引言(yan)

结合微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)强(qiang)大且多样(yang)的(de)生(sheng)(sheng)(sheng)化(hua)反(fan)应网络，再对微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)的(de)代谢(xie)路径进行重塑和工(gong)程化(hua)，可(ke)以将其改造(zao)为以低(di)价值、可(ke)再生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)资源为原料(liao)生(sheng)(sheng)(sheng)产(chan)各类(lei)产(chan)品的(de)细胞工(gong)厂，这是生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)制造(zao)的(de)核心环节。

细胞工(gong)厂可(ke)以说是(shi)真(zhen)实(shi)存在(zai)的(de)，也能(neng)被认(ren)为是(shi)虚(xu)拟概念，它的(de)功能(neng)与我们平常所熟(shu)知的(de)“工(gong)厂”一样(yang)，能(neng)够(gou)生产(chan)工(gong)业化学(xue)品，具有(you)不同生产(chan)阶段的(de)“车间”，如微(wei)生物的(de)细胞器(qi)等；但细胞工(gong)厂的(de)本质(zhi)又区别于“工(gong)厂”，有(you)时可(ke)能(neng)只是(shi)一类(lei)微(wei)生物，并不具备(bei)完善的(de)流水线工(gong)程(cheng)。

细胞工厂的(de)设计通常是(shi)以产品的(de)高效(xiao)生产为(wei)理念，并在此(ci)过(guo)程中(zhong)是(shi)遵循以下五大准(zhun)则[1]：

(ⅰ) 构建一条由原料到产品的最(zui)优合(he)成(cheng)途径；

(ⅱ) 平衡代(dai)(dai)谢(xie)途径中每步反应的代(dai)(dai)谢(xie)流，使该(gai)途径代(dai)(dai)谢(xie)通量远高于(yu)细胞基础代(dai)(dai)谢(xie)；

(ⅲ) 足量地供应合成(cheng)途径的(de)前体(ti)，多个前体(ti)根据需要调整供应比例；

(ⅳ) 酶促反应(ying)往往有各(ge)种辅(fu)因(yin)子的参与，顺(shun)畅的代谢通路需要(yao)平衡或者再生各(ge)种辅(fu)因(yin)子；

(ⅴ) 通过遗(yi)传改造或者工艺改进解除产(chan)(chan)物和代谢中间(jian)体的反馈抑制(zhi)，以获取更高的产(chan)(chan)量。

除此之外，构建细胞工厂还需要(yao)许(xu)多合(he)成生(sheng)物学(xue)领域的技术支撑：

(ⅰ) 基(ji)因组编辑(ji)技(ji)术(shu)(shu)(shu)：基(ji)因组编辑(ji)技(ji)术(shu)(shu)(shu)是细胞工(gong)厂代谢途径构建及优(you)化的重要技(ji)术(shu)(shu)(shu)，即基(ji)因表(biao)达强度调控(kong)、基(ji)因整合、基(ji)因敲除等。

(ⅱ) 多基因(yin)同(tong)时调(diao)控(kong)技术：通常(chang)情况下(xia)，产(chan)物合成的效率并不是(shi)单一因(yin)素的影响的，而是(shi)在多重因(yin)素的共同(tong)作用下(xia)对其进行调(diao)控(kong)。

(ⅲ) 基因动(dong)(dong)态调控技(ji)术(shu)：根据选定的某种细(xi)胞(bao)体内代谢信号自动(dong)(dong)调节特(te)定基因的表达，从而(er)维持代谢途径的动(dong)(dong)态平(ping)衡，达到提(ti)高(gao)产品合成能力的目标。

(ⅳ) 蛋(dan)白骨架技术：通(tong)过人工(gong)合成(cheng)的(de)蛋(dan)白骨架，使酶以特(te)定位(wei)置(zhi)和序列(lie)附着(zhe)在骨架上，可以控(kong)制代谢(xie)途径中酶的(de)空(kong)间(jian)位(wei)置(zhi)，从而使合成(cheng)途径相(xiang)邻(lin)的(de)酶聚(ju)集在物理空(kong)间(jian)比较近的(de)区域，使底物和酶距离(li)接近，提高生化反应(ying)的(de)速率。

