提高產(chǎn)品得率：從有到優(yōu)

在賦予了細胞新的合成能力，實現(xiàn)了從無到有的改造之后，代謝工程的下一個目標就是以最小的原料消耗生產(chǎn)最多的產(chǎn)品。消耗單位原料（底物）可以生成的產(chǎn)物的量常用“得率”來表征，其是反映原料成本的一個重要指標，尤其對大宗化學品來說原料成本是影響產(chǎn)品生產(chǎn)成本的最主要因素。對某些通過簡單途徑就可以合成得到的產(chǎn)品，如乙醇、乳酸等，通過直觀觀察就可以得到得率最大化的代謝途徑；但對大部分代謝產(chǎn)物，如核苷酸、芳香族氨基酸等，由于其合成途徑復雜，涉及副產(chǎn)物及多個前體，很難通過簡單觀察或手工計算得到其理論得率。此外，在產(chǎn)品合成過程中還涉及能量（ATP）和還原力的產(chǎn)生和消耗，需要額外消耗底物產(chǎn)生能量和還原力，或通過某種途徑消耗掉多余的能量還原力，這使得產(chǎn)物得率的計算更為復雜。基于代謝網(wǎng)絡(luò)模型，人們提出了通量平衡分析（Flux Balance Analysis，F(xiàn)BA）的計算分析方法，以準確計算該網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)物的理論得率及能達到該理論得率的最優(yōu)轉(zhuǎn)化途徑。FBA?基于代謝網(wǎng)絡(luò)模型中的生化反應(yīng)計量關(guān)系（可以理解為一個反應(yīng)中各種反應(yīng)物和產(chǎn)物的摩爾比）和反應(yīng)的不可逆性約束，通過求解約束最優(yōu)化問題，得到使產(chǎn)物生成最大化并且滿足物料和能量平衡的產(chǎn)品合成最優(yōu)途徑。由于求得的途徑是通過對整體網(wǎng)絡(luò)計算分析得到的，比由生化知識得出的常規(guī)合成途徑更為全面，該方法能考慮能量平衡、輔因子平衡、多前體的平衡以及合成途徑中副產(chǎn)物的再回收利用。該方法可以獲得實現(xiàn)同樣最大得率的多種不同策略，可能超越我們對生物化學知識的理解，得到與已知傳統(tǒng)代謝途徑不同的新途徑，從而提供全新的改造靶點和策略。例如，很多生物產(chǎn)品都是以乙酰輔酶?A?為前體合成得到，但以葡萄糖為底物時，乙酰輔酶?A?一般由糖酵解終產(chǎn)物丙酮酸脫羧生成，這導致葡萄糖中的?2?個碳原子都以?CO₂形式損失掉而不能進入產(chǎn)物，1?個葡萄糖（含?6?個碳原子）最多得到?2?個乙酰輔酶?A（共?4?個碳原子）。因此，即使全部乙酰輔酶?A?中的碳都轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品中，產(chǎn)物的最大碳摩爾得率也只能達到?0.67（圖?1a）。而以大腸桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)模型?iJO1366?通過?FBA?對乙酰輔酶?A?衍生產(chǎn)品聚?3-?羥基丁酸酯（P3HB）最優(yōu)得率計算結(jié)果卻可達到?0.86，這表明在其代謝網(wǎng)絡(luò)存在一些新途徑可以減少碳損失。求得的最優(yōu)途徑中的通量分布如圖?1b?所示，可見在該途徑中除了常規(guī)葡萄糖經(jīng)過?EMP?途徑生成丙酮酸進而生成乙酰輔酶?A?途徑外，還有一條稱之為蘇氨酸循環(huán)的途徑回收甲酸和?CO₂，由磷酸烯醇式丙酮酸再回到丙酮酸同時生成一個乙酰輔酶?A?用于產(chǎn)品合成，從而提高了產(chǎn)品得率。基于該途徑計算結(jié)果，Lin?等在大腸桿菌中通過解調(diào)控等激活了該循環(huán)途徑，將?P3HB?得率提高了將近一倍。

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