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細(xì)胞工廠操作系統(tǒng) 圖片來(lái)源：百度圖片
自然微生物能生產(chǎn)的化學(xué)品種類(lèi)很少，遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)能源,、化工,、材料和藥物領(lǐng)域各種化學(xué)品的需求。另一方面,，自然微生物即使能生產(chǎn)某些化學(xué)品,，其產(chǎn)量也很低，不具備經(jīng)濟(jì)可行性,。
如何拓展微生物細(xì)胞生產(chǎn)化學(xué)品的種類(lèi)和如何提高細(xì)胞的生產(chǎn)效率是限制細(xì)胞工廠產(chǎn)業(yè)化的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,。
生物制造瓶頸
石油資源是目前運(yùn)輸燃料和整個(gè)化工產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。然而,，石油資源是不可再生的,，并且以其為基礎(chǔ)的化工煉制是一個(gè)高能耗,、高污染的過(guò)程。
而從另一個(gè)角度看,，天然產(chǎn)物在藥物開(kāi)發(fā)方面有著廣泛的應(yīng)用,，很多產(chǎn)物具有抗腫瘤、消炎,、抗寄生蟲(chóng),、抗氧化防衰老等功效，一直是新藥來(lái)源的重要組成部分,。
天然產(chǎn)物的生產(chǎn)目前主要從藥用植物中直接提取分離,。然而，植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng),、產(chǎn)物含量低,，導(dǎo)致這種生產(chǎn)方式對(duì)野生植物資源造成嚴(yán)重破壞。
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(duì)于保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(guò)生物制造技術(shù)，生物質(zhì)可以被轉(zhuǎn)化為燃料,、大宗化學(xué)品和天然產(chǎn)物,，從而替代石油化工煉制和植物資源提取。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,。
然而，自然微生物能生產(chǎn)的化學(xué)品種類(lèi)很少,，遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)能源,、化工、材料和藥物領(lǐng)域各種化學(xué)品的需求,。另一方面,，自然微生物即使能生產(chǎn)某些化學(xué)品，其產(chǎn)量也很低,，不具備經(jīng)濟(jì)可行性,。
如何拓展微生物細(xì)胞生產(chǎn)化學(xué)品的種類(lèi)和如何提高細(xì)胞的生產(chǎn)效率是限制細(xì)胞工廠產(chǎn)業(yè)化的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
合成生物學(xué)助力
合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地提升了細(xì)胞工廠的構(gòu)建能力,。通過(guò)以下四個(gè)方面的改造,，可以快速構(gòu)建出生產(chǎn)各種化學(xué)品的高效細(xì)胞工廠：
最優(yōu)合成途徑的設(shè)計(jì)：生產(chǎn)目標(biāo)化學(xué)品的合成途徑可能不存在于單一生物中，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)，可以將不同的生化反應(yīng)組裝到一個(gè)細(xì)胞中,，形成一條完整的合成途徑,。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)基因組代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型,，設(shè)計(jì)出目標(biāo)化學(xué)品的最優(yōu)合成途徑,，使其合成過(guò)程中能量供給充足、氧化還原平衡,，碳代謝流最大程度地流入產(chǎn)品合成,。另一方面，自然界中可能不存在某步關(guān)鍵的生化反應(yīng),，導(dǎo)致合成途徑不能被打通,。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)，可以人工合成出一個(gè)全新的蛋白,，使其催化該步生化反應(yīng),，從而進(jìn)一步拓展化學(xué)品的合成種類(lèi)。
