- 相關(guān)推薦
無細(xì)胞合成生物技術(shù)的進(jìn)展探究
合成生物技術(shù)一經(jīng)興起,便得到全世界的廣泛關(guān)注,下面是小編搜集整理的一篇探究無細(xì)胞合成生物技術(shù)進(jìn)展的范文,供大家閱讀參考。
1合成生物技術(shù)
合成生物學(xué)是新出現(xiàn)的一門綜合了分子生物學(xué)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)等許多研究內(nèi)容的交叉學(xué)科,它借鑒工程化的思想研究生命,目的是通過人工設(shè)計(jì)和構(gòu)建高效、可控的生物系統(tǒng)來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題[1].ScientificAmerican的編輯DavidBiello曾經(jīng)用一個(gè)簡單的比喻來說明什么是合成生物技術(shù):如果將生命比作電腦,那么,由許多核酸組成的程式碼-基因體,就是生命的作業(yè)系統(tǒng)。合成生物技術(shù)想做的就是,透過創(chuàng)造或改寫基因組,讓生命表現(xiàn)出預(yù)期的行為,執(zhí)行預(yù)定的工作。
合成生物技術(shù)一經(jīng)興起,便得到全世界的廣泛關(guān)注。早期合成生物技術(shù)的研究內(nèi)容主要為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)控元件的設(shè)計(jì)與合成;現(xiàn)階段的研究內(nèi)容擴(kuò)展為通過系統(tǒng)生物學(xué)指導(dǎo),理性組裝各種合成生物元件,使其成為定向執(zhí)行某種生物功能的代謝通路、系統(tǒng)或者一種全新的細(xì)胞[2].經(jīng)過10余年的探索,細(xì)胞體內(nèi)代謝途徑的構(gòu)建已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展,其中的典型代表即為Keasling課題組[3,4]利用合成生物技術(shù)的方法在大腸桿菌和釀酒酵母中均成功構(gòu)建的紫穗槐二烯(青蒿素前體物)的合成路徑,建立了有效而價(jià)廉的青蒿素合成方法。伴隨基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的不斷進(jìn)步,合成生物技術(shù)將會(huì)給產(chǎn)品開發(fā)帶來革命性的影響,為世界帶來新一輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮。中國已經(jīng)制訂了合成生物技術(shù)戰(zhàn)略路線圖,規(guī)劃了技術(shù)、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)等方面的中長期目標(biāo):未來5年,爭取建立標(biāo)準(zhǔn)元件數(shù)據(jù)庫,形成化學(xué)品和生物材料的模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力;未來10年,力爭形成生物系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模和驗(yàn)證一體化平臺(tái),商業(yè)化生產(chǎn)眾多自然化合物、藥品、化學(xué)品和生物燃料。
但是,在實(shí)際操作過程中,并不是所有人工設(shè)計(jì)的代謝途徑都能在宿主細(xì)胞體內(nèi)表現(xiàn)出預(yù)期的效果,原因主要有以下幾方面:生物系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜難以預(yù)測;許多人工合成的生物元件與宿主細(xì)胞的兼容性問題;目標(biāo)產(chǎn)物對宿主細(xì)胞的抑制;生物系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題等[5].相比于調(diào)控活細(xì)胞的代謝,體外多酶催化體系顯得更具靈活性及可操作性。
2無細(xì)胞的合成生物技術(shù)-多酶催化體系
無細(xì)胞的合成生物技術(shù)的核心思想為體外多酶催化體系的構(gòu)建,即模仿體內(nèi)代謝途徑,在體外組合一系列酶及輔酶,構(gòu)建復(fù)雜的生化代謝網(wǎng)絡(luò)以獲得目標(biāo)產(chǎn)物的過程[6].無細(xì)胞的合成生物技術(shù)近年得到很大提升,并不斷迅速發(fā)展。這種快速的發(fā)展基于無細(xì)胞的合成生物技術(shù)平臺(tái)的幾個(gè)重要特點(diǎn)[7~9],包括:
(1)沒有宿主細(xì)胞的生理調(diào)控系統(tǒng),反應(yīng)條件更容易控制,可以方便地進(jìn)行反應(yīng)條件的優(yōu)化;(2)不存在副反應(yīng)和宿主細(xì)胞本身的代謝需求,能夠達(dá)到更高的產(chǎn)品得率和產(chǎn)品純度;(3)可以使用高負(fù)載量的酶,用于提高反應(yīng)速率;(4)寬泛的反應(yīng)條件(如高溫、有機(jī)相催化體系)、底物的自由選擇,解決了底物或中間產(chǎn)物的毒性問題;(5)具有相當(dāng)大的工業(yè)化潛力。
無細(xì)胞的合成生物技術(shù)可以看作一個(gè)基于三要素的集成式平臺(tái),包括:代謝途徑重新構(gòu)建、酶工程和反應(yīng)工程[10].代謝途徑重新構(gòu)建需要以體內(nèi)代謝途徑為基礎(chǔ),組裝相應(yīng)的酶和輔酶。與體內(nèi)代謝途徑可以自動(dòng)平衡輔酶和產(chǎn)生腺苷三磷酸(ATP)不同,構(gòu)建體外代謝途徑必須設(shè)計(jì)輔酶再生系統(tǒng)和ATP合成體系。此外,需要進(jìn)行詳細(xì)的熱力學(xué)分析,以確保設(shè)計(jì)的代謝途徑和預(yù)期相符。酶工程經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,是一個(gè)相對成熟的研究領(lǐng)域,涉及酶的發(fā)現(xiàn)、酶的大量制備、理性設(shè)計(jì)、定向進(jìn)化和酶的固定化等。反應(yīng)工程包括生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)(如膜反應(yīng)器、流加反應(yīng)器、連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器)、多個(gè)反應(yīng)的級聯(lián)、反應(yīng)條件的優(yōu)化等。
