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生物工程学报“代谢工程30年专刊”序文 (2021)
发布时间:2022-04-24 12:05:02 来源:乐动体育网址


  代谢工程运用重组DNA技能、组成生物学、基因组修改来改动生物体的细胞网络,包含代谢、基因调控和信号网络等。它能够完成加强包含化学品、燃料、化学质料药和其他生物技能产品等代谢物出产的方针,前进生物制作才能与功率。为了整理和凝练代谢工程30年来的展开情况,《生物工程学报》特安排出书专刊,从代谢工程整体展开、共性技能以及以什么宿主和做什么产品等4个方面展示该范畴的展开动态和趋势,并为代谢工程范畴的进一步展开提出建设性的定见与展望。

  代谢工程运用重组DNA技能、基因和基因组修改等技能,对细菌、酵母或植物等生物体的代谢、基因调控、信号网络等进行细胞网络定向润饰和改造。它能够优化现有的生化反响和代谢途径,引进外源代谢途径,乃至创立天然界不存在的代谢途径,来完成和前进氨基酸、有机酸、化工醇、抗生素、维生素、化学质料药以及其他生物技能产品的生物组成与制作才能。代谢工程这一概念最早由该范畴的前驱、美国学者James Bailey于1991年提出[1]。代谢工程范畴另一重要前驱、Metabolic Engineering杂志创刊主编GregoryStephanopoulos教授等以为,代谢工程是一种前进菌体生物量或代谢物产值的理性化办法[2-4]。

  代谢工程从20世纪90年代初呈现以来,极大地推动了生物技能与生物工业的展开。特别是近年来跟着组成生物学、基因组修改、深度机器学习、主动化技能等前沿范畴的快速展开,进一步把代谢工程范畴面向史无前例的高度[5-8]。代谢工程研讨现已从简略基因操作展开到多基因优化改造展开,从改造部分基因组向全基因组规划的规划组成与体系优化展开 (图1)。经过展开多基因、多位点操作的多重基因组主动改造等技能,能够在基因组水平上重塑细胞网络,对影响生物组成才能与功率的基因编码序列、启动子结合位点、核糖体结合位点或其他调控区进行多位点骤变、润饰、改造和进化,优化前体 (中间体) 的供给、免除产品反响按捺、调控要害酶的磷酸化、乙酰化、甲基化以及促进复原力供给与能量代谢平衡等[9]。运用组成生物学的理念,能够依照对生命体系运转规则的知道,以最优化的办法从头编程,乃至合理引进天然界不存在的人工法,构建出全新的“人工生物”[10]。规划重构的“人工生物”不只有能够高效运用生物质资源转化出产根底化学品,还能组成本来不能天然组成的石油化工产品。由此,塑料、橡胶、纤维以及许多大宗的传统石油化工、资料化工产品,将逐步被来自可再生质料的生物制作产品所代替,生物制作将彻底改动自工业革命以来以化石资源为根底的质料道路,完成从不可再生的“碳氢化合物”为动力和原资料的经济结构向可再生的“碳水化合物”的经济结构的改变[11-13]。

  值此代谢工程诞生30周年之际,为了整理30年来代谢工程的展开头绪,包含核心技能展开、严重产品开发及生物工业推动的影响和奉献,《生物工程学报》安排出书了本期“代谢工程30年”专刊,分4个栏目,共18篇,邀请了一批在代谢工程研讨范畴的一线科学家,别离从整体展开 (整体篇)、共性技能 (技能篇) 以及以什么宿主 (宿主篇) 和做什么产品 (产品篇) 等4个方面展示该范畴的展开动态和趋势,为代谢工程范畴的进一步展开提出建设性的定见与展望。

  30年来,代谢工程先后与分子生物学、体系生物学和组成生物学发生深度的穿插交融,并在此根底上取得了飞速展开,极大地促进了生物技能前进和生物工业晋级。我国较早从事代谢工程研讨的天津大学赵学明/陈涛团队(1477–1493页),根据国内外代谢工程理论与实践的效果,结合多年来从事代谢工程教育与科研的领会,体系总结了代谢工程30年的整体展开情况,特别是经过世界SCI论文宣布情况对30年来代谢工程学术研讨现状与我国在该范畴的位置和影响力进行了剖析,一起要点总结了近10年来体系生物学办法和组成生物学的首要使能技能在代谢工程中的成功实践,也讨论了现在代谢工程展开中存在的首要问题和往后的展开趋势。科学认知的不断深化,分子遗传操作技能的迅猛展开,生物元件的开发,进化工程与机器学习的继续立异,使工程思想在运用中大放异彩,代谢工程在30年进化进程中取得了巨大的成果,中国科学院植物生理生态研讨所王勇团队 (1494–1509页) 从代谢规划 (从简略到杂乱)、流量优化 (从静态到动态)、进化工程 (从基因到菌株) 以及机器学习 (从代谢规划到流量优化) 4个视点,体系介绍了代谢工程在展开中不断立异的理论与办法及其运用,结合人工智能的展开,展望了代谢工程主动化、智能化的展开远景。

