天津大學教授元英進（左）團隊在開展研究。
編者按
作為生物體基本的結構和功能單位，細胞以各類化學反應展現生命活動的過程。過去上百年裡，儘管科學家已經對細胞代謝、生命過程各種表徵方法開展了深入研究，並讓這些科學研究成果造福人類，但是，科學家感到，距離真正打開細胞「黑箱」，仍有很長的路要走。
2014年前後，國家自然科學基金委員會化學科學部設立重大項目「工業生物催化劑的代謝反應機制與相關構建的研究」和「單細胞多組分時空分析」。
5年來，科學家以創新為導向、以需求牽引，分別圍繞微生物細胞「輔因子」代謝過程、單細胞中多種生物活性分子時空分辨的螢光分析新方法開展研究，並積極推進基礎研究成果的產業化應用。
本期自然科學基金版將回顧上述兩個重大項目的研究歷程，展示其取得的成績。
■本報記者 甘曉
作為一種厭氧原核生物，大腸桿菌具有由肽聚糖組成的細胞壁，只含有核糖體簡單的細胞器，因導致腹瀉被人熟知。這種大小只有微米級、結構簡單的生物，卻蘊含著不可想像的能量——只要把一些具有特殊功能的基因導入大腸桿菌中表達，通過物質代謝和輔因子代謝，就能合成出我們想要的化合物。
近20年來，這些不起眼的細菌扮演了工業生物催化中「細胞工廠」這一重要角色，為生物製造翻開了新的一頁。
不久前，國家自然科學基金委員會（以下簡稱「自然科學基金委」）重大項目「工業生物催化劑的代謝反應機制與相關構建的研究」順利結題。項目執行5年來，科學家著眼於與物質代謝同時進行的輔因子代謝過程，不僅推進了基於輔因子催化劑調控機制的科學認識，還實現了多項產業化應用。
「科技創新的選題要從產業中來。」回顧該重大項目的歷程，項目首席科學家、南京工業大學原校長、中國工程院院士歐陽平凱告訴《中國科學報》。
瞄準「三低」掣肘
依靠大腸桿菌、酵母菌、丙酮丁醇梭桿菌等微生物自複製、自組裝、自調控的智能化特點，一些相對廉價易得的原料可以接近理論轉化率的水平，高效地合成出大量人們所需的產品。科學家們把它們稱為「工業生物催化劑」。
進入21世紀，化工領域中常用化合物的生物製造線路均已被打通，這主要依賴物質合成基因的導入。但越來越多的科學家發現，刪除或導入外源基因、轉錄因子等後，許多代謝途徑的結果具有不確定性。如果僅靠物質代謝，高效率、高收率、高濃度的工業催化過程往往難以實現。
「糖酵解途徑就是一個典型的例子。」歐陽平凱介紹說。糖的無氧氧化稱為糖酵解，指的是葡萄糖或糖原在無氧或缺氧條件下，分解為乳酸的同時產生少量三磷酸腺苷（ATP）的過程。但目前無論是單獨還是聯合強化表達糖酵解關鍵酶的編碼基因，糖酵解的產物濃度、轉化率和速率始終無法提高。
科學家發現，一些被稱為「輔因子」的物質，可能在其中發揮了重要作用。
「輔因子的作用不容忽視。」歐陽平凱強調。自2011年起，他帶領南京工業大學研究團隊，與北京化工大學和天津大學的研究人員一起探討工業生物催化領域存在的科學問題。
多場討論會中，科學家分析了工業生產中「轉化率低、濃度低、反應速率慢」的「三低」現象。他們認為，在科學層面對「輔因子代謝」認知不足，掣肘當前工業生物催化發展。
圍繞「輔因子」的科學問題，經過3年醞釀提出、組織申請，2014年，歐陽平凱領銜的這一科研團隊獲得自然科學基金委員會重大項目「工業生物催化劑的代謝反應機制與相關構建的研究」的支持。
在科學家看來，這個選題既面向國民經濟主戰場的重大需求、具有戰略意義，又是科學前沿的關鍵問題，值得開展深入研究。
回到基礎研究中去
面對產業面臨的實際問題，回到基礎科學研究中去，成為科學家解決問題的最優策略。
據介紹，該重大項目執行之初，科學家計劃重點實現對「輔因子代謝與碳物質代謝的協同作用機制」的科學認識。他們將這一科學目標分解為4個課題，分別是「新一代代謝網絡模型的構建與最優途徑的設計」「輔因子對基因轉錄和代謝流調控的作用機制」「輔因子代謝調控體系的構建與表徵」及「物質代謝與輔因子代謝的適配與優化」。
在不久前舉行的該重大項目結題驗收會上，南京工業大學製藥與生命科學院教授應漢傑說，從邏輯上來看，前兩個課題著眼於基礎理論，針對的關鍵科學問題是「輔因子與物質代謝的調控機制」；後兩個課題著眼於手段方法，目標是「高效生物催化劑的構建與優化」。
