Cell：细胞工厂——代谢工程改造

　　2016年3月17日讯 人类利用微生物发酵来生产食物和饮料的历史可追溯至8000年前。近现代以来，微生物发酵产生的化学物质得到了广泛的应用。上个世纪20年代，人们开始利用丝状真菌黑曲霉发酵生产柠檬酸，一种食品和饮料的原料。

　　二战期间，同样的技术被用来工业化规模生产盘尼西林，这是利用发酵生产的第一个药物。现如今，利用"细胞工厂"来大批量生产药用重组蛋白已成为主流。市面上有超过300个生物医药用的蛋白和抗体，市值超过1000亿美元。

　　代谢工程是在微生物发酵的基础上发展而来的。它是将细胞原有的代谢过程加以改造，目的是加强某些天然代谢产物的含量，或者是赋予细胞生产新的代谢产物的能力。它的潜在应用十分广泛，包括生产燃料、食物、饲料和药物等等。不过，想将细胞改造成高效的"工厂"并不容易，因为细胞进化出了的严密的代谢网络，这其中的分子通路错综复杂，同时受着严密的调控。以现有的知识甚至无法解释清楚简单的细胞模型中代谢是如何被调控的。这也解释了为什么尽管有先进的系统和合成生物学技术来表征细胞表型和基因编辑，开发满足经济需求的工业规模生产的新的"细胞工厂"仍然是个不小的挑战。

　　尽管代谢工程在优化现有生物过程中有所应用。更多的关注集中在开发新的生物过程。

　　这个过程中所面临的挑战主要在开发新的生物过程的路线，改善菌株的表现以及代谢的"蝴蝶结"结构。

　　当确定了感兴趣的化合物之后，要确定这种化合物的生产菌株或者细胞。有些时候，当没有这种分子的天然生产者的情况下，需要将这一生物合成路径转入到异源表达的宿主中，如果参与这一过程中的酶没有被完全证实，那么找到这些酶就成为了代谢工程项目的一部分。

　　从最初的验证原理的菌株到最后获得可以商业化生产的"细胞工厂"还有很长一段路。需要经历几轮的菌株构建和表型鉴定。大多数用以工业生产的菌株需要经过大量的遗传修饰，不仅包括感兴趣的通路，还包括一些改变代谢流方向的通路。大量新技术的产生可能会改变这种现状，减少在菌株开发方面花费的时间和费用。

　　代谢是所有活细胞最保守的特性之一，已经进化形成"蝴蝶结"结构。所有的碳和能量来源通过中心碳代谢通路转化为12个代谢物前体，用以合成细胞成分和天然产物。为了平衡这些代谢物前体的利用，细胞进化出了不同水平的严密调控方式，尤其是控制细胞生长，稳态和维持所需的氨基酸、脂肪核酸和糖的合成。这些严密调控使得重定向代谢朝向感兴趣的分子变得尤为困难。

　　代谢工程所面临的挑战促进了一些优化的原则和工具的产生。例如平台菌株的应用，平台菌株是指那些能够生成有价值的中间产物的菌株可以通过额外的修饰来生产其他具有相同中间产物的产品。一些遗传学工具的使用，如敲低，如CRISPER/Cas9系统的应用促进了代谢工程的发展。适应性的实验室进化和高通量筛选同样促进了目标分子的生产。

　　代谢的工程改造和其他系统一样涉及四个独立的模块：设计（D），建立（B），测试（T）和学习（L）。尽管这些步骤目前只能在实验室里进行，而且一轮DBLT循环需要花费几个月的时间。我们期待着未来代谢工程会像电子工程一样，周转期只有几天到几周。也许这个目标的实现还需一段时间，新技术的应用一定会显著减少DBTL循环的时间。