  共性技能是推动代谢工程范畴快速展开的重要手法。代谢工程的立异展开离不开代谢剖析、代谢建模与代谢调控等共性技能的开发与立异。代谢工程研讨需求从基因、RNA、蛋白、代谢物和代谢流量等多个层次,从大局规划上剖析细胞代谢,并以此为根底进一步规划、润饰和重构细胞。代谢流量剖析能够深化解析代谢调控规则,供给猜测方针产品高产的改造方案,使代谢流量最大极限地流入方针产品的组成途径。上海交通大学姚瑞莲团队(1510–1525页) 总述了代谢流剖析的展开进程,总结了代谢流量组学技能在工业生物技能和生物医药与大健康范畴中的运用情况,并对代谢流量剖析的标准化、高通量以及基因组标准的13C代谢流量剖析等未来展开方向进行展望。近年来,基因组规划代谢网络模型 (Genome Scale Metabolic network Model,GSMM) 正成为代谢工程研讨的重要东西。在根底GSMM模型根底上,经过整合基因组、转录组、蛋白组和热力学数据,能够完成根据各种束缚的GSMM的构建及运用。华东理工大学庄英萍/夏建业团队 (1526–1540页)体系整理了转录组束缚、蛋白组束缚、以及热力学束缚的GSMM理论根底、构建办法、运用规模,剖析了相应办法的缺乏及运用束缚等,并对根据束缚的GSMM构建及运用远景进行了展望,从而为该范畴的研讨理清头绪,为根据各种束缚模型的构建供给了参阅。代谢调控技能是代谢工程改造的重要技能手法。特别是跟着组成生物学的不断打破,发掘和人工规划的高质量调控元件大幅度前进了对细胞网络的改造才能。中国科学院微生物研讨所于波团队 (1541–1563页) 从转录调控、翻译调控、翻译后调控等不同层面,体系总结了代谢调控研讨从单基因的静态调控到体系水平上的智能准确动态调控的展开情况、存在问题等,为代谢表达调控技能进一步展开及在代谢工程范畴运用供给了参阅。