正是在這樣清晰的邏輯框架下，科學研究工作逐步展開。在理論方面，研究人員在系統生物學指導下，構築起新一代代謝網絡模型。有了這一模型，研究人員可以計算出輔因子代謝調控的關鍵節點，有針對性地設計最優代謝途徑。
例如，在穀氨酸棒狀桿菌用葡萄糖產己二酸的代謝中，研究人員使用這一模型算出理論產率最高的三條途徑。「計算中考慮輔因子的因素後，發現其中一條途徑理論產率高達87%。」該重大項目科學家、北京化工大學校長、中國工程院院士譚天偉表示，「這說明，輔因子介入可以改變己二酸物質代謝原有的熱力學體系，實現更優的代謝途徑。」
此外，他們還建立起輔因子代謝調控的元件庫，網站自2015 年建設以來累計訪問10萬餘次，成為研究代謝途徑的有效工具。
同時，研究人員從輔因子再生、區域性調控、偏好性調控及動態調控等方面開展研究，發現了諸多新規律。例如，一項針對釀酒酵母的研究表明，將物質與能量調控策略耦合，是目標產物的代謝流最大化和快速化的重要策略。
有了基礎理論的突破，高效生物催化劑的構建呼之欲出。例如，在傳統丁醇發酵中，氫氣和副產品丙酮大量產生，極大限制了反應的原子經濟性和總產品價值。為此，構建了「NADH—補償模塊」「不需要另外操控丙酮等溶劑合成途徑，丙酮就被徹底消除，這提高了丁醇的生產效率。」應漢傑表示。
2017年，該重大項目迎來突破。在該重大項目支持下，天津大學化工學院教授元英進團隊在《科學》上發表2篇研究長文，介紹了他們在真核生物釀酒酵母2條染色體設計與合成方面的工作，為在基因組層面建立輔因子和碳物質代謝的快速優化平臺奠定了基礎。2018年3月，這項成果入選2017 年度「中國科學十大進展」。
此外，他們還構建了一系列產物的生物合成路徑，有效合成了天然產物、生物燃料、生物基化學品、醫藥以及燃料等。比如，高產番茄紅素、7-脫氫膽固醇和脂肪醇酵母菌株研製成功。「從生產過程來說，過去需要從植物中萃取含量很低的有效成分，例如青蒿素的提取，現在利用人工合成酵母就可以生成，減少了對環境的破壞。」元英進指出。
助推產業化
科技創新的選題從產業中來，自然也會回到產業中去。該重大項目執行5年來，科研人員嘗試不斷延伸創新鏈，將基礎研究成果推向工業化應用。「這些成果為工業環境下通過操控輔因子實現生物製造中原子經濟性和時空效率的提升提供了理論基礎和實現方法，推動了一些典型工業產品的生物製造。」歐陽平凱告訴《中國科學報》。
作為聚酯生產的原料，1，3-丙二醇發展空間巨大。當前，美國杜邦公司以廉價的葡萄糖為原料的生物法生產技術路線已經形成壟斷。
譚天偉介紹，在該重大項目支持下，研究人員開始探索一條以甘油為原料的全新生物高效合成1，3-丙二醇的路線。其中，關鍵的科學問題便是碳代謝途徑與1，3-丙二醇合成的定量關係。
為此，研究人員建立了基於輔因子和碳代謝全局優化的新策略，最終使目標產品的產量達到每升86克，是傳統途徑的1.7倍。2014年，該研究團隊在山東泰安建成年產2000噸1，3-丙二醇生產線。
在生物乙醇發酵方面，應漢傑帶領團隊基於輔因子代謝的新理論，從微生物基因調控、新型反應體系構建兩個方面著手，設計了一條全新的乙醇發酵工藝。
據介紹，採用此工藝，小試間歇式發酵和連續式發酵的產率達到了目前文獻報導的最高水平。研究團隊在2017年和2018年分別在廣西中糧生物質能源有限公司進行了30噸級的中試和320噸級的工業化示範試驗。試驗表明，酵母發酵周期縮短了45%，平均糖醇轉化率則提高了3.8%。
應漢傑表示，正是輔因子的調控改變了胞內的氧化還原狀態，降低了副產物甘油的通量，提高了細胞的耐滲能力、減緩了細胞衰老、加速了葡萄糖消耗。
5年來，參與該重大項目的科學家心中已形成兩幅對比鮮明的圖景。一幅是大到整個世界的「生態陽光經濟」——通過生物製造，利用可再生的微生物資源生產能源、化學品與新材料，實現太陽能驅動下的工業與農業可持續發展。
另一幅，則是小到肉眼看不見的微生物細胞——以輔因子觀察細胞代謝的「窗口」剛剛打開。「期待未來獲悉輔因子在細胞內工作的更多細節。」歐陽平凱說。
《中國科學報》 (2019-07-29 第4版 自然科學基金)