唐士茗, 胡纪元, 郑穗平, 韩双艳, 林影

合成生物学 2022, 3 (6): 1250-1261. DOI:10.12211/2096-8280.2022-024

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随着代谢工程及合成生物学技术的发展，化学品高效生物合成与绿色制造成为可能。高效生物合成体系的设计与构建是绿色生物制造的核心，其理论体系建立及关键技术突破，将为实现绿色生物制造领域高效生产及资源与环境可持续发展提供有力支撑。本文借助代谢途径模块设计的案例，探讨化合物生物合成过程中潜在通用模块设计原则、设计工具，以及基于无细胞蛋白合成体系的代谢模块快速构建及测试的方法，将突破生物合成途径多基因、多模块“设计-构建-测试”（Design-Build-Test cycle，DBT cycle）高效循环迭代的技术瓶颈。结合机器学习方法的应用，将使“设计-构建-测试”向“设计-构建-测试-学习”（Design-Build-Test-Learn cycle，DBTL cycle）进一步延伸，对高效合成模块的“精准-鲁棒性”设计与构建、推动合成生物学科学与技术发展具有重要意义。

萜类化合物（类异戊二烯）是以异戊二烯为单位合成的系列衍生物，其生物合成代谢途径显示类异戊二烯来源于同一对底物异戊烯基二磷酸（IPP）及其同分异构体二甲基酰（DMAPP），这些前体分子起源于碳中心代谢产物乙酰辅酶A（进入甲羟戊酸MVA途径）或丙酮酸/甘油醛-3-磷酸（进入甲基赤藓糖醇-4-磷酸MEP途径），为了强化合成途径还可以重构辅因子再生模块及IUP引入模块（图2）。Bowie教授团队对大肠杆菌葡萄糖至柠檬烯的27步合成途径进行模块化划分，分为中心碳代谢模块、甲羟戊酸模块、用于辅酶平衡的分子净化阀模块，经模块化优化后的柠檬烯转化率达到88.3%。该课题组在后续工作中尝试使用粗裂解液将葡萄糖转化为柠檬烯［32］，通过建立模块化的柠檬烯合成平台，优化后的柠檬烯产率达到3.8 mg/（L·h）。精细的模块化途径划分使得无细胞生物合成体系模块与模块间的代谢通量调节更为便利。