[科普中国]-循环产量

循环产量可以作为评估一个循环是否值得去应用，同时也可以作为比较两个类似循环的优差之分。用同样的物质一个循环可制造10千克所需物质，而另一个可以制出40千克物质，相差30千克，这正是循环产量的比较。随着高通量测序技术、组学分析技术、大规模基因合成技术的快速发展，人类社会对代谢过程在内的复杂生物过程的认识与理解达到前所未有的新高度。相关科研人员可以尝试依据工程理论，设计与合成新的生物元件，亦或设计与改造包括表达调控系统、环境应答感应器在内的生物系统。

循环产量的背景随着高通量测序技术、组学分析技术、大规模基因合成技术的快速发展，人类社会对代谢过程在内的复杂生物过程的认识与理解达到前所未有的新高度。相关科研人员可以尝试依据工程理论，设计与合成新的生物元件，亦或设计与改造包括表达调控系统、环境应答感应器在内的生物系统。而这些人工系统可以更有效的转化廉价底物至满足人类生活衣、食、住、行、医的目标化合物。为此“合成生物学”概念也应运而生。关于合成生物学与代谢工程的区别与联系，学术界有很多解读，但本论文认为，以设计与合成标准化核心元件进而以此基础组装复杂系统为主要特点的合成生物学，只是代谢工程发展到新阶段的重要实践形式，同时属于合成生物学范畴的相关人工元件与人工系统也只是进一步丰富代谢工程的工具与平台。无论是代谢工程的早期发展，还是后基因组时期系统代谢工程与反向代谢工程，亦或到现如今的合成生物学新阶段，代谢工程的实施都离不开称之为“设计­构建­测试­学习”的代谢工程循环[3]。其中，学习与设计是基础，构建是关键，测试则决定是否需要进行新一轮的代谢工程循环。代谢工程设计能力的提升、菌株与生命系统构建能力的提高、高精度与通量分析技术的发展、系统分析能力的进步共同实现了代谢工程学科的发展。而基因组规模计算机建模的发展、高通量基因组规模基因编辑技术的突破、代谢流量调控技术的开发正是代谢工程工具学快速发展的重要代表。1

循环产量的作用循环产量可以作为评估一个循环是否值得去应用，同时也可以作为比较两个类似循环的优差之分，循环利用在当下作用不大，但在未来，其必将成为人们热词2。

将发酵产物生产与菌株生物质的生长解偶联是代谢工程或者过程过程实现目标化合物高产的重要策略。作为该策略的重要表现形式之一，两阶段培养被成功应用于乳酸、1,4-丁二醇等目标化合物的生产。但是，很多目标化合物的生产难以与pH以及溶解氧等过程参数相耦合，为此，如何使用廉价、方便而有效的方式去触发培养状态的改变是成功应用两阶段培养这一培养模式的重要课题。而基于合成生物学技术平台，构建执行器与传感器有望构建代谢流动态调控系统以解决这一问题。确实，Williams以及合作者，首次利用基于群体感应基因回路、RNA干扰技术动态调控目标产物对羟基苯甲酸合成途径与细胞生长，最终成功生产对羟基苯甲酸至1.1mM·L-1。这也是基于酿酒酵母平台，首例利用动态调控系统进行途径优化实现目标化合物高产的报道。无独有偶，Niensen及其合作者，优化设计基于来自原核的丙二酸辅酶A生物传感器，动态调控脂肪酸合成途径与三羟基丙酸合成途径的代谢平衡，实现三羟基丙酸的10倍提升[28]。虽然上面两个代谢工程改造案例，实现代谢途径不同模块之间的动态调控，但在整个调控过程只是简单的“开-关”控制策略，在整个发酵过程中只开关一次，研究与开发类似与成功应用于大肠杆菌番茄红素与脂肪酸合成的连续动态调控系统，基于生物传感器实时“前馈”与“反馈”相关途径模块，实现模块间的代谢协调必将是动态调控工程的重要研究任务。可以预见，随着基于系统生物学代谢调控模式机制的新发现、基于合成生物学工具学的发展，该调控模式必将成为代谢流平衡技术的最杰出代表3。

循环产量的应用作为性能优良的石油替代品，异丁醇一直是代谢工程改造的重要焦点之一。在自然界异丁醇的合成主要由称之为“艾利希途径”所完成。当缬氨酸合成途径前体α-酮异戊酸(KIV)经过由α-酮酸脱羧酶的作用生成异丁醛之后，醇脱氢酶催化异丁醛合成异丁醇。Liao等人也首次基于艾利希途径在大肠杆菌中成功高效合成异丁醇，这也是第一次非发酵途径第一次被利用与支链醇的生物合成。但是在酵母中，此合成途径更加复杂。KIV前体在线粒体途径，其下游脱羧酶与脱氢酶却定位于细胞质。为此，当Chen等人直接过量表达异丁醇合成途径相关酶以期过量合成异丁醇，并没有取得预期效果。代谢分割所造成的代谢途径效率低下是酵母工程菌低产异丁醇的重要原因之一。为避免代谢途径的分割，提高异丁醇合成代谢流，Gregory以及Boles等人分别定位异丁醇途径于线粒体或者细胞质，取得理想效果。为避免KIV的跨线粒体膜转出，提高后续KIV脱羧反应以及脱氢反应活性，当Gregory及其合作者通过线粒体锚定蛋白靶向定位α-酮酸脱羧酶与醇脱氢酶至线粒体后，异丁醇产量相比如出发菌株提高260%，而过量表达催化这两步反应的酶与细胞质只提高10%。基于同样策略，Gregory及其合作者同时报道，线粒体定位“艾利希途径”，使得异戊醇以及α-甲基正丁醇的产量较各自对照菌株分别提高8倍和11倍。后续的进一步研究表明，定位“艾利希途径”至线粒体使得α-酮酸脱羧酶与醇脱氢酶局部浓度提升，从而实现异丁醇的高效合成。当然，避免KIV跨膜转运、降低由于竞争途径所消耗的代谢中间物也是本策略成功的重要原因之一。同样策略也应用于植物源萜类化合物的代谢工程中，当Farhi等人将FPP合酶以及倍半萜合酶锚定至线粒体中，紫穗槐二烯与朱栾倍半萜产量分别提高20倍和8倍。相关例子表明，整合与定位相关途径至微环境，确实使得相关途径效率高效提升。利用和改进天然存在亚细胞器或者合成新的亚细胞结构作为相关化合物生物合成的“细胞工厂”研究也必将取得新进展。确实，Boles团队宣称，他和他的合作者已经成功构件包含特定合成途径或者反应的具有膜结构的人工细胞器(他们称之为代谢体)用于特定化合物的合成。但是，如何进一步优化相关目标产物的跨膜转运、如何实现亚细胞区室内辅因子平衡与足量供应、如何实现所锚定的目标蛋白成功与高效分选至目标细胞器是构建高效亚细胞器细胞工程实现目标化合物高效合成需要解决的主要问题3。

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学