  宿主细胞 (也称为底盘细胞) 是展开代谢工程研讨的重要载体,特别对生物制作而言,不同类型的宿主细胞适用于不同类型产品的出产。微生物细胞、植物细胞、动物细胞都被用于代谢工程研讨,可是现在更多的宿主细胞仍是微生物细胞。形式微生物——大肠杆菌和酿酒酵母,因为培育简略、成长快速、遗传东西丰厚且遗传改造功率高而被广泛运用。可是近年来,跟着CRISPR/Cas等基因修改技能的展开,谷氨酸棒杆菌、枯草芽孢杆菌、丝状真菌、非传统酵母等越来越多的微生物细胞被推行运用,有效地拓宽了代谢工程研讨的规模[14]。大肠杆菌作为一种重要的形式工业微生物宿主,在医药、化工、农业等方面广泛运用;中国科学院天津工业生物技能研讨所张学礼团队 (1564–1577页) 从大肠杆菌途径规划、组成途径创立与优化、细胞大局优化3个方面,对大肠杆菌代谢改造起重要推动效果的技能进行体系总结,并对大肠杆菌代谢工程中要害技能的运用进行了展望。酿酒酵母作为另一种重要的形式工业微生物宿主,被广泛运用于很多大宗化学品和新式高附加值生物活性物质的生物制作;浙江大学连佳长团队 (1578–1602页) 结合组成生物学、生物信息学以及机器学习等相关技能的快速展开,总结了经典代谢工程的常用办法和战略,以及在此根底上展开而来的体系代谢工程和组成生物学驱动的代谢工程技能,而且结合最新技能展开趋势,展望了未来酿酒酵母代谢工程展开的新方向。谷氨酸棒杆菌长期以来首要用于氨基酸出产,可是跟着代谢工程的展开,有机酸、化工醇、重组蛋白等都能够在谷氨酸棒杆菌中完成高效出产;中国科学院天津工业生物技能研讨所郑平/王钰团队(1603–1618页) 总述了近期针对谷氨酸棒杆菌开发的代谢工程使能技能展开情况,侧重介绍了根据CRISPR的基因组修改、基因表达调控、适应性进化和生物传感器等技能的开发和运用。枯草芽孢杆菌作为一种食物安全级的微生物,具有胞外分泌蛋白才能强以及无显着的密码子偏心性等特征,也逐步成为被广泛运用的代谢工程宿主细胞;江南大学刘龙团队 (1619–1636页) 从启动子工程、基因修改、基因回路、辅因子工程以及途径酶拼装等方面介绍枯草芽孢杆菌在代谢工程范畴的研讨进程,并总结其在生物制品出产中的相关运用,最终对其未来研讨方向进行展望。丝状真菌作为重要的工业微生物,在有机酸、蛋白质及次级代谢产品等要害生物基产品出产方面发挥侧重要效果;中国科学院天津工业生物技能研讨所田朝光团队 (1637–1658页) 体系介绍了近年来丝状真菌代谢工程技能的展开,及其在生物基化学品细胞工厂构建中的运用,评论了丝状真菌代谢工程中的要害问题并展望其未来展开。解脂耶氏酵母、克鲁维酵母、毕赤酵母、假丝酵母、汉逊酵母等非传统酵母因其具有天然的生理代谢优势,包含快速成长、多底物运用、钳制耐受性强等,在代谢工程范畴得到了广泛重视;中国科学院天津工业生物技能研讨所戴宗杰团队 (1659–1676页) 总结了非传统酵母中基因修改东西的展开,并从代谢工程改造战略视点归纳了运用非传统酵母进行产品组成的研讨展开,评论了非传统酵母在产品出产运用方面遇到的应战和未来的研讨方向。相关技能的不断展开与前进,使咱们加深对不同宿主细胞深化知道的一起,也使这些宿主细胞逐步成为代谢工程研讨和开发的抱负宿主细胞。

