按需设计化学品
代谢工程可设计出化学生产专用分子、细胞和微生物
发布日期：2011-02-02 来源：科技日报 我要评论(0)
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本报记者 常丽君 刘霞 综合外电
今日视点
据美国每日科学网站日前报道，人工生物学研究的先驱、代谢工程专家杰伊·科斯林大胆预测：未来我们能够使用随手可得的、便宜的淀粉、蔗糖等设计和制造出一些可用来制备特殊化学产品的分子、细胞和微生物；代谢工程也将后来居上，超过并取代现在科学家用来制造药品、塑料等的有机合成化学，成为化学工业的支柱。
代谢工程：改造细胞的代谢途径
代谢工程是基因工程的延伸，即利用基因工程技术定向改造细胞的代谢途径，以改善产物的形成和细胞的性能。基因工程通常只涉及少量基因的改造，比如将编码某种蛋白药物的单一基因转入酵母，然后用该酵母发酵生产该药物。但是，代谢工程会涉及大幅度的基因改变，比如，要在大肠杆菌中生产某种代谢产物如紫杉醇（尚在研究阶段），就必须把一系列相关途径的酶的基因全部导入大肠杆菌，并且敲除不必要和有害的大肠杆菌中原本就有的代谢通路，以构建出一整套大肠杆菌中原本没有的紫杉醇的代谢途径，使大肠杆菌能够生产紫杉醇。
科斯林是美国能源部下属的联合生物能源研究所（JBEI，美国能源部资助的三个生物能源研究中心中的一个，主要目的是推进下一代生物燃料的研发工作）的首席执行官；他也负责美国劳伦斯伯克利国家实验室的生物科学研究项目；另外，他还是加州大学伯克利分校合成生物工程研究中心的负责人。
科斯林表示，科学家可以通过将酶或不同宿主产生的代谢路径结合进单个微生物中，同时通过对酶进行基因修改让其具有新的功能来制造非天然的特殊化学物质、散装化学物质和燃料。代谢工程未来的目标包括设计出能够专门用于制造某些化学品和生产过程的分子和细胞。
代谢工程产生青蒿酸
在一篇发表于去年12月3日出版的《科学》杂志的论文中，科斯林认为，作为现代生物技术主要的技术手段之一，代谢工程在使用微生物生产化学物质方面大有潜力，目前，这些化学物质主要由不可再生的能源或有限的自然资源来生产。
2006年，科斯林在《自然》杂志撰文指出，他和同事成功地使用代谢工程，用转基因酵母合成了青蒿素的前体物质青蒿酸，新突破有望大幅增加青蒿素的产量，降低治疗疟疾的费用。此前，该小组曾将青蒿的一个基因植入大肠杆菌，利用细菌的生物合成过程获得了一些中间物质，但这些物质还需要几步反应才能生成青蒿酸。在最新研究中，研究人员在青蒿里发现了一种与青蒿酸合成有关的新酶，将制造这种酶的基因植入酿酒酵母后，酵母制造出了青蒿酸。
在研究过程中，科斯林教授领导的小组还对有关代谢途径作了重新设计，解决了天然或非天然代谢物大量积累对寄主的毒性问题，并对改造后的微生物用变异进化法进行优化筛选，最终将青蒿素合成的成本降低了10倍。
此外，2008年，美国莱斯大学科学家报告称，他们可以利用大肠杆菌发酵生产具有较高市场价值的甘油。以前的研究一直认为，在代谢途径中可以产生1,3-丙二醇的细菌就可以发酵甘油，然而无论是大肠杆菌还是酵母菌都不能产生1,3-丙二醇。新研究揭示了以前未知的一条甘油发酵代谢途径，利用与1,3-丙二醇类似的1,2-丙二醇来发酵甘油，而1,2-丙二醇可由大肠杆菌发酵产生。
借助代谢工程，用清洁环保、可再生生物燃料取代汽油和其他交通燃料也大有可能。目前，他和其在JBEI的研究团队正在将代谢工程和有机合成化学方法结合起来，用木质纤维素类生物质人工合成液态交通燃料。
制备散装化学材料
科斯林表示：“未来，代谢工程学将让有机合成化学相形见绌。”
他以制备药物成分为例，在该领域，代谢工程的优势明显胜过有机合成化学。其中包括三类特定的化学物质——主要来源于植物的生物碱、由不同细菌和真菌制造的聚酮化合物以及一般也由细菌制造的非核糖体多肽。
科斯林认为，或许，未来代谢工程学最好的机会将是用于制造以石油为原料的散装化学物质，包括汽油和其他燃料、聚合物以及溶剂等。因为这样的产品能够通过对石油进行催化而得到，所以，到现在为止，一直很少有人使用微生物来制备这些产品。但随着油价飙升，以及考虑到资源紧缺和气候变化等因素，现在这种情况已经发生了变化。
他表示，现在，借助代谢工程，人们可以使用成本低廉的淀粉、蔗糖或使用微生物作催化剂的纤维素生物质等原材料来制造这些化学物质。关键是，在代谢机制被修改过的细胞内制造出的这些化学物质，是目前产品所需要的准确分子，而不是一些“相同但更环保”、在使用之前还需经过广泛测试的产品。
面临的障碍
在其发表于《科学》杂志的论文中，科斯林也提到了未来用新陈代谢工程学定制生产出微生物和分子所面临的强大障碍，其中包括需要“调试程序”——发现和修复经过新陈代谢工程处理后的细胞中出现的错误。
然而，他确信，这些障碍能够也必将被克服。“我们能够预见，在未来的某一天，不同的公司都能够参与到细胞的制造过程中，每一家公司只专注于其中的一个方面，比如，有的公司构建染色体；有的公司组建细胞膜和细胞壁；有的公司则用激活细胞所需要的基本分子来填充细胞壁。”
