面向生物合成的代谢工程策略设计
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基因回路可以在特定的时间和细胞密度下关闭或开启基因表达，实现代谢流向在细胞生长的内源代谢途径和化学品生产的异源途径之间的切换。切换控制主要集中在生长必需基因上，因为通过它们可以实现生物量形成和产品生物合成之间最直接的控制。基因回路除了可以用于控制酶的合成速度，还可以精细调节酶的降解速度。例如，葡萄糖-6-磷酸（G6P）是一个代谢流控制的重要节点，既可以通过磷酸果糖激酶-1（Pfk-1）进入糖酵解途径从而进入内源代谢，也可以通过合成途径进入异源代谢。通过基因回路控制 Pfk-1 的活性就可能将碳代谢流的流向从“生长模式”切换到“生产模式”。为实现这一目的，Brockman 和 Prather设计了一种蛋白质降解回路，将 Pfk-1与 SsrA 降解标签融合，SsrA 标签能够控制适配蛋白 SspB 的结合、ClpXP 蛋白酶招募和蛋白水解降解，从而实现 Pfk-1 降解速度的动态控制。将该回路用于大肠杆菌生产肌醇，与静态控制相比，肌醇的积累量提高了 2 倍。基因回路通过控制必需基因的表达水平实现代谢途径的动态调控，成为工业菌株代谢工程设计改造的有效手段：通过对内源代谢网络进行重新布线，替代传统静态控制，实现基因表达的时间依赖性控制以及多个基因或途径的平衡互作等，拥有广泛的应用前景。
代谢中间产物的过量积累可能引发副反应，占据重要细胞资源（如磷酸盐、辅因子），以及产生直接或间接的细胞毒性，对细胞生长或产物合成不利。基因回路可以借助对中间产物浓度响应的生物传感器，激活代谢途径下游酶，阻遏代谢途径上游酶，实现中间代谢物合成和利用速度适配，提高整个代谢途径的合成效率。例如，莽草酸是芳香族氨基酸代谢途径的中间体，莽草酸的积累会与芳香族氨基酸的代谢产生竞争。可以通过响应莽草酸的基因回路控制莽草酸代谢途径关键酶——莽草酸激酶（AroK）实现代谢途径各分支的平衡，实现碳代谢流在莽草酸积累与芳香族氨基酸代谢之间的平衡。Mahr 等通过筛选和组装适当的生物传感器元件，包括半乳糖响应启动子和苯丙氨酸响应启动子，构建了代谢产物响应回路网络。该回路的应用使得工程菌株 E. coli K-12 MG1655/pJC1-mtrsensor-type1 的苯丙氨酸产量与出发菌株 E. coli K-12 MG1655 相比提高了 4.3 倍。除了直接响应中间代谢物浓度以外，细胞生长状态、辅因子失衡程度等都可以用于构建生物传感器。
生物合成速度的最大化取决于单位菌体生产能力和菌体总量。通常情况下，生长和生产竞争使用同样的细胞资源，需要进行合理的安排和均衡，才能实现生物合成速度整体的最大化。能够对细胞密度进行响应的基因回路——群体感应系统（quorum sensing，QS）为调控生长和生产的关系提供了新的手段。例如，科研人员借助特征性启动子和不同强度核糖体结合位点，组装源自 Pantoea stewartii 的部分量子感应元件，实现了在特定时间和细胞密度下 pfk-1 等基因表达的开与关，工程菌株E. coli L19S 的肌醇产量与静态控制相比提高了 5.5 倍。借助QS回路控制aroK表达的工程菌株E. coli L19SA，其莽草酸的产量由 0提高到 105 mg/L。
代谢网络模型及基于代谢网络模型的计算设计方法为代谢工程菌株改造提供了新的方法和策略。通过这些计算设计方法，人们可以选择合适的外源基因构建新途径实现从无到有的新产品合成，也可以确定改造靶点优化已有产品的得率，或者通过基因回路将细胞发酵培养过程中的状态环境变化与特定基因的表达相关联，使细胞适应不同的目标而始终保持最优状态，最大化目标产物的生成。随着人们对细胞机理和相关调控机制的了解不断深入，有可能建立全细胞模型对细胞内代谢物、蛋白和基因表达水平的变化进行精确描述和准确预测，实现完全模型指导下的代谢工程策略设计。（作者：马红武，中国科学院天津工业生物技术研究所；陈修来，江南大学食品科学与技术国家重点实验室 江南大学工业生物技术教育部重点实验室；袁倩倩，中国科学院天津工业生物技术研究所；刘立明，江南大学食品科学与技术国家重点实验室 江南大学工业生物技术教育部重点实验室 江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室；孙际宾，中国科学院天津工业生物技术研究所。《中国科学院院刊》供稿）