食品生物技术：代谢工程进展

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：将这些系统生物学技术和传统代谢工程以及下游发酵工艺优化相互结合，科学家们进一步提出了系统代谢工程的概念。合成生物学和传统的代谢工程用于微生物发酵生产时，目的是一样的，区别在于所使用的方法。

（一）系统代谢工程（Systems metabolic engineering）

传统代谢工程只是对局部的代谢网络进行分析以及对局部的代谢途径进行改造。由于其还没有真正从全局的角度分析改造细胞，所以具有很大的局限性。高通量组学分析技术和基因组水平代谢网络模型构建等一系列系统生物学技术的开发能够从系统水平上分析细胞的代谢功能。将这些系统生物学技术和传统代谢工程以及下游发酵工艺优化相互结合，科学家们进一步提出了系统代谢工程的概念。典型系统代谢工程的策略分为3轮步骤。①构建起始工程菌。这一阶段和前面提及的传统代谢工程策略类似：通过分析局部代谢网络结构对局部代谢途径进行改造（如通过敲除竞争途径减少副产物的生产）、优化细胞生理性能（如解除产物毒性和反馈抑制效应）等。②基因组水平系统分析和计算机模拟代谢分析。如前所述，各种高通量组学分析技术的联合使用能有效地鉴定出提高细胞发酵生产能力的新靶点基因和靶点途径。与此同时，通过使用基因组水平代谢网络模型也可以模拟分析出一些新的靶点基因。需要强调的是，这两种系统分析方法鉴定出的靶点基因很多都与局部代谢途径不相关，用传统的代谢分析不可能鉴定出来。③工业水平发酵过程的优化。第一轮和第二轮的微生物发酵都是在实验室条件下进行的，发酵性能和大规模工业发酵相比有很多差异。规模扩大后经常会伴随高浓度的副产物产生，因此还需要再进行下一轮代谢工程改造来优化菌种发酵能力。另外，还需要通过进化代谢工程来进一步提高细胞发酵的产率、速率和终浓度，以达到工业发酵的要求。

（二）合成生物学（Synthetic biology）(https://www.chuimin.cn)

合成生物学是以工程学理论为依据，设计和合成新的生物元件，或是设计改造已经存在的生物系统。这些设计和合成的核心元件（如酶、基因电路、代谢途径等）具有特定的操作标准；小分子生物元件可以组装成大的整合系统，从而解决各种特殊问题，如可再生生物能源和化合物的生产、药物前体合成、基因治疗等。合成生物学和传统的代谢工程用于微生物发酵生产时，目的是一样的，区别在于所使用的方法。传统的代谢工程是从整体出发，先研究微生物的代谢网络，分析控制代谢通量分布的调控节点，再在关键节点处进行遗传改造，从而改变细胞的代谢网络和代谢通量分布；合成生物学则是从最基本的生物元件出发，按照标准的模式和程序，将生物元件一步步地组装，整合成一个完整的系统（化合物的合成代谢途径）。合成生物学技术在微生物改造应用中有如下几点优势：①能减少遗传改造的时间、提高改造的可预测性和可靠性；②能创建有用、可预测、可重复使用的生物部件，如表达调控系统、环境应答感应器等；③能有效地将多个生物部件组装成具有功能的装置。

近些年来，已有一些运用合成生物学改造微生物生产化合物的成功案例，其中最具代表性的是Keasling研究小组关于抗疟疾药物前体青蒿酸的生产。该研究小组依次设计合成了甲羟戊酸（Mevalonate）途径、紫穗槐二烯（amorphadiene）合成酶、细胞色素P450单加氧酶，并将其在酿酒酵母中组装成一条高效合成青蒿酸的代谢途径，使最终的青蒿酸产量达到300mg/L。该技术思路同时也用于合成其他类异戊二烯（Isoprenoid）化合物作为新型生物能源。

食品生物技术：代谢工程进展

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