陳龍泉

摘要：隨著DNA重組技術(shù)的日趨成熟，代謝工程得到了迅速發(fā)展，對(duì)微生物發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。本文對(duì)代謝工程中的關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：代謝工程 微生物發(fā)酵 代謝網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TQ2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5336（2013）10-0049-02

代謝工程是通過某些特定生化反應(yīng)修飾或者DNA重組技術(shù)以改善細(xì)胞的特性或合成新的產(chǎn)物。這一概念最先由瑞士的Bailey教授提出，是指利用DNA技術(shù)來調(diào)節(jié)酶活性、物質(zhì)運(yùn)輸和調(diào)節(jié)功能從而提高細(xì)胞的特定活性。Cameron等的定義則精煉一些，即用重組DNA技術(shù)有目的地改造細(xì)胞的中間代謝。

1 代謝工程應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)

目前的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品主要有可再生能源、大宗化學(xué)品和精細(xì)化合物三類，但是，在產(chǎn)品生產(chǎn)和開發(fā)過程中已經(jīng)遇到了一些不可逾越的障礙，比如工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)的大宗化學(xué)品數(shù)量的有限性；新型精細(xì)化合物的開發(fā)等等。代謝工程的研究可以有針對(duì)性的改造工業(yè)發(fā)酵菌種，使其可以高效的發(fā)酵生產(chǎn)目的產(chǎn)品，這點(diǎn)與微生物發(fā)酵工業(yè)研究的根本目的是相同的。隨著基因操作技術(shù)的成熟，代謝工程相對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)酵工業(yè)具有高效性和明確的目的性，因此發(fā)酵工程技術(shù)更能推動(dòng)發(fā)酵工業(yè)的長遠(yuǎn)快速發(fā)展。

由于大宗化學(xué)品和精細(xì)化合物的生產(chǎn)主要依賴于化工生產(chǎn)，利用微生物生產(chǎn)時(shí)生產(chǎn)成本就成為了主要的制約因素。因此發(fā)酵工業(yè)微生物最佳的生理特性是首先在厭氧、低pH、高溫等條件下生長速度仍然很快而且可以正常發(fā)酵，可以利用簡單的無機(jī)鹽培養(yǎng)基，底物多元化，而且能夠利用各種碳源，對(duì)各種來源的發(fā)酵培養(yǎng)基例如木質(zhì)纖維素的水解液的抗逆性好。目前生理機(jī)制、基因組和代謝網(wǎng)絡(luò)研究較透徹的微生物主要是大腸桿菌和酵母，因此代謝工程改造的目的菌現(xiàn)在也主要是針對(duì)這些模式微生物。但是這些模式微生物并不具備以上的理想的生理特性，隨著測序技術(shù)和相關(guān)蛋白組學(xué)、代謝網(wǎng)絡(luò)研究的技術(shù)日益成熟，可以考慮對(duì)篩選得到的具有較好生理特性的微生物經(jīng)過改造或者通過具有優(yōu)良發(fā)酵特性的多種微生物通過遺傳操作整合后應(yīng)用于發(fā)酵生產(chǎn)[1]。

同時(shí)，對(duì)自然界微生物的代謝途徑分析也使我們發(fā)現(xiàn)，為了適應(yīng)在自然界中的生存，使得微生物進(jìn)化出了多種多樣的代謝途徑。但是，這些多樣的代謝途徑，對(duì)于我們發(fā)酵工業(yè)來說，并不一定有利，目的產(chǎn)物的代謝途徑由于并非是單一的途徑而可能造成不必要的能量的浪費(fèi)以及前體和輔助因子的競爭。通過代謝工程技術(shù)和組學(xué)可以逐步改造或者制造某些微生物，敲除不是細(xì)胞生長必須的所有代謝途徑而使細(xì)胞可以在存活的前體下通過唯一的途徑大量產(chǎn)生目的產(chǎn)物，這將大大提高微生物發(fā)酵的產(chǎn)能。

