合成新產(chǎn)品：從無到有

通過引入外源基因使某一生物合成其原來不能合成的新產(chǎn)品，這是一種常用的代謝工程手段。例如，Galanie?等通過將來源于?6?種不同生物（包括植物、哺乳動物和細(xì)菌）的?10?余個基因引入酵母中實現(xiàn)了鴉片類藥物的人工合成。通過微生物細(xì)胞工廠合成植物來源的天然產(chǎn)物，其好處是微生物生長更快，單位時空內(nèi)產(chǎn)量更高，可以通過較小的發(fā)酵工廠代替大面積的農(nóng)業(yè)種植，大大降低生產(chǎn)成本。

從無到有的設(shè)計首先需要確定在底盤細(xì)胞中引入哪些外源基因才能打通該新產(chǎn)品的合成途徑。因此，需要將底盤細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)與代謝反應(yīng)數(shù)據(jù)庫（如?KEGG、MetaCyc?等）相結(jié)合，通過一定的計算方法找出需要在底盤細(xì)胞中引入的新反應(yīng)，形成新的途徑，以實現(xiàn)新產(chǎn)品的合成。例如，Zhang?等將?KEGG?反應(yīng)引入到大腸桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建了包含?7?316?個反應(yīng)的復(fù)合代謝網(wǎng)絡(luò)模型；基于該模型，以葡萄糖為底物進(jìn)行通量平衡分析發(fā)現(xiàn)，1?777?個異源產(chǎn)品可以通過在大腸桿菌中引入適當(dāng)外源反應(yīng)合成。這一研究為選擇合適外源基因構(gòu)建大腸桿菌的人工細(xì)胞工廠提供了指導(dǎo)。該方法還可以計算其他微生物為底盤時的結(jié)果，并通過比較分析確定針對某一特定產(chǎn)品的最優(yōu)底盤生物（需引入外源基因少，相應(yīng)前體合成能力強等）。Chatsurachai?等分別以大腸桿菌、谷氨酸棒桿菌和釀酒酵母為底盤細(xì)胞，通過逐級擴展算法將來源于?KEGG、BRENDA?和?ENZYME?3?個數(shù)據(jù)庫中的異源代謝物和反應(yīng)添加到?3?個菌株代謝模型中以合成新的產(chǎn)物。該擴展算法首先從數(shù)據(jù)庫中找出那些反應(yīng)物在（但產(chǎn)物不在）該菌株代謝網(wǎng)絡(luò)中的反應(yīng)，通過將這些反應(yīng)添加到模型中，使該模型可以生成那些新反應(yīng)中的產(chǎn)物。隨后在擴展的模型基礎(chǔ)上重復(fù)該新反應(yīng)添加過程，直到?jīng)]有新反應(yīng)可以添加。最終，針對每一個底盤細(xì)胞得到其可以合成的新產(chǎn)品列表及生成某一新產(chǎn)品需要引入的新反應(yīng)。作者通過該方法預(yù)測出大腸桿菌和釀酒酵母是?1,3-?丙二醇合成的可行宿主，并且只需要在這兩種株菌中引入甘油脫氫酶和?1,3-?丙二醇氧化還原酶便可實現(xiàn)產(chǎn)品合成。

上述方法均需基于特定代謝反應(yīng)數(shù)據(jù)庫擴展特定底盤細(xì)胞的代謝網(wǎng)絡(luò)，要合成的代謝物和相關(guān)反應(yīng)必須存在于數(shù)據(jù)庫中才能設(shè)計出相關(guān)途徑，而自然界中還存在許多未知的生化反應(yīng)并未包含在這些數(shù)據(jù)庫中。例如，很多酶，如醛縮酶等均具有廣譜催化活性，除了已知反應(yīng)外還可能催化其他代謝物的轉(zhuǎn)化。通過酶改造，構(gòu)建具有新催化活性的酶可以實現(xiàn)新的轉(zhuǎn)化過程獲得新的生物產(chǎn)品，甚至是合成出自然界不存在的全新生物分子。針對這一問題，人們提出了基于生化反應(yīng)規(guī)則和化合物結(jié)構(gòu)特征來設(shè)計新反應(yīng)的方法。例如，Hatzimanikatis?的研究組基于化學(xué)信息學(xué)，在?KEGG?數(shù)據(jù)庫中反應(yīng)的基礎(chǔ)上擴展酶反應(yīng)，創(chuàng)建了?ATLAS?數(shù)據(jù)庫，其中包含?13?萬多個在已知反應(yīng)基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)相似性設(shè)計得到的新生化反應(yīng)。利用該數(shù)據(jù)庫，他們設(shè)計了多條可以生成生物燃料丁酮的全新途徑，并對不同途徑的理論得率進(jìn)行了比較分析，以獲得最優(yōu)途徑。

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