合成生物学工业应用的现状和展望

多酶分子机器

化学品的生物制造一共有两条技术路线。除了微生物细胞工厂这条主要的技术路线外，多酶分子机器这条技术路线近几年来也得到广泛关注。由于很多化学品对微生物细胞的毒性较大，因此微生物细胞工厂在生产这类化学品时很难获得高产量。多酶分子机器不需要使用微生物细胞，在生产有毒化学品时具有较大优势。该技术通过在反应釜中添加 1 种或多种酶，将生物质原料高效转化为化学品。多酶反应的设计、酶的挖掘与高效制备是该技术路线最核心的环节。多酶分子机器生产化学品最具代表性的案例是氢气和肌醇的生物制造。

氢气。氢气是未来最有前景的清洁能源，并普遍作为燃料电池的动力源。目前氢气制备主要使用水煤气法和电解水法，这些工艺对设备要求高，导致制氢的成本较高，并且氢气不易储存和运输。美国弗吉尼亚理工大学的科研人员利用多酶分子机器技术，将 14 种酶和 1 种辅酶进行适配，利用生物质原料，能够从 1 个葡萄糖单元获得 12 个氢气分子。该技术解决了氢气的储存和运输问题，为未来氢能汽车提供了能源供应方案。

肌醇。肌醇是水溶性 B 维生素的一种，是动物与微生物生长的必需物质，广泛应用于饲料、医药、食品等行业。目前国内主要采用传统的高温加压水解植酸法生成肌醇。该工艺设备材质要求严格，一次性投资大，原材料利用率低，粗产品精制工艺复杂，生产成本高；并且该工艺会产生大量的磷酸污染物，对水源、环境污染严重。通过采用多酶分子机器技术，中国科学院天津工业生物技术研究所研究人员利用 α- 葡聚糖磷酸化酶、葡萄糖磷酸变位酶、肌醇 -3 -磷酸合成酶和肌醇单磷酸酶创建了一条由淀粉到肌醇的体外生物合成路线。该绿色催化工艺能替代传统高污染、高能耗生产工艺，不仅使肌醇的生产成本降低为传统植酸水解法的一半，而且大幅减少了环境污染。