“代谢驱动力”助力化学品高效生物合成

伴随着合成生物学的快速发展，越来越多的代谢调控策略被应用于化学品的高效合成，例如蛋白质改造、群体感应、RNA干扰以及生长偶联等。

近年来，“代谢驱动力”助力化学品高效生物合成已经成为新的研究热点，并展现出巨大的发展潜力。

国际著名顶刊《Nature Communications》在2019年发表的题为“Targeting metabolic driving and intermediate influx in lysine catabolism for high-level glutarate production”的研究论文充分证明了“代谢驱动力”的存在，并实现了戊二酸的高效生物合成。

如图1所示，文章作者利用大肠杆菌天然赖氨酸分解代谢机制生物合成戊二酸，在不引入外源基因的情况下，通过5重驱动力：

1) 谷氨酸和α-酮戊二酸的循环再生；

2) NAD(P)+和NAD(P)H的循环再生；

3)赖氨酸反馈抑制的解除；

4) 转运蛋白促进中间体再回收利用；

5) 增加前体草酰乙酸的供应，以产生强大的代谢驱动力，从而助力戊二酸的高效合成。

此外，如表1所示，该研究还通过逐步释放驱动力，证明了由于驱动力的强大驱动作用，生产途径越长，反而代谢通量越高。最终，在补料分批条件下，戊二酸的产量达到54.5 g/L。

在另一个例子中，国际期刊《Biotechnology and Bioengineering》于2020年发表的题为“Synergetic utilization of glucose and glycerol for efficient myo-inositol biosynthesis”的研究论文通过人工设计一种生长驱动力，实现了76 g/L的肌醇生物合成。

如图2所示，在该研究中，一种甘油和葡萄糖协同利用的生长偶联策略被设计。其中，甘油被用于细胞的生长，葡萄糖被用于肌醇的合成。该研究将磷酸烯醇式丙酮酸PEP到丙酮酸PYR（TCA循环所必须）的代谢路径阻断，导致细胞生长停滞。当细胞利用葡萄糖生产肌醇时，大量的PEP才能被转化为PYR，从而恢复细胞的生长。也就是说，只有当肌醇产量越高时细胞生长才能越好，而反过来，甘油代谢中积累的大量PEP也将促进细胞将葡萄糖转化为肌醇。这种生长驱动力的存在，最终导致了肌醇的高效生物合成，96小时内达到76 g/L的产量（如图3所示），为目前所报道的最高产量。

驱动力对于高效生物合成目标化合物是至关重要的，可以以推力(例如增加前体供应)、拉力(例如排出最终产物)或内部循环力(例如辅底物、辅因子以及氧化还原力平衡)等形式存在。除了以上例子外，在厌氧条件下，NAD(P)H经常用作内部循环泵，用于生产乳酸、琥珀酸、乙醇和1-丁醇。而在有氧条件下，过表达关键的途径中酶和促进产物外排通常被用作驱动力。此外，在阿魏酸、褪黑素、氧合紫杉烷、白藜芦醇等高附加值化学品生物合成过程中，代谢驱动力的存在都极大的促进了产量的提升。

代谢驱动力的深入研究以及广泛应用，不仅是合成生物学领域的一大进步，更将为工业化规模生产更多化学品带来希望。

原文链接1：https://wwwnature.53yu.com/articles/s41467-019-11289-4.

原文链接2：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/bit.27263.