引言

結(jié)合微生物強大且多樣的生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，再對微生物的代謝路徑進(jìn)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(chǎn)各類產(chǎn)品的細(xì)胞工廠，這是生物制造的核心環(huán)節(jié)。

細(xì)胞工廠的構(gòu)建理念

細(xì)胞工廠可以說是真實存在的，也能被認(rèn)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(chǎn)工業(yè)化學(xué)品，具有不同生產(chǎn)階段的“車間”，如微生物的細(xì)胞器等；但細(xì)胞工廠的本質(zhì)又區(qū)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(xì)胞工廠的設(shè)計通常是以產(chǎn)品的高效生產(chǎn)為理念，并在此過程中是遵循以下五大準(zhǔn)則：

(ⅰ) 構(gòu)建一條由原料到產(chǎn)品的最優(yōu)合成途徑；

(ⅱ) 平衡代謝途徑中每步反應(yīng)的代謝流，使該途徑代謝通量遠(yuǎn)高于細(xì)胞基礎(chǔ)代謝；

(ⅲ) 足量地供應(yīng)合成途徑的前體，多個前體根據(jù)需要調(diào)整供應(yīng)比例；

(ⅳ) 酶促反應(yīng)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(jìn)解除產(chǎn)物和代謝中間體的反饋抑制，以獲取更高的產(chǎn)量。

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▲ 細(xì)胞工廠的設(shè)計理念（圖源：合成生物學(xué)期刊）

除此之外，構(gòu)建細(xì)胞工廠還需要許多合成生物學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)支撐：

(ⅰ) 基因組編輯技術(shù)：基因組編輯技術(shù)是細(xì)胞工廠代謝途徑構(gòu)建及優(yōu)化的重要技術(shù)，即基因表達(dá)強度調(diào)控、基因整合、基因敲除等。

(ⅱ) 多基因同時調(diào)控技術(shù)：通常情況下，產(chǎn)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(jìn)行調(diào)控。

(ⅲ) 基因動態(tài)調(diào)控技術(shù)：根據(jù)選定的某種細(xì)胞體內(nèi)代謝信號自動調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá)，從而維持代謝途徑的動態(tài)平衡，達(dá)到提高產(chǎn)品合成能力的目標(biāo)。

(ⅳ) 蛋白骨架技術(shù)：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(qū)域，使底物和酶距離接近，提高生化反應(yīng)的速率。

(ⅴ) 高通量篩選技術(shù)：使用各種高通量組學(xué)分析技術(shù)可以解析細(xì)胞性能提升的遺傳機制，并可用于新一輪細(xì)胞工廠的構(gòu)建。

細(xì)胞工廠應(yīng)用的體現(xiàn)

如何以一種可持續(xù)、綠色清潔的方式生產(chǎn)燃料、大宗化學(xué)品和天然產(chǎn)物對于維持社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。生物質(zhì)是一種可再生的清潔資源，通過生物制造技術(shù)，可以被轉(zhuǎn)化為燃料、大宗化學(xué)品和天然產(chǎn)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(shù)是構(gòu)建高效的微生物細(xì)胞工廠，將生物質(zhì)原材料轉(zhuǎn)化為各種終端產(chǎn)品。

一、燃料化學(xué)品

傳統(tǒng)的燃料化學(xué)品主要是乙醇和丁醇，但隨著合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新型燃料化學(xué)品被開發(fā)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(wǎng)絡(luò)）

Liao[2]研究小組開發(fā)了一種生產(chǎn)異丁醇的細(xì)胞工廠，利用基因組編輯等技術(shù)先在工程菌體內(nèi)引入了所需酶類的基因，創(chuàng)建出異丁醇合成途徑；在此基礎(chǔ)上，Liao等人又將工程菌體內(nèi)與異丁醇合成途徑有競爭關(guān)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(chǎn)量的異丁醇。

二、大宗化學(xué)品

隨著合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們已經(jīng)成功開發(fā)出一系列的細(xì)胞工廠用于生產(chǎn)大宗化學(xué)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(chuàng)建出了以往不存在相應(yīng)合成途徑的的大宗類化學(xué)品的細(xì)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(xué)合成的方式獲得?？蒲腥藛T[3]通過對酶反應(yīng)的底物和化學(xué)反應(yīng)類型的分析，發(fā)現(xiàn)了不同菌種代謝產(chǎn)物之間的聯(lián)系，并利用多基因同時調(diào)控等技術(shù)創(chuàng)建了一個新型的細(xì)胞工廠，最終成功以生物合成的方式生產(chǎn)出了聚乳酸。

三、天然產(chǎn)物

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

抗氧化類天然產(chǎn)物一直是科學(xué)家們研究的熱點，這類化合物的人工細(xì)胞工廠構(gòu)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(tài)調(diào)控等技術(shù)構(gòu)建了以對香豆酸為底物生產(chǎn)白藜蘆醇的細(xì)胞工廠，得到了較高產(chǎn)量的產(chǎn)品。

結(jié)語

細(xì)胞工廠現(xiàn)有的發(fā)展多是基于自然界中已有生物合成途徑的化學(xué)品，而絕大部分化學(xué)品是沒有天然生物合成途徑的，這雖然給生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了極大地挑戰(zhàn)，但也彰顯了細(xì)胞工廠美好的應(yīng)用前景。簡單來說，構(gòu)建高效的微生物細(xì)胞工廠，能夠極大地提升目前工業(yè)微生物的發(fā)酵能力，提高其生理性能，既可以降低微生物發(fā)酵的生產(chǎn)成本，又能拓展發(fā)酵產(chǎn)品的多樣性。

參考資料：

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

[2] 戴住波, 朱欣娜, 張學(xué)禮. 合成生物學(xué)在微生物細(xì)胞工廠構(gòu)建中的應(yīng)用[J]. 生命科學(xué), 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(wǎng)絡(luò)

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