  代谢工程研讨的首要意图是经过改造细胞代谢网络,高效地组成方针产品。30年来经过广泛的代谢工程研讨与开发,生物基化学品 (如氨基酸、有机酸、维生素、抗生素)、生物燃料 (如乙醇)、生物资料 (如聚羟基脂肪酸酯、聚乳酸等)等都能够以可再生的质料和绿色的出产办法完成高效出产制作,推动人类工业经济展开进入一个新的阶段。氨基酸出产是我国发酵工业的支柱工业,跟着代谢工程的快速展开,氨基酸的代谢工程育种蓬勃展开;天津科技大学陈宁团队 (1677–1696页) 首要总结了传统的正向代谢工程、根据组学剖析与代谢模仿的反向代谢工程,以及学习天然进化的进化代谢工程等战略,然后别离介绍了大宗氨基酸、分支氨基酸、芳香族氨基酸等不同氨基酸代谢工程的展开情况与未来的展开趋势,为应对日益剧烈的市场竞争、开发高附加值氨基酸品种和新工艺供给了参阅。四碳有机酸作为重要的渠道化学品,广泛运用于食物、化工、农业、医药和生物资料等范畴,运用微生物发酵出产四碳有机酸具有反响条件温文、进程绿色环保等优势,具有广泛的运用远景;南京工业大学姜岷团队(1697–1720页) 总结了四碳有机酸的生物组成途径和代谢机制,侧重评论了天然菌株出产四碳有机酸以及根据菌种选育和代谢工程改造战略前进四碳有机酸组成才能的研讨展开及应战,为四碳有机酸的高效生物组成供给宽广的参阅方向。高档醇具有比乙醇更优异的燃料功能,是化石燃料的重要弥补,运用微生物以可再生的生物质为质料进行高档醇的出产可一起缓解当时的动力与环境危机,已成为绿色生物制作的严重展开方向;北京理工大学霍毅欣团队 (1721–1736页) 结合本身有幸亲历了该范畴从零到一、直至完成跨越式打破的完好进程,回忆了高档醇异源微生物组成的数个里程碑式作业,从途径创立、途经优化、质料扩展、底盘改造、工业化进程等多方面进行了剖析总结,希冀对高档醇代谢工程的立异展开供给参阅。跟着细菌耐药性问题越来越杰出,迫切需求研制出新式抗生从来应对耐药菌,抗生素代谢工程研讨供给了重要途径;中国医学科学院医药生物技能研讨所赫卫清团队 (1737–1747页) 结合亲身经历1416元环大环内酯类抗生素 (Macrolide antibiotics,MA) 的开发,对运用代谢工程解析并改造MA的生物组成基因来取得新的MA衍生物以及运用代谢工程的办法前进MA产值进行了总结,并具体介绍了我国自主研制的大环内酯类新药可利霉素的特征及运用代谢工程构建和改造其发生菌的进程,为咱们创造出具有多种骨架的大环内酯类化合物来抵挡后抗生素年代的要挟供给了学习。维生素是保持人体生命活动必需的一类有机物质,已广泛运用于医药、食物添加剂、饲料添加剂、化妆品等范畴,全球需求呈逐年增加态势,维生素代谢工程能够促进绿色环保安全出产、能耗低,极具展开远景;中国科学院天津工业生物技能研讨所张大伟团队 (1748–1770页) 回忆了近30年来代谢工程在维生素出产范畴的研讨展开,具体论述了水溶性维生素 (维生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9、B12和维生素C的前体) 和脂溶性维生素 (维生素A、维生素D的前体、维生素E和维生素K) 的生物组成研讨现状,并对其发酵出产的瓶颈进行了讨论,最终对组成生物技能创立维生素出产菌种进行了展望,为进一步推动维生素代谢工程研制奠定根底。芳香族化合物是一类能够经过微生物发酵出产的化学品,广泛运用于医药、食物、饲料和资料等范畴,运用代谢工程手法对莽草酸和芳香族氨基酸组成途径进行理性改造,微生物细胞能够定向地很多堆集人们需求的各种芳香族化合物;笔者团队(1771–1793页) 对30年来国内外代谢工程改造微生物组成各种芳香族化合物的研讨战略和生物组成途径进行了整理和总结,以期为展开相关研讨供给参阅。聚羟基脂肪酸酯 (Polyhydroxyalkanoate,PHA) 是微生物组成的可降解高分子资料,品种及功能多样,运用远景宽广,然而其大规划出产受制于它较为昂扬的出产成本;清华大学陈国强团队 (1794–1811页) 结合本身30年来在该范畴的丰厚经历,体系介绍了代谢工程技能拓宽PHA的多样性、改造PHA组成相关通路、前进PHA组成功率、进行PHA的低成本出产等几个方面的展开,要点介绍嗜盐单胞菌为底盘的“下一代工业生物技能”并提出展望,为未来前进PHA的市场竞争力和推动其商业化供给了重要参阅。

  代谢工程研讨是支撑生物技能与生物工业的重要范畴。作为一个穿插前沿范畴,代谢工程在研讨办法上有生物科学、物质科学和工程科学严密协作的特征,这种亲近穿插表现了现代技能科学的生机与优势。多学科穿插浸透与集成立异已成为代谢工程展开的新方向。期望本期专刊的推出,对整理代谢工程展开的里程碑有重要的参阅含义,为后续的代谢工程研讨标定出新的“起点”。在这新的“起点”,经过生物学与物理学、化学、计算机科学、工程学的穿插与整合,使代谢工程历久弥新,不断进化和继续强大,加快新一代生物技能和生物制作工业的跨越式展开,促进物质组成与加工办法的革新和传统工业的改造晋级,为人类面对的动力、资源和环境问题供给体系解决方案。此外,本专刊内容上如有遗漏和缺乏之处,期望各位同行和广大读者批评指正。

  国务院特殊津贴取得者,天津市立异人才推动方案立异团队当选者,荣获天津市五一劳动奖章等荣誉。首要从事工业微生物的进化与代谢工程研讨,包含重要化学品高功能细胞工厂创制、基因组水平修改和实验室进化挑选、液滴微流控高通量挑选渠道建立及运用等。近年来在Metab Eng、Biotechnol Biofuels、ACS Synth Biol、Anal Chem等范畴干流世界期刊宣布科研论文50余篇,获授权专利13项,参加了国家科学技能部、国家展开和变革委员会、中国科学院相关范畴战略规划编制。现为学术期刊Scientific Reports和《生物工程学报》编委。

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