組代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計出目標(biāo)化學(xué)品的最優(yōu)合成途徑，避免其他副產(chǎn)物的競爭，使目標(biāo)化學(xué)品的合成途徑在熱力學(xué)上可行，合成過程能量供給充足。除了碳代謝流分布之外，還原力的供給也至關(guān)重要。底物代謝產(chǎn)生的還原力要滿足化學(xué)品合成所需的還原力。

提高生產(chǎn)速率：合成途徑的優(yōu)化手段

微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)化學(xué)品的生產(chǎn)速率，是決定生物制造成本的另一個關(guān)鍵因素。生產(chǎn)速率高，發(fā)酵周期就短，成本也就越低。要達(dá)到較高的生產(chǎn)速率，需要保證合成途徑能高效運轉(zhuǎn)。化學(xué)品的生物合成途徑通常都是由一系列酶催化反應(yīng)組成。自然狀態(tài)下微生物的合成途徑中，各個酶的催化效率達(dá)不到非常協(xié)調(diào)的狀態(tài)。有些酶的催化速率慢，成為合成途徑的限速步驟；有些酶的催化速率快，導(dǎo)致中間代謝物積累，對細(xì)胞生長和代謝產(chǎn)生毒性作用。這些都會導(dǎo)致合成途徑的整體效率低，制約了細(xì)胞工廠的生產(chǎn)速率。因此，需要對合成途徑進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到平衡協(xié)調(diào)的狀態(tài)，目前主要有?3?種手段。

多基因調(diào)控技術(shù)。多基因調(diào)控技術(shù)通過對染色體上的多個基因同時進(jìn)行改造，結(jié)合高通量篩選技術(shù)，可以快速高效地鑒定出最優(yōu)的調(diào)控組合。標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)控元件文庫，如啟動子、核糖體結(jié)合位點和信使?RNA?穩(wěn)定區(qū)文庫，為基因改造提供了堅實的元件基礎(chǔ)。基于質(zhì)粒表達(dá)的小分子?RNA?技術(shù)能大規(guī)模調(diào)控目標(biāo)基因的表達(dá)，實現(xiàn)合成途徑的精確調(diào)控。

基因動態(tài)調(diào)控技術(shù)。根據(jù)基因轉(zhuǎn)錄因子與代謝關(guān)鍵中間物的相互作用，可以開發(fā)出動態(tài)感應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)（dynamic sensor-regulator system）來調(diào)控基因的表達(dá)。與傳統(tǒng)調(diào)控系統(tǒng)相比，動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)具有智能性，可以根據(jù)選定的某種細(xì)胞體內(nèi)代謝信號自動調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá)，從而維持代謝途徑的動態(tài)平衡，達(dá)到提高產(chǎn)品合成能力的目標(biāo)。

蛋白骨架技術(shù)。在細(xì)胞體內(nèi)的代謝途徑中，參與反應(yīng)的酶的空間位置是影響代謝途徑效率的一個重要因素。通過人工合成的蛋白骨架，使酶以特定位置和序列附著在骨架上，可以控制代謝途徑中酶的空間位置，從而使合成途徑相鄰的酶聚集在物理空間比較近的區(qū)域，使底物和酶距離接近，提高生化反應(yīng)的速率。另外，蛋白骨架也可以調(diào)節(jié)酶催化效率，通過這項技術(shù)可以獲得最優(yōu)組合，最終提高細(xì)胞工廠的性能。

增加產(chǎn)量：細(xì)胞生理性能優(yōu)化方法

合成途徑優(yōu)化之后，可以獲得一個初步的細(xì)胞工廠。但要讓其實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，還需進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)胞的生理性能。為了獲得高產(chǎn)量，需要讓細(xì)胞能適應(yīng)高滲透壓。為了能在酸性條件下發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)酸，避免添加中和劑、簡化下游分離提取工藝，需要讓細(xì)胞能適應(yīng)酸性環(huán)境。同時，為了避免污染和節(jié)約能耗，需要讓細(xì)胞適應(yīng)高溫。進(jìn)化代謝和全局?jǐn)_動等技術(shù)的發(fā)展可以有效地提高細(xì)胞的生理性能。在此基礎(chǔ)上，使用各種高通量組學(xué)分析技術(shù)可以解析細(xì)胞性能提升的遺傳機(jī)制，并可用于新一輪細(xì)胞工廠的構(gòu)建。