裝上“動(dòng)力引擎”，“細(xì)胞工廠”變得更高效

微生物具備強(qiáng)大而多樣的生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，隨著合成生物學(xué)的快速發(fā)展，其有望成為利用可再生資源為原料生產(chǎn)各類高附加值產(chǎn)品的“細(xì)胞微工廠”。

如何讓微生物這一“細(xì)胞微工廠”變得更加高效？

近日，一項(xiàng)發(fā)表于《自然·代謝》的研究，首次對(duì)微生物酵母的能量代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了重構(gòu)，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了合成的能量系統(tǒng)，即細(xì)胞的“動(dòng)力引擎”。合成的能量系統(tǒng)不僅可以提供能量動(dòng)力，支撐細(xì)胞生長(zhǎng)，同時(shí)還可以助力“細(xì)胞微工廠”產(chǎn)品的高效合成。

該研究由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所于濤實(shí)驗(yàn)室與瑞典查爾姆斯理工大學(xué)延斯·尼爾森（Jens Nielsen）實(shí)驗(yàn)室共同合作完成，于濤研究員為第一作者兼共同通訊作者。

合成能量系統(tǒng)支撐細(xì)胞生產(chǎn)

微生物作為“細(xì)胞工廠”，與我們平常所熟知的工廠一樣，具有不同生產(chǎn)階段的車間，即微生物的細(xì)胞器等。但細(xì)胞工廠的本質(zhì)又區(qū)別于一般的工廠。有時(shí)，細(xì)胞工廠可能只是由一類微生物組成，而并不具備完善的流水線工程。

雖然能量的充足供應(yīng)和平衡在細(xì)胞工廠的構(gòu)建中十分重要，但是以往科學(xué)家們往往僅從“工廠產(chǎn)品”的合成途徑方面進(jìn)行改造，而從能量代謝的角度對(duì)微生物進(jìn)行改造的研究比較少見。

細(xì)胞在合成生物大分子、構(gòu)建碳骨架等生長(zhǎng)過程中會(huì)消耗能量，還需要克服底物和生物量之間的還原度差異。對(duì)于脂質(zhì)等高價(jià)值的儲(chǔ)能化合物，其還原度遠(yuǎn)高于葡萄糖等底物，細(xì)胞往往需要額外的還原力和能量來合成這些化合物。

如何讓細(xì)胞既有能量進(jìn)行自我生長(zhǎng)，又有能量與足量還原力支撐高還原度化合物的合成？科研團(tuán)隊(duì)將看似無關(guān)的三個(gè)模塊通過合成生物學(xué)的理念整合在一起，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

在該研究中，團(tuán)隊(duì)通過相關(guān)設(shè)計(jì)，組合了磷酸戊糖循環(huán)、轉(zhuǎn)氫循環(huán)和外部呼吸鏈三個(gè)模塊，在酵母細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建了一個(gè)人工的合成能量系統(tǒng)。

首先，科研團(tuán)隊(duì)初步驗(yàn)證了其構(gòu)建的合成能量系統(tǒng)的碳流通量；然后，證實(shí)了該系統(tǒng)可以在細(xì)胞質(zhì)中積累過量的NADPH和NADH，支持細(xì)胞合成高還原性化學(xué)品琥珀酸與甘油等產(chǎn)物；最后，驗(yàn)證了該合成的能量系統(tǒng)可以代替線粒體中的TCA循環(huán)發(fā)揮作用，支持細(xì)胞生長(zhǎng)。

研究團(tuán)隊(duì)以人工合成的方式構(gòu)建的能量系統(tǒng)，不僅可以作為助力細(xì)胞自身生長(zhǎng)的“內(nèi)源發(fā)動(dòng)機(jī)”，也為細(xì)胞構(gòu)建了利于產(chǎn)物合成的“能量發(fā)動(dòng)機(jī)”，能同時(shí)支撐細(xì)胞生長(zhǎng)和高還原性化合物的生產(chǎn)。

助力可再生能源的生物儲(chǔ)能

脂肪酸可用于合成細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)。由于其能量密度高，脂肪酸及其衍生物被廣泛地應(yīng)用于重型機(jī)器與航空用油。相對(duì)于利用傳統(tǒng)化石能源，如果能通過生物合成脂肪酸，將在一定程度上改善能源的可再生程度。在此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的合成能量系統(tǒng)成功地改善了脂肪酸的糖轉(zhuǎn)化率。

該研究創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了一種新型胞質(zhì)合成還原代謝途徑的重構(gòu)，團(tuán)隊(duì)基于重復(fù)的單脫羧反應(yīng)創(chuàng)造了一個(gè)人工能量系統(tǒng)，使得細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中額外NADH的供應(yīng)與能量合成成為可能。該成果還證明了酵母細(xì)胞中樞代謝的可塑性和靈活性。

于濤表示，研究團(tuán)隊(duì)將會(huì)在現(xiàn)有合成能量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步深入研究，將合成的能量系統(tǒng)與CO_2、甲醇等低碳原子的生物代謝相結(jié)合，開發(fā)服務(wù)于可再生能源的生物儲(chǔ)能新技術(shù)。

（原載于《科技日?qǐng)?bào)》 2022-11-08 第06版 前沿）