“细胞工厂”——未来主流的生产工厂？

引言

结合微生物强大且多样的生化反应网络，再对微生物的代谢路径进行重塑和工程化，可以将其改造为以低价值、可再生的资源为原料生产各类产品的细胞工厂，这是生物制造的核心环节。

细胞工厂可以说是真实存在的，也能被认为是虚拟概念，它的功能与我们平常所熟知的“工厂”一样，能够生产工业化学品，具有不同生产阶段的“车间”，如微生物的细胞器等；但细胞工厂的本质又区别于“工厂”，有时可能只是一类微生物，并不具备完善的流水线工程。

细胞工厂的设计通常是以产品的高效生产为理念，并在此过程中是遵循以下五大准则[1]：

(ⅰ) 构建一条由原料到产品的最优合成途径；

(ⅱ) 平衡代谢途径中每步反应的代谢流，使该途径代谢通量远高于细胞基础代谢；

(ⅲ) 足量地供应合成途径的前体，多个前体根据需要调整供应比例；

(ⅳ) 酶促反应往往有各种辅因子的参与，顺畅的代谢通路需要平衡或者再生各种辅因子；

(ⅴ) 通过遗传改造或者工艺改进解除产物和代谢中间体的反馈抑制，以获取更高的产量。

除此之外，构建细胞工厂还需要许多合成生物学领域的技术支撑：

(ⅰ) 基因组编辑技术：基因组编辑技术是细胞工厂代谢途径构建及优化的重要技术，即基因表达强度调控、基因整合、基因敲除等。

(ⅱ) 多基因同时调控技术：通常情况下，产物合成的效率并不是单一因素的影响的，而是在多重因素的共同作用下对其进行调控。

(ⅲ) 基因动态调控技术：根据选定的某种细胞体内代谢信号自动调节特定基因的表达，从而维持代谢途径的动态平衡，达到提高产品合成能力的目标。

(ⅳ) 蛋白骨架技术：通过人工合成的蛋白骨架，使酶以特定位置和序列附着在骨架上，可以控制代谢途径中酶的空间位置，从而使合成途径相邻的酶聚集在物理空间比较近的区域，使底物和酶距离接近，提高生化反应的速率。

(ⅴ) 高通量筛选技术：使用各种高通量组学分析技术可以解析细胞性能提升的遗传机制，并可用于新一轮细胞工厂的构建。

如何以一种可持续、绿色清洁的方式生产燃料、大宗化学品和天然产物对于维持社会经济的可持续发展至关重要。生物质是一种可再生的清洁资源，通过生物制造技术，可以被转化为燃料、大宗化学品和天然产物，从而部分替代石油化工炼制和植物提取。生物制造的核心技术是构建高效的微生物细胞工厂，将生物质原材料转化为各种终端产品。

传统的燃料化学品主要是乙醇和丁醇，但随着合成生物学技术的发展，许多新型燃料化学品被开发出来，主要包括长链醇( 丙醇、正丁醇、异丁醇、异戊醇)、脂肪酸酯、脂肪醇、烷烃、烯烃等。其中异丁醇是目前较为火热的一种生物燃料。

▲  部分长链醇的合成途径

Liao[2]研究小组开发了一种生产异丁醇的细胞工厂，利用基因组编辑等技术先在工程菌体内引入了所需酶类的基因，创建出异丁醇合成途径；在此基础上，Liao等人又将工程菌体内与异丁醇合成途径有竞争关系的基因敲除，以此来提高异丁醇合成的效率，得到了更多产量的异丁醇。

随着合成生物学技术的发展，科学家们已经成功开发出一系列的细胞工厂用于生产大宗化学品，如乳酸、异丁烯、木糖醇、己二酸等。同时在研究人员的不断努力下，创建出了以往不存在相应合成途径的的大宗类化学品的细胞工厂，其中一个典型代表就是聚乳酸。

聚乳酸是一种潜力很大的生物可降解性塑料。在自然界中不存在生物催化乳酸合成聚乳酸的途径，以往只能通过化学合成的方式获得。科研人员[3]通过对酶反应的底物和化学反应类型的分析，发现了不同菌种代谢产物之间的联系，并利用多基因同时调控等技术创建了一个新型的细胞工厂，最终成功以生物合成的方式生产出了聚乳酸。

在自然界中天然存在的天然产物是与细胞工厂最为契合的一种化学品，尤其是植物提取物。从药用植物中提取的天然产物具有巨大的应用潜力和市场前景，被广泛应用于医疗健康和化妆品领域，如抗疟疾药物青蒿素、抗衰老产品胡萝卜素等。不论是提取技术的困难还是化合技术的污染，都在突出生物合成天然产物的重要性，因此，建立合成天然产物的细胞工厂是大势所趋。

抗氧化类天然产物一直是科学家们研究的热点，这类化合物的人工细胞工厂构建有较长的研究历史，以白藜芦醇为例，最近Lim等[4]利用来源于葡萄中的白藜芦醇合酶(STS)基因和来源于拟南芥中的4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL) 基因共同引入大肠杆菌中，通过基因动态调控等技术构建了以对香豆酸为底物生产白藜芦醇的细胞工厂，得到了较高产量的产品。

细胞工厂现有的发展多是基于自然界中已有生物合成途径的化学品，而绝大部分化学品是没有天然生物合成途径的，这虽然给生物制造产业发展带来了极大地挑战，但也彰显了细胞工厂美好的应用前景。简单来说，构建高效的微生物细胞工厂，能够极大地提升目前工业微生物的发酵能力，提高其生理性能，既可以降低微生物发酵的生产成本，又能拓展发酵产品的多样性。

[1] 刘波,陶勇.生物制造"细胞工厂"的设计与组装[J].生物工程学报, 2019, Vol.35Issue(10):1942-1954.

[2] 戴住波, 朱欣娜, 张学礼. 合成生物学在微生物细胞工厂构建中的应用[J]. 生命科学, 2013(10):4-12.

[3] Yang TH, Kim TW, Kang HO, et al.Biosynthesis of polylactic acid and its copolymers using evolved propionate CoAtransferase and PHA synthase. Biotechnol Bioeng, 2010, 105(1): 150-60

[4] Lim CG, Fowler ZL, Hueller T, et al.High-yield resveratrol production in engineered Escherichia coli.Appl EnvironMicrobiol, 2011, 77(10): 3451-60

封面图源：网络

（文章内容源于相关研究资料的整理，若有不足之处，欢迎指正）