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张学礼研究员谈合成生物学

来源:中国工业生物技术信息网 时间:五月 19, 2014, 7 a.m.

http://www.bioindustry.cn/focus/view/13


自然微生物能生产的化学品种类很少,远不能满足生产能源、化工、材料和药物领域各种化学品的需求。另一方面,自然微生物即使能生产某些化学品,其产量也很低,不具备经济可行性。 如何拓展微生物细胞生产化学品的种类和如何提高细胞的生产效率是限制细胞工厂产业化的两个关键技术问题。 


生物制造瓶颈 


石油资源是目前运输燃料和整个化工产业的基础。然而,石油资源是不可再生的,并且以其为基础的化工炼制是一个高能耗、高污染的过程。 而从另一个角度看,天然产物在药物开发方面有着广泛的应用,很多产物具有抗肿瘤、消炎、抗寄生虫、抗氧化防衰老等功效,一直是新药来源的重要组成部分。 天然产物的生产目前主要从药用植物中直接提取分离。然而,植物生长周期长、产物含量低,导致这种生产方式对野生植物资源造成严重破坏。 如何以一种可持续、绿色清洁的方式生产燃料、大宗化学品和天然产物,对于保障社会经济可持续发展至关重要。 生物质是一种可再生的清洁资源。通过生物制造技术,生物质可以被转化为燃料、大宗化学品和天然产物,从而替代石油化工炼制和植物资源提取。生物制造的核心技术是构建高效的微生物细胞工厂,将生物质原材料转化为各种终端产品。 然而,自然微生物能生产的化学品种类很少,远不能满足生产能源、化工、材料和药物领域各种化学品的需求。另一方面,自然微生物即使能生产某些化学品,其产量也很低,不具备经济可行性。 如何拓展微生物细胞生产化学品的种类和如何提高细胞的生产效率是限制细胞工厂产业化的两个关键技术问题。 


合成生物学助力 


合成生物学技术的发展极大地提升了细胞工厂的构建能力。通过以下四个方面的改造,可以快速构建出生产各种化学品的高效细胞工厂: 


最优合成途径的设计:

生产目标化学品的合成途径可能不存在于单一生物中,通过计算机模拟设计,可以将不同的生化反应组装到一个细胞中,形成一条完整的合成途径。在此基础上,根据基因组代谢网络和调控网络模型,设计出目标化学品的最优合成途径,使其合成过程中能量供给充足、氧化还原平衡,碳代谢流最大程度地流入产品合成。另一方面,自然界中可能不存在某步关键的生化反应,导致合成途径不能被打通。通过计算机模拟设计,可以人工合成出一个全新的蛋白,使其催化该步生化反应,从而进一步拓展化学品的合成种类。

 
合成途径的创建:

目标产品合成途径由一系列生化反应及相关的编码基因组成,其中某些基因是外源生物的。传统的PCR(聚合酶链式反应)扩增方法周期长,而且很多外源基因在宿主细胞中的表达及翻译效率很低。DNA合成技术的发展很好地解决了这一问题。基于芯片的高通量、高保真DNA合成技术显著降低了合成时间、合成成本和错误率;单个酶的大量合成和高通量筛选相结合,能有效解决外源基因的表达和翻译问题。另外,标准化的结构元件和调控元件文库,如启动子、核糖体结合位点和信使RNA稳定区文库,为合成途径的创建提供了坚实的物质基础。多片段DNA组装技术,如酵母体内同源重组技术,则能快速高效地实现功能模块组装和合成途径创建。 


合成途径的优化:

合成途径创建完之后,通常效率都很低,远远达不到产业化生产的要求,因此需要对合成途径进行优化,提高其效率。高效的合成途径很多时候不仅仅只受限于某个单一的限速反应步骤,而且需要多个酶的协同平衡。基于标准化调控元件文库,可以对合成途径各个基因的表达进行精确调控,从而获得多个基因协调表达的状态。多重基因组自动改造技术则可以同时对染色体上的多个基因进行改造,结合高通量筛选技术,可以快速高效地鉴定出最优的调控组合。另外,通过人工合成的蛋白骨架,既可以使合成途径相邻的两个酶聚集在物理空间比较近的区域,提高两个生化反应的速率,也可以获得这些酶的最优组合比例。 


细胞生产性能的优化:

合成途径优化完之后,可以获得一个初步的人工细胞。需要进一步提高人工细胞的生理性能和生产环境适应能力,才能将其转变为实际生产可用的细胞工厂。进化代谢和全局扰动等技术的发展可以有效地提高细胞的生产性能。在此基础上,使用各种高通量组学分析技术可以解析细胞性能提升的遗传机制,并可用于新一轮细胞工厂的构建。 


产业化初见成效 
使用上述的合成生物学技术,科学家们成功构建出一系列高效的细胞工厂。在燃料化学品方面,生产长链醇(丙醇、异丁醇、异戊醇)、脂肪酸酯、脂肪醇、烷烃、烯烃等燃料的细胞工厂相继面世。 另外,利用二氧化碳和钢厂废气为原料生产乙醇、脂肪醇等燃料的细胞工厂也被成功开发。在大宗化学品方面,科学家们成功开发出生产C3(乳酸、聚乳酸、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、3-羟基丙酸、丙烯酸、丙氨酸)、C4(丁二酸、苹果酸、富马酸、1,4-丁二醇、异丁烯、丁二烯)、C5(异戊二烯、戊二胺、戊醇、木糖醇)和C6(己二酸、葡萄糖酸、甘露醇)等化学品的细胞工厂,其中很多已实现产业化生产,并被进一步用于塑料、纤维、尼龙、橡胶等一系列终端产品的生产。 在天然产物方面,生产青蒿素、紫杉醇、银杏内酯、丹参酮、吗啡、白藜芦醇、莽草酸、番茄红素、虾青素、辅酶Q10等产物及其关键前体化合物的细胞工厂也被成功开发。

 
随着合成生物学各种新技术的不断发展,微生物细胞工厂的构建技术也将越发完善。其必将极大地推动石油化工制造和药物生产的产业升级,为人类社会的可持续发展作出巨大的贡献。 
(作者系中国科学院天津工业生物技术研究所研究员)


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