2 代謝工程研究內(nèi)容

代謝工程實(shí)質(zhì)是通過整合信息而對(duì)微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)定量分析后進(jìn)行代謝網(wǎng)絡(luò)的改造，目的是達(dá)到目的產(chǎn)物產(chǎn)率最大限度的提高。因此代謝工程的研究需要對(duì)微生物代謝網(wǎng)絡(luò)分流節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)解析，通過建立動(dòng)力學(xué)模型、示蹤實(shí)驗(yàn)等方法，達(dá)到對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝流的定量和定向評(píng)估[2]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)構(gòu)建，并進(jìn)一步通過相關(guān)代謝分析來檢驗(yàn)代謝網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，最終通過一系列的檢測分析和基因操作等手段，達(dá)到對(duì)細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)和代謝流的改造。

代謝工程的研究涉及化學(xué)計(jì)量學(xué)、數(shù)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、酶學(xué)、基因工程等各個(gè)領(lǐng)域，整合了各領(lǐng)域最新的研究成果，通過細(xì)胞水平闡述代謝節(jié)點(diǎn)、途徑、網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系以及代謝的流向和調(diào)控機(jī)制再通過基因工程等手段改造和優(yōu)化細(xì)胞性能。

3 代謝工程的改造思路

代謝工程研究目的在于改造微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)，使工程菌株可以生產(chǎn)特定目的產(chǎn)物或過量生產(chǎn)某種產(chǎn)物的能力而應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。因此根據(jù)不同微生物的代謝特性，通常采用的思路主要有改造代謝途徑、擴(kuò)展代謝途徑和構(gòu)建新的代謝途徑三種[3]。代謝途徑的改造可以通過加速限速反應(yīng)、改變分支代謝途徑流向、構(gòu)建代謝旁路、改造能量的代謝途徑等多種方法實(shí)現(xiàn)；擴(kuò)展代謝途徑是通過在宿主菌中克隆和表達(dá)特定的外源基因延伸代謝途徑以生產(chǎn)新的代謝產(chǎn)物或者提高特定產(chǎn)物的產(chǎn)率[4]；而轉(zhuǎn)移、構(gòu)建新的代謝途徑可通過先鑒定再整合串聯(lián)克隆目的產(chǎn)物合成途徑中的一個(gè)或者多個(gè)關(guān)鍵酶基因，從而人為制造目標(biāo)產(chǎn)品的合成途徑。

4 展望

伴隨著遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程、細(xì)胞生物學(xué)、各種組學(xué)等多個(gè)生物學(xué)科的發(fā)展、以及計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、分析檢測技術(shù)等外源學(xué)科的應(yīng)用，代謝工程必將得到長遠(yuǎn)發(fā)展。代謝工程的實(shí)質(zhì)是目的性極強(qiáng)的理性改造微生物的學(xué)科，隨著對(duì)越來越多微生物基因組信息的破解以及基因功能分析技術(shù)的日趨完善，這種有目的的理性改造更具可行性?？傊?，代謝工程作為一門日趨完善的技術(shù)，伴隨著現(xiàn)今系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)的迅速發(fā)展，微生物發(fā)酵工業(yè)將由于代謝工程的應(yīng)用而迎來新的輝煌。

參考文獻(xiàn)

[1]張學(xué)禮.代謝工程發(fā)展20年.生物工程學(xué)報(bào)，2009，25（9）：1285-1295.

[2]花強(qiáng)，楊琛.代謝流量比率分析及其在代謝工程中的應(yīng)用. 生物工程學(xué)報(bào)，2009，25（9）：1303-1311.

[3]張蓓.代謝工程.天津：天津大學(xué)出版社，2003.

[4]Zhang K，Sawaya MR，Eisenberg DS，et al.Expanding metabolism for biosynthesis of nonnatural alcohols. Proc Natl Acad Sci USA，2008，105（52）：20653-20658.