合成途徑的創(chuàng)建：目標(biāo)產(chǎn)品合成途徑由一系列生化反應(yīng)及相關(guān)的編碼基因組成,，其中某些基因是外源生物的,。傳統(tǒng)的PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）擴(kuò)增方法周期長(zhǎng)，而且很多外源基因在宿主細(xì)胞中的表達(dá)及翻譯效率很低,。DNA合成技術(shù)的發(fā)展很好地解決了這一問(wèn)題,。基于芯片的高通量,、高保真DNA合成技術(shù)顯著降低了合成時(shí)間、合成成本和錯(cuò)誤率,；單個(gè)酶的大量合成和高通量篩選相結(jié)合,，能有效解決外源基因的表達(dá)和翻譯問(wèn)題。另外,，標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)元件和調(diào)控元件文庫(kù),，如啟動(dòng)子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)和信使RNA穩(wěn)定區(qū)文庫(kù),，為合成途徑的創(chuàng)建提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ),。多片段DNA組裝技術(shù)，如酵母體內(nèi)同源重組技術(shù),，則能快速高效地實(shí)現(xiàn)功能模塊組裝和合成途徑創(chuàng)建
合成途徑的優(yōu)化：合成途徑創(chuàng)建完之后,，通常效率都很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的要求,，因此需要對(duì)合成途徑進(jìn)行優(yōu)化,，提高其效率。高效的合成途徑很多時(shí)候不僅僅只受限于某個(gè)單一的限速反應(yīng)步驟，而且需要多個(gè)酶的協(xié)同平衡,?；跇?biāo)準(zhǔn)化調(diào)控元件文庫(kù)，可以對(duì)合成途徑各個(gè)基因的表達(dá)進(jìn)行精確調(diào)控,，從而獲得多個(gè)基因協(xié)調(diào)表達(dá)的狀態(tài),。多重基因組自動(dòng)改造技術(shù)則可以同時(shí)對(duì)染色體上的多個(gè)基因進(jìn)行改造，結(jié)合高通量篩選技術(shù),，可以快速高效地鑒定出最優(yōu)的調(diào)控組合,。另外，通過(guò)人工合成的蛋白骨架,，既可以使合成途徑相鄰的兩個(gè)酶聚集在物理空間比較近的區(qū)域,，提高兩個(gè)生化反應(yīng)的速率，也可以獲得這些酶的最優(yōu)組合比例,。
細(xì)胞生產(chǎn)性能的優(yōu)化：合成途徑優(yōu)化完之后,，可以獲得一個(gè)初步的人工細(xì)胞。需要進(jìn)一步提高人工細(xì)胞的生理性能和生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)能力,，才能將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際生產(chǎn)可用的細(xì)胞工廠,。進(jìn)化代謝和全局?jǐn)_動(dòng)等技術(shù)的發(fā)展可以有效地提高細(xì)胞的生產(chǎn)性能。在此基礎(chǔ)上,，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(jī)制,，并可用于新一輪細(xì)胞工廠的構(gòu)建。
產(chǎn)業(yè)化初見(jiàn)成效
使用上述的合成生物學(xué)技術(shù),，科學(xué)家們成功構(gòu)建出一系列高效的細(xì)胞工廠,。在燃料化學(xué)品方面，生產(chǎn)長(zhǎng)鏈醇（丙醇,、異丁醇,、異戊醇）、脂肪酸酯,、脂肪醇,、烷烴、烯烴等燃料的細(xì)胞工廠相繼面世,。
另外,，利用二氧化碳和鋼廠廢氣為原料生產(chǎn)乙醇、脂肪醇等燃料的細(xì)胞工廠也被成功開(kāi)發(fā),。在大宗化學(xué)品方面,，科學(xué)家們成功開(kāi)發(fā)出生產(chǎn)C3（乳酸、聚乳酸,、1,3-丙二醇,、1,2-丙二醇、3-羥基丙酸、丙烯酸,、丙氨酸）,、C4（丁二酸、蘋(píng)果酸,、富馬酸,、1,4-丁二醇、異丁烯,、丁二烯）,、C5（異戊二烯、戊二胺,、戊醇,、木糖醇）和C6（己二酸、葡萄糖酸,、甘露醇）等化學(xué)品的細(xì)胞工廠,，其中很多已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并被進(jìn)一步用于塑料,、纖維,、尼龍、橡膠等一系列終端產(chǎn)品的生產(chǎn),。
在天然產(chǎn)物方面,，生產(chǎn)青蒿素、紫杉醇,、銀杏內(nèi)酯,、丹參酮、嗎啡,、白藜蘆醇,、莽草酸、番茄紅素,、蝦青素、輔酶Q10等產(chǎn)物及其關(guān)鍵前體化合物的細(xì)胞工廠也被成功開(kāi)發(fā),。
隨著合成生物學(xué)各種新技術(shù)的不斷發(fā)展,，微生物細(xì)胞工廠的構(gòu)建技術(shù)也將越發(fā)完善。其必將極大地推動(dòng)石油化工制造和藥物生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)升級(jí),，為人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展作出巨大的貢獻(xiàn),。
（作者系中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員）
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