(ⅴ) 高(gao)通量(liang)筛选技术(shu)：使用各(ge)种高(gao)通量(liang)组学分析(xi)技术(shu)可以解析(xi)细胞性能提升的遗传机制，并(bing)可用于新一轮细胞工厂(chang)的构建(jian)。

如何以一(yi)种(zhong)可(ke)持(chi)续、绿色清(qing)洁(jie)的(de)方(fang)式生(sheng)(sheng)(sheng)产燃料、大宗化学品(pin)(pin)和天(tian)然产物(wu)(wu)对于维持(chi)社会经济的(de)可(ke)持(chi)续发(fa)展(zhan)至关重要。生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)质(zhi)是一(yi)种(zhong)可(ke)再生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)清(qing)洁(jie)资(zi)源，通过生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)制造技术，可(ke)以被转化为(wei)燃料、大宗化学品(pin)(pin)和天(tian)然产物(wu)(wu)，从而部分(fen)替代石油(you)化工(gong)炼制和植(zhi)物(wu)(wu)提取(qu)。生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)制造的(de)核心技术是构(gou)建高效(xiao)的(de)微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)细胞工(gong)厂，将生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)质(zhi)原(yuan)材料转化为(wei)各种(zhong)终端产品(pin)(pin)。

传(chuan)统的(de)燃料(liao)(liao)化(hua)学(xue)品主要是(shi)乙醇(chun)(chun)和丁(ding)醇(chun)(chun)，但随着合成生物(wu)学(xue)技术(shu)的(de)发展，许多新型燃料(liao)(liao)化(hua)学(xue)品被(bei)开发出来，主要包括长链醇(chun)(chun)( 丙醇(chun)(chun)、正丁(ding)醇(chun)(chun)、异丁(ding)醇(chun)(chun)、异戊醇(chun)(chun))、脂肪酸酯、脂肪醇(chun)(chun)、烷烃、烯烃等。其中(zhong)异丁(ding)醇(chun)(chun)是(shi)目前较为火热(re)的(de)一种生物(wu)燃料(liao)(liao)。

▲  部分长链醇的合成途径

Liao[2]研究小组(zu)开发了(le)(le)一种生产异(yi)丁(ding)醇的(de)(de)细胞工厂，利用基因(yin)组(zu)编(bian)辑等技术先在(zai)工程菌体内(nei)引入了(le)(le)所(suo)需(xu)酶类的(de)(de)基因(yin)，创建出异(yi)丁(ding)醇合成(cheng)途径(jing)；在(zai)此(ci)基础(chu)上，Liao等人又(you)将工程菌体内(nei)与(yu)异(yi)丁(ding)醇合成(cheng)途径(jing)有竞争关系的(de)(de)基因(yin)敲除，以此(ci)来提(ti)高(gao)异(yi)丁(ding)醇合成(cheng)的(de)(de)效率，得到了(le)(le)更多产量的(de)(de)异(yi)丁(ding)醇。

随着合(he)成生(sheng)物学(xue)技术的发展，科学(xue)家们已经成功开发出一系列的细(xi)胞工厂(chang)用于生(sheng)产(chan)大宗化(hua)学(xue)品，如乳酸(suan)、异丁烯、木糖醇、己(ji)二酸(suan)等。同(tong)时在研究人员的不断努力下，创建出了以往不存在相应合(he)成途径(jing)的的大宗类化(hua)学(xue)品的细(xi)胞工厂(chang)，其中一个典(dian)型代表就是聚乳酸(suan)。

聚乳酸是一种(zhong)潜力很大的(de)生物可降解性(xing)塑(su)料(liao)。在自然界中不存(cun)在生物催化乳酸合(he)成聚乳酸的(de)途径，以往只能通过化学合(he)成的(de)方式获得。科研人(ren)员[3]通(tong)过(guo)对酶反应的(de)(de)(de)(de)底物和化学反应类型的(de)(de)(de)(de)分析(xi)，发现(xian)了(le)不同(tong)菌种代(dai)谢产物之(zhi)间的(de)(de)(de)(de)联(lian)系，并利用多基因同(tong)时调控等技术创建了(le)一个新型的(de)(de)(de)(de)细胞(bao)工厂，最终成功以生物合(he)成的(de)(de)(de)(de)方式生产出了(le)聚乳(ru)酸。

