面向生物合成的代谢工程策略设计
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合成新产品：从无到有
通过引入外源基因使某一生物合成其原来不能合成的新产品，这是一种常用的代谢工程手段。例如，Galanie 等通过将来源于 6 种不同生物（包括植物、哺乳动物和细菌）的 10 余个基因引入酵母中实现了鸦片类药物的人工合成。通过微生物细胞工厂合成植物来源的天然产物，其好处是微生物生长更快，单位时空内产量更高，可以通过较小的发酵工厂代替大面积的农业种植，大大降低生产成本。
从无到有的设计首先需要确定在底盘细胞中引入哪些外源基因才能打通该新产品的合成途径。因此，需要将底盘细胞代谢网络与代谢反应数据库（如 KEGG、MetaCyc 等）相结合，通过一定的计算方法找出需要在底盘细胞中引入的新反应，形成新的途径，以实现新产品的合成。例如，Zhang 等将 KEGG 反应引入到大肠杆菌代谢网络中，构建了包含 7 316 个反应的复合代谢网络模型；基于该模型，以葡萄糖为底物进行通量平衡分析发现，1 777 个异源产品可以通过在大肠杆菌中引入适当外源反应合成。这一研究为选择合适外源基因构建大肠杆菌的人工细胞工厂提供了指导。该方法还可以计算其他微生物为底盘时的结果，并通过比较分析确定针对某一特定产品的最优底盘生物（需引入外源基因少，相应前体合成能力强等）。Chatsurachai 等分别以大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌和酿酒酵母为底盘细胞，通过逐级扩展算法将来源于 KEGG、BRENDA 和 ENZYME 3 个数据库中的异源代谢物和反应添加到 3 个菌株代谢模型中以合成新的产物。该扩展算法首先从数据库中找出那些反应物在（但产物不在）该菌株代谢网络中的反应，通过将这些反应添加到模型中，使该模型可以生成那些新反应中的产物。随后在扩展的模型基础上重复该新反应添加过程，直到没有新反应可以添加。最终，针对每一个底盘细胞得到其可以合成的新产品列表及生成某一新产品需要引入的新反应。作者通过该方法预测出大肠杆菌和酿酒酵母是 1,3- 丙二醇合成的可行宿主，并且只需要在这两种株菌中引入甘油脱氢酶和 1,3- 丙二醇氧化还原酶便可实现产品合成。
上述方法均需基于特定代谢反应数据库扩展特定底盘细胞的代谢网络，要合成的代谢物和相关反应必须存在于数据库中才能设计出相关途径，而自然界中还存在许多未知的生化反应并未包含在这些数据库中。例如，很多酶，如醛缩酶等均具有广谱催化活性，除了已知反应外还可能催化其他代谢物的转化。通过酶改造，构建具有新催化活性的酶可以实现新的转化过程获得新的生物产品，甚至是合成出自然界不存在的全新生物分子。针对这一问题，人们提出了基于生化反应规则和化合物结构特征来设计新反应的方法。例如，Hatzimanikatis 的研究组基于化学信息学，在 KEGG 数据库中反应的基础上扩展酶反应，创建了 ATLAS 数据库，其中包含 13 万多个在已知反应基础上通过结构相似性设计得到的新生化反应。利用该数据库，他们设计了多条可以生成生物燃料丁酮的全新途径，并对不同途径的理论得率进行了比较分析，以获得最优途径。