“細胞工廠”——未來主流的生產工廠?

引言


結合微生物強大且多樣的生化反應網絡,再對微生物的代謝路徑進行重塑和工程化,可以將其改造為以低價值、可再生的資源為原料生產各類產品的細胞工廠,這是生物制造的核心環節。




細胞工廠的構建理念


細胞工廠可以說是真實存在的,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”一樣,能夠生產工業化學品,具有不同生產階段的“車間”,如微生物的細胞器等;但細胞工廠的本質又區別于“工廠”,有時可能只是一類微生物,并不具備完善的流水線工程。

細胞工廠的設計通常是以產品的高效生產為理念,并在此過程中是遵循以下五大準則[1]

(ⅰ) 構建一條由原料到產品的最優合成途徑;

(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) 通過遺傳改造或者工藝改進解除產物和代謝中間體的反饋抑制,以獲取更高的產量。


 細胞工廠的設計理念
(圖源:合成生物學期刊)

除此之外,構建細胞工廠還需要許多合成生物學領域的技術支撐:

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

(ⅱ) 多基因同時調控技術:通常情況下,產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行調控。

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

(ⅳ) 蛋白骨架技術:通過人工合成的蛋白骨架,使酶以特定位置和序列附著在骨架上,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:使用各種高通量組學分析技術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的構建。




細胞工廠應用的體現


如何以一種可持續、綠色清潔的方式生產燃料、大宗化學品和天然產物對于維持社會經濟的可持續發展至關重要。生物質是一種可再生的清潔資源,通過生物制造技術,可以被轉化為燃料、大宗化學品和天然產物,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是構建高效的微生物細胞工廠,將生物質原材料轉化為各種終端產品。


一、燃料化學品


傳統的燃料化學品主要是乙醇和丁醇,但隨著合成生物學技術的發展,許多新型燃料化學品被開發出來,主要包括長鏈醇( 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。


▲  部分長鏈醇的合成途徑
(圖源:網絡)

Liao[2]研究小組開發了一種生產異丁醇的細胞工廠,利用基因組編輯等技術先在工程菌體內引入了所需酶類的基因,創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系的基因敲除,以此來提高異丁醇合成的效率,得到了更多產量的異丁醇。


二、大宗化學品


隨著合成生物學技術的發展,科學家們已經成功開發出一系列的細胞工廠用于生產大宗化學品,如乳酸、異丁烯、木糖醇、己二酸等。同時在研究人員的不斷努力下,創建出了以往不存在相應合成途徑的的大宗類化學品的細胞工廠,其中一個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,以往只能通過化學合成的方式獲得??蒲腥藛T[3]通過對酶反應的底物和化學反應類型的分析,發現了不同菌種代謝產物之間的聯系,并利用多基因同時調控等技術創建了一個新型的細胞工廠,最終成功以生物合成的方式生產出了聚乳酸。


三、天然產物


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


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





結語

細胞工廠現有的發展多是基于自然界中已有生物合成途徑的化學品,而絕大部分化學品是沒有天然生物合成途徑的,這雖然給生物制造產業發展帶來了極大地挑戰,但也彰顯了細胞工廠美好的應用前景。簡單來說,構建高效的微生物細胞工廠,能夠極大地提升目前工業微生物的發酵能力,提高其生理性能,既可以降低微生物發酵的生產成本,又能拓展發酵產品的多樣性。




參考資料:

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

[2] 戴住波, 朱欣娜, 張學禮. 合成生物學在微生物細胞工廠構建中的應用[J]. 生命科學, 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:網絡


(文章內容源于相關研究資料的整理,若有不足之處,歡迎指正)


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