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“細胞工廠(chǎng)”——未來(lái)主流的生產(chǎn)工廠(chǎng)?

來(lái)源:騰訊新聞客戶(hù)端 作者: 日期:2021-05-30 10:15:29

引言

結合微生物強大且多樣的生化反應網(wǎng)絡(luò ),再對微生物的代謝路徑進(jìn)行重塑和工程化,可以將其改造為以低價(jià)值、可再生的資源為原料生產(chǎn)各類(lèi)產(chǎn)品的細胞工廠(chǎng),這是生物制造的核心環(huán)節。

細胞工廠(chǎng)的構建理念

細胞工廠(chǎng)可以說(shuō)是真實(shí)存在的,也能被認為是虛擬概念,它的功能與我們平常所熟知的“工廠(chǎng)”一樣,能夠生產(chǎn)工業(yè)化學(xué)品,具有不同生產(chǎn)階段的“車(chē)間”,如微生物的細胞器等;但細胞工廠(chǎng)的本質(zhì)又區別于“工廠(chǎng)”,有時(shí)可能只是一類(lèi)微生物,并不具備完善的流水線(xiàn)工程。

細胞工廠(chǎng)的設計通常是以產(chǎn)品的高效生產(chǎn)為理念,并在此過(guò)程中是遵循以下五大準則:

(ⅰ) 構建一條由原料到產(chǎn)品的最優(yōu)合成途徑;

(ⅱ) 平衡代謝途徑中每步反應的代謝流,使該途徑代謝通量遠高于細胞基礎代謝;

(ⅲ) 足量地供應合成途徑的前體,多個(gè)前體根據需要調整供應比例;

(ⅳ) 酶促反應往往有各種輔因子的參與,順暢的代謝通路需要平衡或者再生各種輔因子;

(ⅴ) 通過(guò)遺傳改造或者工藝改進(jìn)解除產(chǎn)物和代謝中間體的反饋抑制,以獲取更高的產(chǎn)量。

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▲ 細胞工廠(chǎng)的設計理念(圖源:合成生物學(xué)期刊)

除此之外,構建細胞工廠(chǎng)還需要許多合成生物學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)支撐:

(ⅰ) 基因組編輯技術(shù):基因組編輯技術(shù)是細胞工廠(chǎng)代謝途徑構建及優(yōu)化的重要技術(shù),即基因表達強度調控、基因整合、基因敲除等。

(ⅱ) 多基因同時(shí)調控技術(shù):通常情況下,產(chǎn)物合成的效率并不是單一因素的影響的,而是在多重因素的共同作用下對其進(jìn)行調控。

(ⅲ) 基因動(dòng)態(tài)調控技術(shù):根據選定的某種細胞體內代謝信號自動(dòng)調節特定基因的表達,從而維持代謝途徑的動(dòng)態(tài)平衡,達到提高產(chǎn)品合成能力的目標。

(ⅳ) 蛋白骨架技術(shù):通過(guò)人工合成的蛋白骨架,使酶以特定位置和序列附著(zhù)在骨架上,可以控制代謝途徑中酶的空間位置,從而使合成途徑相鄰的酶聚集在物理空間比較近的區域,使底物和酶距離接近,提高生化反應的速率。

(ⅴ) 高通量篩選技術(shù):使用各種高通量組學(xué)分析技術(shù)可以解析細胞性能提升的遺傳機制,并可用于新一輪細胞工廠(chǎng)的構建。

細胞工廠(chǎng)應用的體現

如何以一種可持續、綠色清潔的方式生產(chǎn)燃料、大宗化學(xué)品和天然產(chǎn)物對于維持社會(huì )經(jīng)濟的可持續發(fā)展至關(guān)重要。生物質(zhì)是一種可再生的清潔資源,通過(guò)生物制造技術(shù),可以被轉化為燃料、大宗化學(xué)品和天然產(chǎn)物,從而部分替代石油化工煉制和植物提取。生物制造的核心技術(shù)是構建高效的微生物細胞工廠(chǎng),將生物質(zhì)原材料轉化為各種終端產(chǎn)品。

一、燃料化學(xué)品

傳統的燃料化學(xué)品主要是乙醇和丁醇,但隨著(zhù)合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多新型燃料化學(xué)品被開(kāi)發(fā)出來(lái),主要包括長(cháng)鏈醇( 丙醇、正丁醇、異丁醇、異戊醇)、脂肪酸酯、脂肪醇、烷烴、烯烴等。其中異丁醇是目前較為火熱的一種生物燃料。

