張學禮:合成生物學促進微生物細胞工廠構建

2020-12-05 中國科學院

細胞工廠作業系統 圖片來源：百度圖片

自然微生物能生產的化學品種類很少，遠不能滿足生產能源、化工、材料和藥物領域各種化學品的需求。另一方面，自然微生物即使能生產某些化學品，其產量也很低，不具備經濟可行性。

如何拓展微生物細胞生產化學品的種類和如何提高細胞的生產效率是限制細胞工廠產業化的兩個關鍵技術問題。

生物製造瓶頸

石油資源是目前運輸燃料和整個化工產業的基礎。然而，石油資源是不可再生的，並且以其為基礎的化工煉製是一個高能耗、高汙染的過程。

而從另一個角度看，天然產物在藥物開發方面有著廣泛的應用，很多產物具有抗腫瘤、消炎、抗寄生蟲、抗氧化防衰老等功效，一直是新藥來源的重要組成部分。

天然產物的生產目前主要從藥用植物中直接提取分離。然而，植物生長周期長、產物含量低，導致這種生產方式對野生植物資源造成嚴重破壞。

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，對於保障社會經濟可持續發展至關重要。

生物質是一種可再生的清潔資源。通過生物製造技術，生物質可以被轉化為燃料、大宗化學品和天然產物，從而替代石油化工煉製和植物資源提取。生物製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。

然而，自然微生物能生產的化學品種類很少，遠不能滿足生產能源、化工、材料和藥物領域各種化學品的需求。另一方面，自然微生物即使能生產某些化學品，其產量也很低，不具備經濟可行性。

如何拓展微生物細胞生產化學品的種類和如何提高細胞的生產效率是限制細胞工廠產業化的兩個關鍵技術問題。

合成生物學助力

合成生物學技術的發展極大地提升了細胞工廠的構建能力。通過以下四個方面的改造，可以快速構建出生產各種化學品的高效細胞工廠：

最優合成途徑的設計：生產目標化學品的合成途徑可能不存在於單一生物中，通過計算機模擬設計，可以將不同的生化反應組裝到一個細胞中，形成一條完整的合成途徑。在此基礎上，根據基因組代謝網絡和調控網絡模型，設計出目標化學品的最優合成途徑，使其合成過程中能量供給充足、氧化還原平衡，碳代謝流最大程度地流入產品合成。另一方面，自然界中可能不存在某步關鍵的生化反應，導致合成途徑不能被打通。通過計算機模擬設計，可以人工合成出一個全新的蛋白，使其催化該步生化反應，從而進一步拓展化學品的合成種類。

合成途徑的創建：目標產品合成途徑由一系列生化反應及相關的編碼基因組成，其中某些基因是外源生物的。傳統的PCR（聚合酶鏈式反應）擴增方法周期長，而且很多外源基因在宿主細胞中的表達及翻譯效率很低。DNA合成技術的發展很好地解決了這一問題。基於晶片的高通量、高保真DNA合成技術顯著降低了合成時間、合成成本和錯誤率；單個酶的大量合成和高通量篩選相結合，能有效解決外源基因的表達和翻譯問題。另外，標準化的結構元件和調控元件文庫，如啟動子、核糖體結合位點和信使RNA穩定區文庫，為合成途徑的創建提供了堅實的物質基礎。多片段DNA組裝技術，如酵母體內同源重組技術，則能快速高效地實現功能模塊組裝和合成途徑創建

合成途徑的優化：合成途徑創建完之後，通常效率都很低，遠遠達不到產業化生產的要求，因此需要對合成途徑進行優化，提高其效率。高效的合成途徑很多時候不僅僅只受限於某個單一的限速反應步驟，而且需要多個酶的協同平衡。基於標準化調控元件文庫，可以對合成途徑各個基因的表達進行精確調控，從而獲得多個基因協調表達的狀態。多重基因組自動改造技術則可以同時對染色體上的多個基因進行改造，結合高通量篩選技術，可以快速高效地鑑定出最優的調控組合。另外，通過人工合成的蛋白骨架，既可以使合成途徑相鄰的兩個酶聚集在物理空間比較近的區域，提高兩個生化反應的速率，也可以獲得這些酶的最優組合比例。

細胞生產性能的優化：合成途徑優化完之後，可以獲得一個初步的人工細胞。需要進一步提高人工細胞的生理性能和生產環境適應能力，才能將其轉變為實際生產可用的細胞工廠。進化代謝和全局擾動等技術的發展可以有效地提高細胞的生產性能。在此基礎上，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，並可用於新一輪細胞工廠的構建。

產業化初見成效

使用上述的合成生物學技術，科學家們成功構建出一系列高效的細胞工廠。在燃料化學品方面，生產長鏈醇（丙醇、異丁醇、異戊醇）、脂肪酸酯、脂肪醇、烷烴、烯烴等燃料的細胞工廠相繼面世。

另外，利用二氧化碳和鋼廠廢氣為原料生產乙醇、脂肪醇等燃料的細胞工廠也被成功開發。在大宗化學品方面，科學家們成功開發出生產C3（乳酸、聚乳酸、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、3-羥基丙酸、丙烯酸、丙氨酸）、C4（丁二酸、蘋果酸、富馬酸、1,4-丁二醇、異丁烯、丁二烯）、C5（異戊二烯、戊二胺、戊醇、木糖醇）和C6（己二酸、葡萄糖酸、甘露醇）等化學品的細胞工廠，其中很多已實現產業化生產，並被進一步用於塑料、纖維、尼龍、橡膠等一系列終端產品的生產。

在天然產物方面，生產青蒿素、紫杉醇、銀杏內酯、丹參酮、嗎啡、白藜蘆醇、莽草酸、番茄紅素、蝦青素、輔酶Q10等產物及其關鍵前體化合物的細胞工廠也被成功開發。

隨著合成生物學各種新技術的不斷發展，微生物細胞工廠的構建技術也將越發完善。其必將極大地推動石油化工製造和藥物生產的產業升級，為人類社會的可持續發展作出巨大的貢獻。

（作者系中國科學院天津工業生物技術研究所研究員）

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