近日，代謝工程領域權威雜誌《代謝工程》（Metabolic Engineering）在線發表了EON体育4平台🖐、微生物代謝國家重點實驗室在代謝工程方面的最新進展“Directing enzyme devolution for biosynthesis of alkanols and 1,n-alkanediols from natural polyhydroxy compounds”。《代謝工程》雜誌由代謝工程學科創始人之一，美國麻省理工EON4教授Gregory Stephanopoulos院士主編🧕🏻，是代謝工程領域內公認的權威專業期刊。本次發表是該雜誌本年度對許平教授研究團隊系列微生物代謝工程研究工作的第三次報道（另外兩次為：Metab. Eng., 2017, 41, 102-114；Metab. Eng., 2017, 39, 90-101），是該研究團隊骨幹陶飛副研究員等提出並踐行“智能代謝重編”理念以來，相關系列研究工作的又一次突破。

C4~C6醇酸類化合物人工途徑簡圖

       代謝工程是當前生命科學研究的熱點之一，主要研究使用基因工程和合成生物學手段控製細胞中的代謝流🐖，從而以綠色可持續的方式實現各種能源、材料🌌、藥物等化合物的轉化和生產。鑒於代謝的巨大多樣性和潛能，代謝工程有望在有機物合成轉化的各個領域替代傳統化學催化，因此也被譽為21世紀的合成化學。然而🧓🏽，由於細胞代謝的高度復雜性，代謝物動輒數以萬計🐬，形成復雜交錯的代謝通路和網絡，並受到多重調控，代謝工程的理性化一直受到嚴重阻礙🙋🏼‍♂️，目前只能采用窮舉性試錯的方法🐝，人力物力成本很高🫵🏿。在這一背景下🪔，EON体育4鄧子新院士領銜的微生物代謝研究群體敏銳的意識到代謝基礎研究在未來的核心地位及其引領和帶動作用🏜，在國際上率先提出並著力推動“代謝科學”的新概念和新發展，並倡導使用“代謝科學”發展的成果指導代謝工程和合成生物學研究。這一學科思想的指引下💸，交大研究團隊結合具體代謝工程問題和當前工業智能化的發展態勢，提出“智能代謝重編”（Smart Metabolic Reprogramming）的代謝工程新理念🙆🏼‍♂️，倡導在深刻認識代謝網絡的基礎上，尋找和發現關鍵代謝節點，進行智能化設計，用最少的操作實現最大的代謝效應。《代謝工程》雜誌的三個連續報道正是這一科學思想得以踐行的結果。

藍細菌內核示意圖

       “智能代謝重編”的思想最早產生於2014年。當時研究團隊正致力於用光驅動的方法固定二氧化碳合成C3平臺化合物，創造性地借鑒了計算機科學中的“內核”概念開發了“藍細菌內核”，大大簡化了藍細菌代謝工程改造的操作，相關工作發表在《綠色化學》（Green Chem., 2015,17, 3100-3110）上。自此研究團隊的師生們深刻認識到“智能代謝重編”理念的生命力，系統開展了相關研究工作🎽，先後發展了“代謝狀態開關”、“代謝流陷阱”、“代謝途徑協調控製”等先進的代謝操作策略🧑🏼‍🦰。

代謝狀態開關示意圖

       “代謝狀態開關”是“智能代謝重編”的一種策略🫸🏻，其提出源自於對沉默基因生物學功能的深度理解。沉默基因是生物基因組中蘊含的一類功能尚未被觀測到的基因👨‍🎤，被視為基因組中的“暗物質”。現代生物學研究暗示這些沉默基因在代謝中可能起到十分重要的功能⚜️。上海交大的研究人員在研究中發現👨🏻‍🎤，這類基因之所以在進化過程中形成沉默👨🏿‍⚕️，很可能是由於其活化會對代謝狀態產生一種“開關”效應，對細胞的代謝狀態產生顛覆性的影響。這種效應如果能夠被利用🧔🏻‍♀️，就可以實現對代謝流的高效的全局的控製，極大地簡化代謝工程操作（Metab. Eng., 2017, 39, 90-101）。

聚合物單體聯產途徑

       平衡是代謝工程領域的黃金法則🫵🏽，也是“智能代謝重編”思想要遵循的第一原則🤶🏻。在傳統利用生物質原料甘油生產聚合物單體的研究中🥷🏼，人們習慣性地專註於目標產物直接相關的甘油還原途徑👵🏼，視其他途徑為副反應並加以去除。上海交大的師生們在充分考察和認識甘油代謝特點的基礎上，引入並強化了甘油氧化途徑🖌，使之與甘油還原途徑密切配合，實現了兩種聚合物單體化合物的聯產和高產（Metab. Eng., 2017, 41, 102-114）。

       酶的“去進化”是剛剛在《代謝工程》雜誌在線發表的最新研究進展。酶資源是代謝工程和合成生物學的基礎，代謝工程操作和人工途徑的搭建離不開功能酶的挖掘。現代進化的觀點認為現存的多樣而功能專一的酶是由數目少但功能多樣的遠古酶演化而來💂🏿。在該工作中研究團隊的研究人員提出從功能專一的現代酶出發，用酶工程的方法對其進行去進化，恢復酶的功能多樣性，從而塑造新的催化功能。這一工作為人工設計新的功能酶提供了思路👯，也為人工代謝途徑的設計構建提供了豐富的酶資源✳️。該工作是由團隊的陶飛副研究員與華東理工大學沈亞領研究員等合作完成🧚🏿‍♂️，博士生戴璐為論文的第一作者。

       “智能代謝重編”系列文章的發表說明這一理念在科學界已經獲得認可，預期基於“代謝科學”的代謝工程和合成生物學研究將獲得更大的發展。上述工作立足於開發各類平臺化合物🌃、聚合物單體、能源化合物和精細化學品的綠色生物製造。基於這些工作進行後續開發，有望產生實用的先進技術，推動我國可再生能源、可降解材料的發展。

最後更新於 2017年9月28日 星期四 03:37
發布於 2017年9月28日 星期四 03:36