循環產量

循環產量可以作為評估一個循環是否值得去套用，同時也可以作為比較兩個類似循環的優差之分。用同樣的物質一個循環可製造10千克所需物質，而另一個可以制出40千克物質，相差30千克，這正是循環產量的比較。隨著高通量測序技術、組學分析技術、大規模基因合成技術的快速發展，人類社會對代謝過程在內的複雜生物過程的認識與理解達到前所未有的新高度。相關科研人員可以嘗試依據工程理論，設計與合成新的生物元件，亦或設計與改造包括表達調控系統、環境應答感應器在內的生物系統。

基本介紹

• 中文名：循環產量
• 外文名：Cyclic yield
• 拼音：xún huán chǎn liàng
• 套用：化學
• 類別：化石能源術語
• 原理：循環利用

循環產量的背景

隨著高通量測序技術、組學分析技術、大規模基因合成技術的快速發展，人類社會對代謝過程在內的複雜生物過程的認識與理解達到前所未有的新高度。相關科研人員可以嘗試依據工程理論，設計與合成新的生物元件，亦或設計與改造包括表達調控系統、環境應答感應器在內的生物系統。而這些人工系統可以更有效的轉化廉價底物至滿足人類生活衣、食、住、行、醫的目標化合物。為此“合成生物學”概念也應運而生。關於合成生物學與代謝工程的區別與聯繫，學術界有很多解讀，但本論文認為，以設計與合成標準化核心元件進而以此基礎組裝複雜系統為主要特點的合成生物學，只是代謝工程發展到新階段的重要實踐形式，同時屬於合成生物學範疇的相關人工元件與人工系統也只是進一步豐富代謝工程的工具與平台。無論是代謝工程的早期發展，還是後基因組時期系統代謝工程與反向代謝工程，亦或到現如今的合成生物學新階段，代謝工程的實施都離不開稱之為“設計­構建­測試­學習”的代謝工程循環[3]。其中，學習與設計是基礎，構建是關鍵，測試則決定是否需要進行新一輪的代謝工程循環。代謝工程設計能力的提升、菌株與生命系統構建能力的提高、高精度與通量分析技術的發展、系統分析能力的進步共同實現了代謝工程學科的發展。而基因組規模計算機建模的發展、高通量基因組規模基因編輯技術的突破、代謝流量調控技術的開發正是代謝工程工具學快速發展的重要代表。

循環產量的作用

循環產量可以作為評估一個循環是否值得去套用，同時也可以作為比較兩個類似循環的優差之分，循環利用在當下作用不大，但在未來，其必將成為人們熱詞。

將發酵產物生產與菌株生物質的生長解偶聯是代謝工程或者過程過程實現目標化合物高產的重要策略。作為該策略的重要表現形式之一，兩階段培養被成功套用於乳酸、1,4-丁二醇等目標化合物的生產。但是，很多目標化合物的生產難以與pH以及溶解氧等過程參數相耦合，為此，如何使用廉價、方便而有效的方式去觸發培養狀態的改變是成功套用兩階段培養這一培養模式的重要課題。而基於合成生物學技術平台，構建執行器與感測器有望構建代謝流動態調控系統以解決這一問題。確實，Williams以及合作者，首次利用基於群體感應基因迴路、RNA干擾技術動態調控目標產物對羥基苯甲酸合成途徑與細胞生長，最終成功生產對羥基苯甲酸至1.1mM·L-1。這也是基於釀酒酵母平台，首例利用動態調控系統進行途徑最佳化實現目標化合物高產的報導。無獨有偶，Niensen及其合作者，最佳化設計基於來自原核的丙二酸輔酶A生物感測器，動態調控脂肪酸合成途徑與三羥基丙酸合成途徑的代謝平衡，實現三羥基丙酸的10倍提升[28]。雖然上面兩個代謝工程改造案例，實現代謝途徑不同模組之間的動態調控，但在整個調控過程只是簡單的“開-關”控制策略，在整個發酵過程中只開關一次，研究與開發類似與成功套用於大腸桿菌番茄紅素與脂肪酸合成的連續動態調控系統，基於生物感測器實時“前饋”與“反饋”相關途徑模組，實現模組間的代謝協調必將是動態調控工程的重要研究任務。可以預見，隨著基於系統生物學代謝調控模式機制的新發現、基於合成生物學工具學的發展，該調控模式必將成為代謝流平衡技術的最傑出代表。

循環產量的套用

作為性能優良的石油替代品，異丁醇一直是代謝工程改造的重要焦點之一。在自然界異丁醇的合成主要由稱之為“艾利希途徑”所完成。當纈氨酸合成途徑前體α-酮異戊酸(KIV)經過由α-酮酸脫羧酶的作用生成異丁醛之後，醇脫氫酶催化異丁醛合成異丁醇。Liao等人也首次基於艾利希途徑在大腸桿菌中成功高效合成異丁醇，這也是第一次非發酵途徑第一次被利用與支鏈醇的生物合成。但是在酵母中，此合成途徑更加複雜。KIV前體線上粒體途徑，其下游脫羧酶與脫氫酶卻定位於細胞質。為此，當Chen等人直接過量表達異丁醇合成途徑相關酶以期過量合成異丁醇，並沒有取得預期效果。代謝分割所造成的代謝途徑效率低下是酵母工程菌低產異丁醇的重要原因之一。為避免代謝途徑的分割，提高異丁醇合成代謝流，Gregory以及Boles等人分別定位異丁醇途徑於線粒體或者細胞質，取得理想效果。為避免KIV的跨線粒體膜轉出，提高后續KIV脫羧反應以及脫氫反應活性，當Gregory及其合作者通過線粒體錨定蛋白靶向定位α-酮酸脫羧酶與醇脫氫酶至線粒體後，異丁醇產量相比如出發菌株提高260%，而過量表達催化這兩步反應的酶與細胞質只提高10%。基於同樣策略，Gregory及其合作者同時報導，線粒體定位“艾利希途徑”，使得異戊醇以及α-甲基正丁醇的產量較各自對照菌株分別提高8倍和11倍。後續的進一步研究表明，定位“艾利希途徑”至線粒體使得α-酮酸脫羧酶與醇脫氫酶局部濃度提升，從而實現異丁醇的高效合成。當然，避免KIV跨膜轉運、降低由於競爭途徑所消耗的代謝中間物也是本策略成功的重要原因之一。同樣策略也套用於植物源萜類化合物的代謝工程中，當Farhi等人將FPP合酶以及倍半萜合酶錨定至線粒體中，紫穗槐二烯與朱欒倍半萜產量分別提高20倍和8倍。相關例子表明，整合與定位相關途徑至微環境，確實使得相關途徑效率高效提升。利用和改進天然存在亞細胞器或者合成新的亞細胞結構作為相關化合物生物合成的“細胞工廠”研究也必將取得新進展。確實，Boles團隊宣稱，他和他的合作者已經成功構件包含特定合成途徑或者反應的具有膜結構的人工細胞器(他們稱之為代謝體)用於特定化合物的合成。但是，如何進一步最佳化相關目標產物的跨膜轉運、如何實現亞細胞區室內輔因子平衡與足量供應、如何實現所錨定的目標蛋白成功與高效分選至目標細胞器是構建高效亞細胞器細胞工程實現目標化合物高效合成需要解決的主要問題。