合成生物学工业应用的现状和展望

中国网/中国发展门户网讯 化工炼制是工业社会必需物质资源的传统获取途径。但化工炼制以不可再生的石油资源为基础，很多生产过程存在高能耗、高污染的问题。以绿色清洁的方式实现化学品的生产，对于实现国民经济的可持续发展至关重要。通过合成生物学技术，可以改造自然界中微生物的合成能力，甚至创造新的合成途径。通过构建高效的细胞工厂，利用可再生的生物质资源为原料生产各种化学品，发展生物制造产业，将有力促进国家经济发展方式的转变，确保节能减排的目标实现。

本文对利用合成生物学技术构建细胞工厂，以及构建多酶分子机器来生产化学品的关键因素和典型案例进行了综述，并对合成生物学技术工业应用的未来进行了展望。

合成生物学技术构建微生物细胞工厂的技术路线

转化率、生产速率和产量是决定微生物细胞工厂是否能实现工业应用的 3 个关键指标。通过最优合成途径的设计、合成途径的优化和细胞生理性能优化，可以显著提升微生物细胞工厂生产化学品的转化率、生产速率，最终实现产量增加。

提高转化率：最优合成途径的设计路径

化学品生物制造的成本中，原料成本所占比重最大（通常超过50%），因此提升微生物细胞工厂的转化率是实现工业化应用最为关键的因素。转化率越高，生产化学品所需要消耗的原料越少，成本也就越低。在设计最优合成途径时，底物的碳代谢流和还原力的供给是两个关键因素。自然界中微生物的代谢网络非常复杂，为了获得最大的转化率，要改变底物的碳代谢流，使其最大限度地集中于目标化学品的合成。因此，细胞工厂的构建首先需要创建微生物的基因组代谢网络和调控网络模型，然后在此基础上设计出目标化学品的最优合成途径，避免其他副产物的竞争，使目标化学品的合成途径在热力学上可行，合成过程能量供给充足。除了碳代谢流分布之外，还原力的供给也至关重要。底物代谢产生的还原力要满足化学品合成所需的还原力。

提高生产速率：合成途径的优化手段

微生物细胞工厂生产化学品的生产速率，是决定生物制造成本的另一个关键因素。生产速率高，发酵周期就短，成本也就越低。要达到较高的生产速率，需要保证合成途径能高效运转。化学品的生物合成途径通常都是由一系列酶催化反应组成。自然状态下微生物的合成途径中，各个酶的催化效率达不到非常协调的状态。有些酶的催化速率慢，成为合成途径的限速步骤；有些酶的催化速率快，导致中间代谢物积累，对细胞生长和代谢产生毒性作用。这些都会导致合成途径的整体效率低，制约了细胞工厂的生产速率。因此，需要对合成途径进行优化，使其达到平衡协调的状态，目前主要有 3 种手段。

多基因调控技术。多基因调控技术通过对染色体上的多个基因同时进行改造，结合高通量筛选技术，可以快速高效地鉴定出最优的调控组合。标准化的调控元件文库，如启动子、核糖体结合位点和信使 RNA 稳定区文库，为基因改造提供了坚实的元件基础。基于质粒表达的小分子 RNA 技术能大规模调控目标基因的表达，实现合成途径的精确调控。

基因动态调控技术。根据基因转录因子与代谢关键中间物的相互作用，可以开发出动态感应调控系统（dynamic sensor-regulator system）来调控基因的表达。与传统调控系统相比，动态调控系统具有智能性，可以根据选定的某种细胞体内代谢信号自动调节特定基因的表达，从而维持代谢途径的动态平衡，达到提高产品合成能力的目标。

蛋白骨架技术。在细胞体内的代谢途径中，参与反应的酶的空间位置是影响代谢途径效率的一个重要因素。通过人工合成的蛋白骨架，使酶以特定位置和序列附着在骨架上，可以控制代谢途径中酶的空间位置，从而使合成途径相邻的酶聚集在物理空间比较近的区域，使底物和酶距离接近，提高生化反应的速率。另外，蛋白骨架也可以调节酶催化效率，通过这项技术可以获得最优组合，最终提高细胞工厂的性能。

增加产量：细胞生理性能优化方法

合成途径优化之后，可以获得一个初步的细胞工厂。但要让其实现工业应用，还需进一步优化细胞的生理性能。为了获得高产量，需要让细胞能适应高渗透压。为了能在酸性条件下发酵生产有机酸，避免添加中和剂、简化下游分离提取工艺，需要让细胞能适应酸性环境。同时，为了避免污染和节约能耗，需要让细胞适应高温。进化代谢和全局扰动等技术的发展可以有效地提高细胞的生理性能。在此基础上，使用各种高通量组学分析技术可以解析细胞性能提升的遗传机制，并可用于新一轮细胞工厂的构建。