在自然(ran)(ran)界中天然(ran)(ran)存在的(de)(de)天然(ran)(ran)产物(wu)(wu)是(shi)与细胞工(gong)厂最为(wei)契合(he)(he)(he)的(de)(de)一种化(hua)学品，尤其是(shi)植物(wu)(wu)提取物(wu)(wu)。从药用植物(wu)(wu)中提取的(de)(de)天然(ran)(ran)产物(wu)(wu)具(ju)有(you)巨大(da)的(de)(de)应(ying)用潜力和市场前景，被广泛应(ying)用于(yu)医疗健(jian)康和化(hua)妆(zhuang)品领域，如抗疟(nve)疾药物(wu)(wu)青蒿素、抗衰老产品胡萝卜素等。不论是(shi)提取技(ji)术(shu)的(de)(de)困难还是(shi)化(hua)合(he)(he)(he)技(ji)术(shu)的(de)(de)污染，都在突出生物(wu)(wu)合(he)(he)(he)成天然(ran)(ran)产物(wu)(wu)的(de)(de)重(zhong)要性，因此，建立合(he)(he)(he)成天然(ran)(ran)产物(wu)(wu)的(de)(de)细胞工(gong)厂是(shi)大(da)势所趋。

抗(kang)氧化类(lei)天然产物一直是科学(xue)家们研(yan)究的(de)热点，这类(lei)化合物的(de)人工细胞工厂构建有较长的(de)研(yan)究历史，以白藜芦醇为例，最近(jin)Lim等[4]利用(yong)来源于(yu)葡(pu)萄中(zhong)的(de)白(bai)藜芦(lu)醇合酶(STS)基(ji)因和(he)来源于(yu)拟南芥中(zhong)的(de)4-香豆(dou)酸(suan)辅酶A连接酶(4CL) 基(ji)因共同引入大(da)肠杆菌中(zhong)，通过基(ji)因动态调控等(deng)技(ji)术构建(jian)了以对香豆(dou)酸(suan)为底物生产(chan)白(bai)藜芦(lu)醇的(de)细胞(bao)工厂，得到了较高(gao)产(chan)量的(de)产(chan)品。

细(xi)胞工(gong)(gong)厂(chang)(chang)现(xian)有的(de)(de)发(fa)展多(duo)是基于自然(ran)界中已有生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)合成(cheng)(cheng)途径的(de)(de)化(hua)学(xue)品，而绝大(da)部分化(hua)学(xue)品是没(mei)有天然(ran)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)合成(cheng)(cheng)途径的(de)(de)，这虽然(ran)给(ji)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)制(zhi)造产(chan)业发(fa)展带来了极大(da)地挑战，但(dan)也彰(zhang)显了细(xi)胞工(gong)(gong)厂(chang)(chang)美好的(de)(de)应用前景。简(jian)单来说，构建高效的(de)(de)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)细(xi)胞工(gong)(gong)厂(chang)(chang)，能(neng)够极大(da)地提升目前工(gong)(gong)业微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)的(de)(de)发(fa)酵(jiao)能(neng)力(li)，提高其生(sheng)(sheng)理性能(neng)，既可以降低微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)发(fa)酵(jiao)的(de)(de)生(sheng)(sheng)产(chan)成(cheng)(cheng)本，又能(neng)拓展发(fa)酵(jiao)产(chan)品的(de)(de)多(duo)样性。

[1] 刘波,陶勇.生物制造(zao)"细胞(bao)工厂"的设计与组装[J].生物工程学报(bao), 2019, Vol.35Issue(10):1942-1954.

[2] 戴住(zhu)波(bo), 朱欣娜, 张学(xue)礼. 合成生(sheng)物学(xue)在微生(sheng)物细胞(bao)工厂构建中的应用[J]. 生(sheng)命科学(xue), 2013(10):4-12.

[3] Yang TH, Kim TW, Kang HO, et al.Biosynthesis of polylactic acid and its copolymers using evolved propionate CoAtransferase and PHA synthase. Biotechnol Bioeng, 2010, 105(1): 150-60

[4] Lim CG, Fowler ZL, Hueller T, et al.High-yield resveratrol production in engineered Escherichia coli.Appl EnvironMicrobiol, 2011, 77(10): 3451-60

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