食品生物技术：代谢工程的未来展望

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：然而目前能工业化发酵生产的大宗化学品数量还非常有限，很有必要继续开发生产新型大宗化学品的代谢工程菌，全方位地使生物制造技术代替传统的化工制造技术。3-羟基丙酸/丙烯酸、二羟基酸类、天冬氨酸、糖醇类、1，2-丙二醇、1，4-丁二醇的代谢工程菌改造有希望在短期内取得重大突破。目前用于代谢工程改造和发酵生产的主要是一些模式微生物，如大肠杆菌和酿酒酵母。

代谢工程和微生物发酵工业要解决的根本问题是：如何有效地改造微生物菌种，使其高效地发酵生产各种可再生能源和化合物。

（一）发酵产品

代谢工程研究的第一步是先确定要发酵生产什么产品。微生物发酵产品主要分为3大类：可再生能源、大宗化学品（和生物材料）、精细化合物。可再生能源类目前研究的比较多的是纤维素乙醇、生物柴油、丁醇，然而目前的生物能源有着很多缺陷，很有必要开发品质高、原材料丰富的下一代生物能源，如长链醇、油酯和碳氢化合物。大宗化学品类研究比较多的是柠檬酸、溶剂、乳酸、聚羟基烷酸、1，3-丙二醇、丁二酸以及这些化学品聚合生产的生物材料（如生物塑料、生物橡胶、生物纤维）。然而目前能工业化发酵生产的大宗化学品数量还非常有限，很有必要继续开发生产新型大宗化学品的代谢工程菌，全方位地使生物制造技术代替传统的化工制造技术。3-羟基丙酸/丙烯酸、二羟基酸类、天冬氨酸、糖醇类、1，2-丙二醇、1，4-丁二醇的代谢工程菌改造有希望在短期内取得重大突破。精细化合物研究比较多的是氨基酸、核酸、类异戊二烯化合物，如青蒿素（Artemisinin）、类胡萝卜素（Carotenoids）、番茄红素（Lycopene）、甾醇（Sterols）、紫杉醇。虽然大部分氨基酸都能通过发酵法和酶法生产，但甲硫氨酸（需求量第三，全球市场每年23亿美元）目前还主要靠化学法制造，很有必要研究其发酵生产的代谢工程菌。其他精细化合物如ω-3脂肪酸、辅酶Q10、芳香族化合物等也具有很大开发潜力。

（二）发酵菌种

在确定了发酵生产的目标后，下一步的关键问题是选用什么菌种进行代谢工程改造和发酵。对于可再生能源和大宗化学品，由于需要直接和化工产品竞争，发酵生产最重要的因素是生产成本，因此所选用的微生物菌种最好能具备以下的生理特性：厌氧生长速度快；能利用简单无机盐培养基；能利用多种底物（尤其是六碳糖、五碳糖和甘油）；能同步利用五碳糖和六碳糖；对木质纤维素水解液及目标产物有很好的抗逆性能；能在低pH、高温条件下生长发酵。目前用于代谢工程改造和发酵生产的主要是一些模式微生物，如大肠杆菌和酿酒酵母。它们的生理和遗传机制、基因组信息、代谢网络模型都研究得比较透彻，但其并不具备上述的重要发酵生理性能。将来有必要分离筛选一些新型的具有较好生理性能的工业微生物菌种，鉴定其生理性能的遗传机制并转移至其他工业发酵菌种中。与此同时，随着基因组测序技术和组学技术的日益成熟，对新型微生物的代谢网络研究也会越来越普及。再结合有效的遗传操作技术，新型的微生物菌种也可以被直接改造用于发酵生产。

从自然进化的角度看，自然环境下的微生物菌种存在的最大目的是为了自身生存，绝大部分微生物都进化出非常丰富的代谢途径以维持其细胞生长代谢和适应环境条件。然而从微生物发酵制造的角度看，丰富多样的代谢途径却是细胞高效生产目标产物的负担，这些途径额外消耗细胞代谢的能量，和产物竞争各种代谢物前体和辅助因子。如果能够改造或是人工合成微生物，使它们仅仅执行细胞生长和生产单一目标产物的目的，必然会大大提高微生物发酵生产的能力。各种微生物基因组序列的大量发掘以及系统生物学技术的大量开发使得这一设想很有可能实现。一方面可以通过对现有模式微生物进行改造，最大限度地敲除掉不必需的基因；另一方面，运用合成生物学技术，可以人工设计并重新合成出维持细胞生长和生产单一目标产物的微生物基因组。

（三）代谢工程改造策略(www.chuimin.cn)

在确定了生产产品和发酵菌种后，接下来的任务就是如何改造微生物菌种，提高其发酵能力。目前微生物发酵生产所面临的主要难题有3点：

（1）发酵生产的效率低、产量低，生产成本高　这部分要解决的关键问题是：如何优化目标产物合成途径，提高微生物发酵的速率及产率，从而降低发酵生产成本，实现工业化大规模生产。系统生物学技术在解决这一问题时发挥重要作用。各种高通量组学分析技术已经比较成熟，随着技术的标准化和分析成本的降低，将来应该会广泛用于反向代谢工程，高效快速地鉴定出微生物菌种发酵能力提高的遗传机制。新型微生物基因芯片的制备、蛋白质图谱中各蛋白质位点的鉴定方法、更加精密准确的代谢物分析鉴定技术的发展也会进一步推动分析能力的提高。目前的代谢网络模型一定程度上可以预测细胞生理属性以及遗传改变或环境扰动后细胞的代谢应答。然而由于还没有结合动态的代谢变化，所以其指导改造代谢途径，提高细胞发酵水平的能力还非常有限。将来代谢网络模型的发展必然要整合入各种条件下的动态代谢变化和各种调控因素，从而使模型更加真实有效。另外，代谢组学和通量组学分析技术的结合使用，能进一步帮助优化代谢网络模型，指导如何去优化目标产物合成途径。

（2）微生物本身并不具有一些精细化合物的合成途径　这部分要解决的关键问题是：如何鉴定、克隆精细化合物合成途径中的各个关键酶基因，并整合串联从而制造出目标产品的合成途径。合成生物学技术在解决这一问题时必然将发挥至关重要的作用。标准生物部件数据库、功能基因（酶）资源库、合成代谢途径数据库的建立将是拓展微生物合成途径的重要基础。在此基础上，建立标准化模式化的组装技术，用以调控优化合成途径中各个基因的合理协同表达，使代谢通量最大限度地流入目标产物的生产，从而使合成途径的效率达到最大。

（3）高效的微生物菌株除了需要有优化的合成途径外，还需要具备适合工业发酵的最佳生理性能　目前比较有效的提高微生物工业发酵生理性能的工具主要有进化代谢技术和全局扰动技术，但仍不够完善。将来一方面需要分离筛选出具有这些重要生理性能的新型微生物菌种；另一方面则要开发改善细胞生理性能的新技术方法。结合系统生物学技术，进一步探讨特殊生理性能的遗传机制，从而将这些生理性能转移至已有的工业微生物菌株中。

工业生物制造技术是一种可再生的、环境友好、节能减排的先进技术，微生物发酵则是其中的重中之重。代谢工程的发展虽然只有20多年，却极大地推动了微生物发酵工业的发展，既降低了微生物发酵的生产成本，又拓展了发酵产品的多样性，使其在和石油化工制造技术的竞争中在局部占据了上风。随着系统生物学和合成生物学等新技术的迅速发展，代谢工程和微生物发酵工业在不久的将来会取得新的辉煌。

食品生物技术：代谢工程的未来展望

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