2016年3月17日 訊 /生物谷BIOON/ - - 人類利用微生物發酵來生產食物和飲料的歷史可追溯至8000年前。近現代以來，微生物發酵產生的化學物質得到了廣泛的應用。上個世紀20年代，人們開始利用絲狀真菌黑麴黴發酵生產檸檬酸，一種食品和飲料的原料。二戰期間，同樣的技術被用來工業化規模生產盤尼西林，這是利用發酵生產的第一個藥物。現如今，利用"細胞工廠"來大批量生產藥用重組蛋白已成為主流。市面上有超過300個生物醫藥用的蛋白和抗體，市值超過1000億美元。
代謝工程是在微生物發酵的基礎上發展而來的。它是將細胞原有的代謝過程加以改造，目的是加強某些天然代謝產物的含量，或者是賦予細胞生產新的代謝產物的能力。它的潛在應用十分廣泛，包括生產燃料、食物、飼料和藥物等等。不過，想將細胞改造成高效的"工廠"並不容易，因為細胞進化出了的嚴密的代謝網絡，這其中的分子通路錯綜複雜，同時受著嚴密的調控。以現有的知識甚至無法解釋清楚簡單的細胞模型中代謝是如何被調控的。這也解釋了為什麼儘管有先進的系統和合成生物學技術來表徵細胞表型和基因編輯，開發滿足經濟需求的工業規模生產的新的"細胞工廠"仍然是個不小的挑戰。
儘管代謝工程在優化現有生物過程中有所應用。更多的關注集中在開發新的生物過程。
這個過程中所面臨的挑戰主要在開發新的生物過程的路線，改善菌株的表現以及代謝的"蝴蝶結"結構。
當確定了感興趣的化合物之後，要確定這種化合物的生產菌株或者細胞。有些時候，當沒有這種分子的天然生產者的情況下，需要將這一生物合成路徑轉入到異源表達的宿主中，如果參與這一過程中的酶沒有被完全證實，那麼找到這些酶就成為了代謝工程項目的一部分。
從最初的驗證原理的菌株到最後獲得可以商業化生產的"細胞工廠"還有很長一段路。需要經歷幾輪的菌株構建和表型鑑定。大多數用以工業生產的菌株需要經過大量的遺傳修飾，不僅包括感興趣的通路，還包括一些改變代謝流方向的通路。大量新技術的產生可能會改變這種現狀，減少在菌株開發方面花費的時間和費用。
代謝是所有活細胞最保守的特性之一，已經進化形成"蝴蝶結"結構。所有的碳和能量來源通過中心碳代謝通路轉化為12個代謝物前體，用以合成細胞成分和天然產物。為了平衡這些代謝物前體的利用，細胞進化出了不同水平的嚴密調控方式，尤其是控制細胞生長，穩態和維持所需的胺基酸、脂肪核酸和糖的合成。這些嚴密調控使得重定向代謝朝向感興趣的分子變得尤為困難。
代謝工程所面臨的挑戰促進了一些優化的原則和工具的產生。例如平臺菌株的應用，平臺菌株是指那些能夠生成有價值的中間產物的菌株可以通過額外的修飾來生產其他具有相同中間產物的產品。一些遺傳學工具的使用，如敲低，如CRISPER/Cas9系統的應用促進了代謝工程的發展。適應性的實驗室進化和高通量篩選同樣促進了目標分子的生產。
代謝的工程改造和其他系統一樣涉及四個獨立的模塊：設計（D），建立（B），測試（T）和學習（L）。儘管這些步驟目前只能在實驗室裡進行，而且一輪DBLT循環需要花費幾個月的時間。我們期待著未來代謝工程會像電子工程一樣，周轉期只有幾天到幾周。也許這個目標的實現還需一段時間，新技術的應用一定會顯著減少DBTL循環的時間。（生物谷Bioon.com）
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DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.02.004
Engineering Cellular Metabolism
Jens Nielsencorrespondenceemail, Jay D. Keasling
Metabolic engineering is the science of rewiring the metabolism of cells to enhance production of native metabolites or to endow cells with the ability to produce new products. The potential applications of such efforts are wide ranging, including the generation of fuels, chemicals, foods, feeds, and pharmaceuticals. However, making cells into efficient factories is challenging because cells have evolved robust metabolic networks with hard-wired, tightly regulated lines of communication between molecular pathways that resist efforts to divert resources. Here, we will review the current status and challenges of metabolic engineering and will discuss how new technologies can enable metabolic engineering to be scaled up to the industrial level, either by cutting off the lines of control for endogenous metabolism or by infiltrating the system with disruptive, heterologous pathways that overcome cellular regulation.