微生物細胞工廠示意圖

微生物細胞工廠是指經(jīng)過基因組工程或代謝工程改造的微生物菌株，通常是細菌或酵母等單細胞生物。它們在實驗室中經(jīng)過人工精確設(shè)計和改造，使其具備特定的功能或產(chǎn)生特定的產(chǎn)物。科學(xué)家們通過定制化設(shè)計微生物，使其成為高效的生產(chǎn)工具，應(yīng)用于藥物生產(chǎn)、化學(xué)品合成、能源生產(chǎn)、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域。

微生物細胞工廠示意圖

構(gòu)建微生物細胞工廠不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以降低生產(chǎn)成本，為工業(yè)生產(chǎn)帶來革命性的變革。以下是微生物細胞工廠構(gòu)建的全流程：

1. 路線設(shè)計：根據(jù)期望獲得的功能或產(chǎn)物設(shè)計生產(chǎn)路線。

2. 底盤細胞選擇 ：確定需要改造的微生物，選擇一個性狀優(yōu)良的底盤細胞，也就是用于改造的宿主細胞。

3. 代謝途徑重建：通過設(shè)計、構(gòu)建、驗證策略來設(shè)計代謝途徑。新興基因編輯、合成工具加速生產(chǎn)宿主中代謝途徑的構(gòu)建。

4. 耐受性增強：對初次得到的菌種進行持續(xù)的篩選、優(yōu)化，通過理性或適應(yīng)性實驗室進化 （Adaptive laboratory evolution ,ALE）來增強菌種的耐受性。

5. 代謝通量優(yōu)化：運用DNA測序、基因合成與組裝及基因編輯等技術(shù)加速代謝通量和代謝載量的優(yōu)化，使目標(biāo)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率最大化。

6. 發(fā)酵：發(fā)酵過程與菌種開發(fā)同步進行 提供數(shù)據(jù)反饋 。

7. 產(chǎn)品回收和純化：根據(jù)產(chǎn)品特點選擇合適的純化路徑，并且優(yōu)化純化條件。

8. 放大：根據(jù)回收和純化的數(shù)據(jù)對代謝通量進行反復(fù)優(yōu)化，以實現(xiàn)從實驗室規(guī)模到商業(yè)化生產(chǎn)的放大。

Systems Metabolic Engineering Strategies: Integrating Systems and Synthetic Biology with Metabolic Engineering

微生物細胞工廠構(gòu)建過程中涉及多種常用的技術(shù)方法，主要包括基因合成、基因編輯、代謝工程和蛋白工程等技術(shù)：

基因合成

基因合成技術(shù)可用于構(gòu)建合成新的代謝通路、調(diào)控元件或功能模塊，為微生物的功能增強和新功能引入提供基礎(chǔ)。

基因編輯

利用CRISPR-Cas9、TALENs、ZFNs等基因組編輯工具，對微生物的基因組進行精準(zhǔn)編輯，實現(xiàn)目標(biāo)基因的敲入、敲除或修飾?？捎糜诟淖兡繕?biāo)菌株的性狀、代謝途徑或生物學(xué)功能。

代謝工程

通過調(diào)控菌株的代謝途徑或代謝通路，可提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量、改變代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)或選擇性合成特定代謝產(chǎn)物，從而實現(xiàn)對微生物的功能優(yōu)化和產(chǎn)物生產(chǎn)的調(diào)控。

蛋白工程

通過改變目標(biāo)蛋白的結(jié)構(gòu)或功能，以提高其活性、穩(wěn)定性或特異性，從而增強目標(biāo)產(chǎn)物的合成能力。這涉及到蛋白質(zhì)設(shè)計、蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測、蛋白進化等技術(shù)。

高通量篩選

利用高通量的篩選方法，如微流控技術(shù)、高通量測序等，快速篩選和鑒定具有目標(biāo)性狀的菌株。

系統(tǒng)生物學(xué)分析

利用系統(tǒng)生物學(xué)的方法，對微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進行建模和分析，揭示微生物工程改造的規(guī)律和原理。

構(gòu)建微生物細胞工廠相關(guān)技術(shù)

這些技術(shù)方法相互結(jié)合，構(gòu)成了微生物細胞工廠構(gòu)建的核心技術(shù)體系，為微生物工程應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。同時，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，還會涌現(xiàn)出更多新技術(shù)和方法，為微生物細胞工廠提供更多的可能。

微生物細胞工廠在各個領(lǐng)域都有廣泛的實際應(yīng)用，以下列舉了幾個典型的應(yīng)用領(lǐng)域：

藥物生產(chǎn)：微生物細胞工廠可被用來生產(chǎn)各種藥物，如抗生素、生物素等，實現(xiàn)對目標(biāo)藥物的高效合成，降低生產(chǎn)成本并提高產(chǎn)量和純度。

生物燃料生產(chǎn)：微生物細胞工廠可以將廉價的生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為高效的生物燃料，如生物柴油、生物乙醇等，有望解決傳統(tǒng)燃料資源的短缺和環(huán)境污染問題。

化學(xué)品合成：微生物細胞工廠可以實現(xiàn)對目標(biāo)化學(xué)品的高效生產(chǎn)，如有機酸、氨基酸、醇類等，具有潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。

食品工業(yè)：微生物細胞工廠可以合成具有特定功能和營養(yǎng)價值的食品成分，如有機酸、醇類等，為食品工業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的途徑。

環(huán)境修復(fù)：微生物細胞工廠可以被用來處理污水、降解有機廢物等，有望解決環(huán)境污染和資源浪費等問題。

微生物細胞工廠在藥物生產(chǎn)、生物燃料生產(chǎn)、化學(xué)品合成、食品工業(yè)和環(huán)境修復(fù)等各個應(yīng)用領(lǐng)域都有實際應(yīng)用，為解決人類面臨的各種挑戰(zhàn)提供了新的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景和社會經(jīng)濟效益。

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References

[1] Choi KR, Jang WD, Yang D, Cho JS, Park D, Lee SY. Systems Metabolic Engineering Strategies: Integrating Systems and Synthetic Biology with Metabolic Engineering. Trends Biotechnol. 2019 Aug;37(8):817-837.

[2] Park, S.Y. et al. (2018) Metabolic engineering of microorganisms for the production of natural compounds. Adv. Biosyst. 2, 1700190.

[3] Rottinghaus AG, Amrofell MB, Moon TS. Biosensing in smart engineered probiotics. Biotechnol J. 2020;15:10.

[4] Hong KK, Nielsen J. Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae: a key cell factory platform for future biorefineries. Cell Mol Life Sci. 2012 Aug;69(16):2671-90.

[5] Tong, Y. et al. (2015) CRISPR-Cas9 based engineering of actinomycetal genomes. ACS Synth. Biol. 4, 1020–1029.

[6] Choi, K.R. et al. (2016) Systems metabolic engineering of Escherichia coli. EcoSal Plus 7, 1–56.