酶分子設計與工業(yè)生產(chǎn)的跨層次結合與技術互融現(xiàn)狀簡介

近年來，合成生物學的基礎理論研究及相關應用技術，如基因組測序技術、計算機設計技術等以指數(shù)增長的速率發(fā)展。值得注意的是發(fā)達國家在合成生物學知識產(chǎn)權領域十分活躍，連續(xù)申請了一系列覆蓋領域很寬的專利，阻止他人進入相關領域。而我國在合成生物學方面的研究還處于起步階段，待解決的核心問題體現(xiàn)在先進的實驗室前沿技術與工業(yè)生產(chǎn)技術對接能力相對滯后，技術融合過程緩慢。諾維信公司作為工業(yè)用酶巨頭，在?2014?年占據(jù)了?44%?的市場份額，是全球工業(yè)酶制劑和微生物制劑市場的絕對領導者；而美國杜邦公司和荷蘭?DSM?公司分別占有?20%?和?6%?的市場份額。全球各地區(qū)對工業(yè)酶的需求也呈現(xiàn)巨大差異，歐洲和北美地區(qū)需求量最大，共占據(jù)?80%?市場份額；而中國僅占?9.4%。隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，生物工業(yè)發(fā)展面臨重要發(fā)展機遇和投資前景。如何建立以合成生物學技術和生物-化學聯(lián)合技術為核心的低成本生物制造工藝路線，同時建立促進工業(yè)生物技術發(fā)展的關鍵技術體系，將研究機構的研究成果與工業(yè)生物過程同時兼顧是亟待解決的核心問題。

隨著先進制造產(chǎn)業(yè)涵蓋領域與發(fā)展規(guī)模日益擴大，生物及交叉應用領域不斷涌現(xiàn)出顛覆性創(chuàng)新應用，逐漸形成了產(chǎn)品多樣化、產(chǎn)出能力強、市場轉(zhuǎn)化活躍的產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新體系。例如，β-?氨基酸具備多樣的特殊生物活性，被應用于醫(yī)藥、食品、農(nóng)牧業(yè)等多個產(chǎn)業(yè)。β-內(nèi)酰胺抗生素、重磅藥物紫杉醇（重磅抗癌藥物）、西格列汀（糖尿病藥物）及維生素?B5?等多種具有巨大市場銷售額的明星分子均需要?β-?氨基酸作為合成單元。長期以來，β-?氨基酸的合成一直依賴于過渡金屬催化的化學途徑，需要昂貴的催化劑、繁瑣的保護與去保護步驟以及苛刻的反應條件。而不對稱氫胺化反應具備極高的原子經(jīng)濟性，無須附加其他輔劑，是美國化學會提出的最具“綠色化學和綠色工業(yè)”特性的十大反應之一。然而，無論是人工設計的化學催化劑或是天然存在的生物催化劑都不能直接催化該反應。

中國科學院微生物研究所研究團隊通過?Rosetta Design?以及高通量?MD?模擬方法對天冬氨酸酶進行了分子重設計，成功獲得了一系列具有絕對位置選擇性與立體選擇性的人工?β-?氨基酸合成酶。該人工設計的反應體系體現(xiàn)了高效率、高原子經(jīng)濟性等巨大優(yōu)勢，底物濃度達到?300?g/L，實現(xiàn)了?99%?的轉(zhuǎn)化率，99%?區(qū)域選擇性，以及?99%?立體選擇性，相關指標達到了工業(yè)化生產(chǎn)的標準。該項研究成果為人工智能技術在工業(yè)菌株設計方向的成功案例。除了在科學層面取得的重要進展，該團隊還積極推進科研成果的落地轉(zhuǎn)化，通過與企業(yè)的合作，該項技術已經(jīng)通過中試與全尺寸生產(chǎn)工藝驗證，在近期完成了千噸級的生產(chǎn)線建設。相關產(chǎn)品有望在紫杉醇、度魯特韋與馬拉維若等抗癌，以及艾滋病治療藥物的生產(chǎn)過程中大幅降低生產(chǎn)成本。

通過世界各國多個研究團隊的共同推動努力，催化元件設計已經(jīng)從簡單的模式化學反應設計逐步向具有工業(yè)應用前景的催化途徑設計發(fā)展。除了可用于單一催化反應之外，通過將計算設計的酶整合入復雜途徑中，還可以創(chuàng)造出全新的代謝途徑，并生產(chǎn)出新型的化學分子。尤其是由計算推動的催化設計領域先導研究，可為合成生物學的發(fā)展提供自然界中本不存在的全新元件，進而極大擴展生命的可設計性，同時也為回答酶催化的本質(zhì)機理以及蛋白質(zhì)的基本折疊規(guī)律等重要基礎科學問題提供相應的支持。（作者：崔穎璐 吳邊，中國科學院微生物研究所 微生物資源前期開發(fā)國家重點實驗室 生理與代謝工程重點實驗。《中國科學院院刊》供稿）