面向生物合成的代谢工程策略设计

中国网/中国发展门户网讯 基因工程技术的出现使得人类不再受限于自然变异和筛选，通过有目的的基因组改造可以大幅度地提升菌株的生产性能。例如，通过对代谢网络中酶基因的引入、敲除或精细调控可以创造新的细胞，将廉价的原料转化为有价值的目标产品。这正是目前代谢工程和合成生物学研究的主要内容。从原料到产品的生物转化途径常常包括几十步的酶反应，目前常用的代谢工程改造策略主要就是过表达和优化产物合成途径中的关键酶、敲除副产物生成途径、解除产物合成抑制等。通过这种传统的代谢工程改造策略，人们已经获得大量工程菌株应用于生物化学品（如氨基酸、有机酸、维生素、抗生素）、生物燃料（如乙醇）、生物材料（如聚羟基脂肪酸酯、聚乳酸等）的生产，以可再生的原料和绿色的生产方式，推动人类工业经济发展进入一个新的阶段。

代谢工程研究遇到的主要瓶颈就是细胞代谢网络的复杂性。自然存在的细胞是长期进化的结果，常包括上千个酶基因并具有复杂的调控机制，仅仅对原料到产品合成途径上的少数基因进行改造很多时候并不能达到预期的结果。随着基因组测序技术的快速发展，完成全基因组测序的生物越来越多；通过基因组注释信息可以快速确定其基因组能够编码哪些酶、进行哪些反应，由此构建出该生物的代谢网络模型。这些基因组规模代谢网络模型和长期积累形成的跨物种代谢反应数据库，如 KEGG 和 MetaCyc 等为代谢网络计算模拟和设计奠定了基础，为合成生物学和代谢工程提供了新的策略，从而大幅度加快了菌种定向开发和工业化应用进程。

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