細(xì)胞工廠操作系統(tǒng) 圖片來源：百度圖片
自然微生物能生產(chǎn)的化學(xué)品種類很少，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)化的兩個關(guān)鍵技術(shù)問題。
生物制造瓶頸
石油資源是目前運輸燃料和整個化工產(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)的化工煉制是一個高能耗、高污染的過程。
而從另一個角度看，天然產(chǎn)物在藥物開發(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、抗氧化防衰老等功效，一直是新藥來源的重要組成部分。
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，植物生長周期長、產(chǎn)物含量低，導(dǎo)致這種生產(chǎn)方式對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，對于保障社會經(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)化的兩個關(guān)鍵技術(shù)問題。
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。通過以下四個方面的改造，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：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，通過計算機模擬設(shè)計，可以將不同的生化反應(yīng)組裝到一個細(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)計出目標(biāo)化學(xué)品的最優(yōu)合成途徑，使其合成過程中能量供給充足、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。通過計算機模擬設(shè)計，可以人工合成出一個全新的蛋白，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。
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)）擴增方法周期長，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)顯著降低了合成時間、合成成本和錯誤率；單個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)和翻譯問題。另外，標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)元件和調(diào)控元件文庫，如啟動子、核糖體結(jié)合位點和信使RNA穩(wěn)定區(qū)文庫，為合成途徑的創(chuàng)建提供了堅實的物質(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候不僅僅只受限于某個單一的限速反應(yīng)步驟，而且需要多個酶的協(xié)同平衡。基于標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)控元件文庫，可以對合成途徑各個基因的表達(dá)進(jìn)行精確調(diào)控，從而獲得多個基因協(xié)調(diào)表達(dá)的狀態(tài)。多重基因組自動改造技術(shù)則可以同時對染色體上的多個基因進(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，通過人工合成的蛋白骨架，既可以使合成途徑相鄰的兩個酶聚集在物理空間比較近的區(qū)域，提高兩個生化反應(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)閷嶋H生產(chǎn)可用的細(xì)胞工廠。進(jìn)化代謝和全局?jǐn)_動等技術(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制，并可用于新一輪細(xì)胞工廠的構(gòu)建。
產(chǎn)業(yè)化初見成效
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)胞工廠也被成功開發(fā)。在大宗化學(xué)品方面，科學(xué)家們成功開發(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。其必將極大地推動石油化工制造和藥物生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)升級，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展作出巨大的貢獻(xiàn)。
（作者系中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員）