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▲ 部分長(cháng)鏈醇的合成途徑(圖源:網(wǎng)絡(luò ))

Liao[2]研究小組開(kāi)發(fā)了一種生產(chǎn)異丁醇的細胞工廠(chǎng),利用基因組編輯等技術(shù)先在工程菌體內引入了所需酶類(lèi)的基因,創(chuàng )建出異丁醇合成途徑;在此基礎上,Liao等人又將工程菌體內與異丁醇合成途徑有競爭關(guān)系的基因敲除,以此來(lái)提高異丁醇合成的效率,得到了更多產(chǎn)量的異丁醇。

二、大宗化學(xué)品

隨著(zhù)合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家們已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出一系列的細胞工廠(chǎng)用于生產(chǎn)大宗化學(xué)品,如乳酸、異丁烯、木糖醇、己二酸等。同時(shí)在研究人員的不斷努力下,創(chuàng )建出了以往不存在相應合成途徑的的大宗類(lèi)化學(xué)品的細胞工廠(chǎng),其中一個(gè)典型代表就是聚乳酸。

聚乳酸是一種潛力很大的生物可降解性塑料。在自然界中不存在生物催化乳酸合成聚乳酸的途徑,以往只能通過(guò)化學(xué)合成的方式獲得??蒲腥藛T[3]通過(guò)對酶反應的底物和化學(xué)反應類(lèi)型的分析,發(fā)現了不同菌種代謝產(chǎn)物之間的聯(lián)系,并利用多基因同時(shí)調控等技術(shù)創(chuàng )建了一個(gè)新型的細胞工廠(chǎng),最終成功以生物合成的方式生產(chǎn)出了聚乳酸。

三、天然產(chǎn)物

在自然界中天然存在的天然產(chǎn)物是與細胞工廠(chǎng)最為契合的一種化學(xué)品,尤其是植物提取物。從藥用植物中提取的天然產(chǎn)物具有巨大的應用潛力和市場(chǎng)前景,被廣泛應用于醫療健康和化妝品領(lǐng)域,如抗瘧疾藥物青蒿素、抗衰老產(chǎn)品胡蘿卜素等。不論是提取技術(shù)的困難還是化合技術(shù)的污染,都在突出生物合成天然產(chǎn)物的重要性,因此,建立合成天然產(chǎn)物的細胞工廠(chǎng)是大勢所趨。

抗氧化類(lèi)天然產(chǎn)物一直是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn),這類(lèi)化合物的人工細胞工廠(chǎng)構建有較長(cháng)的研究歷史,以白藜蘆醇為例,最近Lim等[4]利用來(lái)源于葡萄中的白藜蘆醇合酶(STS)基因和來(lái)源于擬南芥中的4-香豆酸輔酶A連接酶(4CL) 基因共同引入大腸桿菌中,通過(guò)基因動(dòng)態(tài)調控等技術(shù)構建了以對香豆酸為底物生產(chǎn)白藜蘆醇的細胞工廠(chǎng),得到了較高產(chǎn)量的產(chǎn)品。

結語(yǔ)

細胞工廠(chǎng)現有的發(fā)展多是基于自然界中已有生物合成途徑的化學(xué)品,而絕大部分化學(xué)品是沒(méi)有天然生物合成途徑的,這雖然給生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了極大地挑戰,但也彰顯了細胞工廠(chǎng)美好的應用前景。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),構建高效的微生物細胞工廠(chǎng),能夠極大地提升目前工業(yè)微生物的發(fā)酵能力,提高其生理性能,既可以降低微生物發(fā)酵的生產(chǎn)成本,又能拓展發(fā)酵產(chǎn)品的多樣性。

參考資料:

[1] 劉波,陶勇.生物制造"細胞工廠(chǎng)"的設計與組裝[J].生物工程學(xué)報, 2019, Vol.35Issue(10):1942-1954.

[2] 戴住波, 朱欣娜, 張學(xué)禮. 合成生物學(xué)在微生物細胞工廠(chǎng)構建中的應用[J]. 生命科學(xué), 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

封面圖源:網(wǎng)絡(luò )

(文章內容源于相關(guān)研究資料的整理,若有不足之處,歡迎指正)

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