符合工程化需求的生物元件设计

酶分子设计与工业生产的跨层次结合与技术互融现状简介

近年来，合成生物学的基础理论研究及相关应用技术，如基因组测序技术、计算机设计技术等以指数增长的速率发展。值得注意的是发达国家在合成生物学知识产权领域十分活跃，连续申请了一系列覆盖领域很宽的专利，阻止他人进入相关领域。而我国在合成生物学方面的研究还处于起步阶段，待解决的核心问题体现在先进的实验室前沿技术与工业生产技术对接能力相对滞后，技术融合过程缓慢。诺维信公司作为工业用酶巨头，在 2014 年占据了 44% 的市场份额，是全球工业酶制剂和微生物制剂市场的绝对领导者；而美国杜邦公司和荷兰 DSM 公司分别占有 20% 和 6% 的市场份额。全球各地区对工业酶的需求也呈现巨大差异，欧洲和北美地区需求量最大，共占据 80% 市场份额；而中国仅占 9.4%。随着国家创新驱动发展战略的深入实施，生物工业发展面临重要发展机遇和投资前景。如何建立以合成生物学技术和生物-化学联合技术为核心的低成本生物制造工艺路线，同时建立促进工业生物技术发展的关键技术体系，将研究机构的研究成果与工业生物过程同时兼顾是亟待解决的核心问题。

随着先进制造产业涵盖领域与发展规模日益扩大，生物及交叉应用领域不断涌现出颠覆性创新应用，逐渐形成了产品多样化、产出能力强、市场转化活跃的产业技术创新体系。例如，β- 氨基酸具备多样的特殊生物活性，被应用于医药、食品、农牧业等多个产业。β-内酰胺抗生素、重磅药物紫杉醇（重磅抗癌药物）、西格列汀（糖尿病药物）及维生素 B5 等多种具有巨大市场销售额的明星分子均需要 β- 氨基酸作为合成单元。长期以来，β- 氨基酸的合成一直依赖于过渡金属催化的化学途径，需要昂贵的催化剂、繁琐的保护与去保护步骤以及苛刻的反应条件。而不对称氢胺化反应具备极高的原子经济性，无须附加其他辅剂，是美国化学会提出的最具“绿色化学和绿色工业”特性的十大反应之一。然而，无论是人工设计的化学催化剂或是天然存在的生物催化剂都不能直接催化该反应。

中国科学院微生物研究所研究团队通过 Rosetta Design 以及高通量 MD 模拟方法对天冬氨酸酶进行了分子重设计，成功获得了一系列具有绝对位置选择性与立体选择性的人工 β- 氨基酸合成酶。该人工设计的反应体系体现了高效率、高原子经济性等巨大优势，底物浓度达到 300 g/L，实现了 99% 的转化率，99% 区域选择性，以及 99% 立体选择性，相关指标达到了工业化生产的标准。该项研究成果为人工智能技术在工业菌株设计方向的成功案例。除了在科学层面取得的重要进展，该团队还积极推进科研成果的落地转化，通过与企业的合作，该项技术已经通过中试与全尺寸生产工艺验证，在近期完成了千吨级的生产线建设。相关产品有望在紫杉醇、度鲁特韦与马拉维若等抗癌，以及艾滋病治疗药物的生产过程中大幅降低生产成本。

通过世界各国多个研究团队的共同推动努力，催化元件设计已经从简单的模式化学反应设计逐步向具有工业应用前景的催化途径设计发展。除了可用于单一催化反应之外，通过将计算设计的酶整合入复杂途径中，还可以创造出全新的代谢途径，并生产出新型的化学分子。尤其是由计算推动的催化设计领域先导研究，可为合成生物学的发展提供自然界中本不存在的全新元件，进而极大扩展生命的可设计性，同时也为回答酶催化的本质机理以及蛋白质的基本折叠规律等重要基础科学问题提供相应的支持。（作者：崔颖璐 吴边，中国科学院微生物研究所 微生物资源前期开发国家重点实验室 生理与代谢工程重点实验。《中国科学院院刊》供稿）