合成生物學工業應用的現狀和展望

中國網/中國發展門戶網訊 化工煉制是工業社會必需物質資源的傳統獲取途徑。但化工煉制以不可再生的石油資源為基礎，很多生產過程存在高能耗、高污染的問題。以綠色清潔的方式實現化學品的生產，對于實現國民經濟的可持續發展至關重要。通過合成生物學技術，可以改造自然界中微生物的合成能力，甚至創造新的合成途徑。通過構建高效的細胞工廠，利用可再生的生物質資源為原料生產各種化學品，發展生物制造產業，將有力促進國家經濟發展方式的轉變，確保節能減排的目標實現。

本文對利用合成生物學技術構建細胞工廠，以及構建多酶分子機器來生產化學品的關鍵因素和典型案例進行了綜述，并對合成生物學技術工業應用的未來進行了展望。

合成生物學技術構建微生物細胞工廠的技術路線

轉化率、生產速率和產量是決定微生物細胞工廠是否能實現工業應用的?3?個關鍵指標。通過最優合成途徑的設計、合成途徑的優化和細胞生理性能優化，可以顯著提升微生物細胞工廠生產化學品的轉化率、生產速率，最終實現產量增加。

提高轉化率：最優合成途徑的設計路徑

化學品生物制造的成本中，原料成本所占比重最大（通常超過50%），因此提升微生物細胞工廠的轉化率是實現工業化應用最為關鍵的因素。轉化率越高，生產化學品所需要消耗的原料越少，成本也就越低。在設計最優合成途徑時，底物的碳代謝流和還原力的供給是兩個關鍵因素。自然界中微生物的代謝網絡非常復雜，為了獲得最大的轉化率，要改變底物的碳代謝流，使其最大限度地集中于目標化學品的合成。因此，細胞工廠的構建首先需要創建微生物的基因組代謝網絡和調控網絡模型，然后在此基礎上設計出目標化學品的最優合成途徑，避免其他副產物的競爭，使目標化學品的合成途徑在熱力學上可行，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重要。底物代謝產生的還原力要滿足化學品合成所需的還原力。

提高生產速率：合成途徑的優化手段

微生物細胞工廠生產化學品的生產速率，是決定生物制造成本的另一個關鍵因素。生產速率高，發酵周期就短，成本也就越低。要達到較高的生產速率，需要保證合成途徑能高效運轉?；瘜W品的生物合成途徑通常都是由一系列酶催化反應組成。自然狀態下微生物的合成途徑中，各個酶的催化效率達不到非常協調的狀態。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，導致中間代謝物積累，對細胞生長和代謝產生毒性作用。這些都會導致合成途徑的整體效率低，制約了細胞工廠的生產速率。因此，需要對合成途徑進行優化，使其達到平衡協調的狀態，目前主要有?3?種手段。

多基因調控技術。多基因調控技術通過對染色體上的多個基因同時進行改造，結合高通量篩選技術，可以快速高效地鑒定出最優的調控組合。標準化的調控元件文庫，如啟動子、核糖體結合位點和信使?RNA?穩定區文庫，為基因改造提供了堅實的元件基礎?；谫|粒表達的小分子?RNA?技術能大規模調控目標基因的表達，實現合成途徑的精確調控。

基因動態調控技術。根據基因轉錄因子與代謝關鍵中間物的相互作用，可以開發出動態感應調控系統（dynamic sensor-regulator system）來調控基因的表達。與傳統調控系統相比，動態調控系統具有智能性，可以根據選定的某種細胞體內代謝信號自動調節特定基因的表達，從而維持代謝途徑的動態平衡，達到提高產品合成能力的目標。

蛋白骨架技術。在細胞體內的代謝途徑中，參與反應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域，使底物和酶距離接近，提高生化反應的速率。另外，蛋白骨架也可以調節酶催化效率，通過這項技術可以獲得最優組合，最終提高細胞工廠的性能。

增加產量：細胞生理性能優化方法

合成途徑優化之后，可以獲得一個初步的細胞工廠。但要讓其實現工業應用，還需進一步優化細胞的生理性能。為了獲得高產量，需要讓細胞能適應高滲透壓。為了能在酸性條件下發酵生產有機酸，避免添加中和劑、簡化下游分離提取工藝，需要讓細胞能適應酸性環境。同時，為了避免污染和節約能耗，需要讓細胞適應高溫。進化代謝和全局擾動等技術的發展可以有效地提高細胞的生理性能。在此基礎上，使用各種高通量組學分析技術可以解析細胞性能提升的遺傳機制，并可用于新一輪細胞工廠的構建。