合成新產(chǎn)品：從無到有

通過引入外源基因使某一生物合成其原來不能合成的新產(chǎn)品，這是一種常用的代謝工程手段。例如，Galanie?等通過將來源于?6?種不同生物（包括植物、哺乳動物和細菌）的?10?余個基因引入酵母中實現(xiàn)了鴉片類藥物的人工合成。通過微生物細胞工廠合成植物來源的天然產(chǎn)物，其好處是微生物生長更快，單位時空內(nèi)產(chǎn)量更高，可以通過較小的發(fā)酵工廠代替大面積的農(nóng)業(yè)種植，大大降低生產(chǎn)成本。

從無到有的設計首先需要確定在底盤細胞中引入哪些外源基因才能打通該新產(chǎn)品的合成途徑。因此，需要將底盤細胞代謝網(wǎng)絡與代謝反應數(shù)據(jù)庫（如?KEGG、MetaCyc?等）相結合，通過一定的計算方法找出需要在底盤細胞中引入的新反應，形成新的途徑，以實現(xiàn)新產(chǎn)品的合成。例如，Zhang?等將?KEGG?反應引入到大腸桿菌代謝網(wǎng)絡中，構建了包含?7?316?個反應的復合代謝網(wǎng)絡模型；基于該模型，以葡萄糖為底物進行通量平衡分析發(fā)現(xiàn)，1?777?個異源產(chǎn)品可以通過在大腸桿菌中引入適當外源反應合成。這一研究為選擇合適外源基因構建大腸桿菌的人工細胞工廠提供了指導。該方法還可以計算其他微生物為底盤時的結果，并通過比較分析確定針對某一特定產(chǎn)品的最優(yōu)底盤生物（需引入外源基因少，相應前體合成能力強等）。Chatsurachai?等分別以大腸桿菌、谷氨酸棒桿菌和釀酒酵母為底盤細胞，通過逐級擴展算法將來源于?KEGG、BRENDA?和?ENZYME?3?個數(shù)據(jù)庫中的異源代謝物和反應添加到?3?個菌株代謝模型中以合成新的產(chǎn)物。該擴展算法首先從數(shù)據(jù)庫中找出那些反應物在（但產(chǎn)物不在）該菌株代謝網(wǎng)絡中的反應，通過將這些反應添加到模型中，使該模型可以生成那些新反應中的產(chǎn)物。隨后在擴展的模型基礎上重復該新反應添加過程，直到?jīng)]有新反應可以添加。最終，針對每一個底盤細胞得到其可以合成的新產(chǎn)品列表及生成某一新產(chǎn)品需要引入的新反應。作者通過該方法預測出大腸桿菌和釀酒酵母是?1,3-?丙二醇合成的可行宿主，并且只需要在這兩種株菌中引入甘油脫氫酶和?1,3-?丙二醇氧化還原酶便可實現(xiàn)產(chǎn)品合成。

上述方法均需基于特定代謝反應數(shù)據(jù)庫擴展特定底盤細胞的代謝網(wǎng)絡，要合成的代謝物和相關反應必須存在于數(shù)據(jù)庫中才能設計出相關途徑，而自然界中還存在許多未知的生化反應并未包含在這些數(shù)據(jù)庫中。例如，很多酶，如醛縮酶等均具有廣譜催化活性，除了已知反應外還可能催化其他代謝物的轉(zhuǎn)化。通過酶改造，構建具有新催化活性的酶可以實現(xiàn)新的轉(zhuǎn)化過程獲得新的生物產(chǎn)品，甚至是合成出自然界不存在的全新生物分子。針對這一問題，人們提出了基于生化反應規(guī)則和化合物結構特征來設計新反應的方法。例如，Hatzimanikatis?的研究組基于化學信息學，在?KEGG?數(shù)據(jù)庫中反應的基礎上擴展酶反應，創(chuàng)建了?ATLAS?數(shù)據(jù)庫，其中包含?13?萬多個在已知反應基礎上通過結構相似性設計得到的新生化反應。利用該數(shù)據(jù)庫，他們設計了多條可以生成生物燃料丁酮的全新途徑，并對不同途徑的理論得率進行了比較分析，以獲得最優(yōu)途徑。

相關文章