3多酶催化體系的構(gòu)建策略
3.1底物通道效應(yīng)
多酶催化體系反應(yīng)過程中,中間產(chǎn)物要經(jīng)分離純化才能進(jìn)行下一步產(chǎn)應(yīng)。中間產(chǎn)物在分離過程中損失較大,產(chǎn)率相對較低。對催化反應(yīng)的多種酶進(jìn)行理性設(shè)計(jì),在一定空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)級聯(lián)催化,可有效減少反應(yīng)步驟及反應(yīng)設(shè)備的初始投入,減少中間產(chǎn)物的擴(kuò)散阻力、增加其局部濃度,降低中間產(chǎn)物在分離過程中的損失,提高最終產(chǎn)物的收率。
底物通道效應(yīng)(substratechanneling)指在多酶催化的代謝途徑中前一個(gè)酶所催化產(chǎn)生的產(chǎn)物直接進(jìn)入下一個(gè)酶的活性中心,而不是擴(kuò)散進(jìn)入所在的反應(yīng)體系環(huán)境中[11].在傳統(tǒng)的生物催化級聯(lián)過程中,所有的酶均勻分布在反應(yīng)器中,存在酶穩(wěn)定性差、產(chǎn)物分離復(fù)雜、酶難以回收、環(huán)境耐受性差以及中間傳遞效率等諸多問題,因此,需要發(fā)展有效的固定化酶策略來實(shí)現(xiàn)多酶催化的底物通道效應(yīng),同時(shí)可以保持酶的活力穩(wěn)定性及重復(fù)使用性。
多酶催化體系的固定化是酶工程領(lǐng)域的前沿課題之一,探索和研究新的固定化技術(shù),開發(fā)適用范圍廣、可應(yīng)用于多酶催化的固定化酶載體材料,為多酶體系創(chuàng)造適宜的微環(huán)境是這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究。
當(dāng)前多酶催化體系的固定化主要有以下方式:簡單的多酶融合、使用支架系統(tǒng)進(jìn)行共固定化、簡單的共固定化及位置組裝的共固定化等(圖1)[12~16].多酶催化體系的固定化效果與載體的選擇有很大關(guān)系,載體材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對固定化酶的活性有很大影響[17].隨著固定化技術(shù)的發(fā)展,載體材料由最初的天然高分子材料,擴(kuò)展到合成高分子材料、無機(jī)材料及現(xiàn)在備受關(guān)注的復(fù)合材料。復(fù)合載體材料綜合利用高分子材料和無機(jī)材料優(yōu)點(diǎn),與其他載體材料相比,具有特殊功能的復(fù)合材料有巨大優(yōu)勢,因此復(fù)合材料是固定化載體材料發(fā)展的必然趨勢[18,19].
基因工程領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展表明,生物偶合可以提供相應(yīng)的工具以更加可控的方式構(gòu)建多酶催化體系,通過人工合成的結(jié)合域,可以將參與反應(yīng)的多個(gè)酶共同固定于支架體系,如RNA支架系統(tǒng)、DNA支架系統(tǒng)、合成蛋白支架系統(tǒng)、自組裝蛋白支架體系等。在利用RNA分子作為支架系統(tǒng)方面,Delebecque等[20]利用RNA分子適配體將產(chǎn)氫需要的2種酶進(jìn)行了空間組裝,利用RNA分子的折疊形成一維或者二維的腳手架結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)酶分子的空間構(gòu)建,其中二維結(jié)構(gòu)的RNA腳手架結(jié)構(gòu)使氫的產(chǎn)量提高了48倍。在利用DNA分子作為支架系統(tǒng)方面,Wilner等[21]以DNA分子作為腳手架形成六角形結(jié)構(gòu),將葡萄糖氧化酶(GOX)和辣根過氧化物酶(HRP)2個(gè)酶進(jìn)行固定化,將酶分子聚集后反應(yīng)速率大幅度提高。在利用蛋白質(zhì)作為支架體系方面,不僅可以利用自然界存在的蛋白作為支架,也可以人工構(gòu)建新的蛋白支架體系。細(xì)菌纖維小體是多種纖維素酶、半纖維素酶依靠錨定-黏附機(jī)制所形成的一種多酶體系,通過細(xì)胞黏附蛋白附著在細(xì)菌的細(xì)胞壁上。近年來,通過模仿自然界中纖維小體的構(gòu)造人工合成纖維小體得到了廣泛研究,Tan課題組[22]利用來自Clostri-diumcellulovorans,C.cellulolyticum,C.thermocellum的錨定結(jié)構(gòu)域和黏附結(jié)構(gòu)域構(gòu)建了人工纖維小體,通過黏附-錨定機(jī)制將降解纖維素的酶固定到釀酒酵母細(xì)胞壁的表面,將纖維素降解后在酵母體內(nèi)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生成生物乙醇。利用這種方法,乙醇的產(chǎn)量最高達(dá)到1.4g/L.另外,利用蛋白質(zhì)的自組裝進(jìn)行多酶體系的構(gòu)建也具有廣闊的應(yīng)用前景,借助蛋白質(zhì)的自組裝完成多酶體系的構(gòu)建只需要將蛋白質(zhì)或者酶分子進(jìn)行簡單的混合而不需要進(jìn)行特殊處理。Dueber等[23]利用信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程相關(guān)蛋白的一部分作為蛋白支架體系構(gòu)建腳手架,3個(gè)支架蛋白包括GTP酶結(jié)合結(jié)構(gòu)域(GBD)、SH3結(jié)構(gòu)域(SH3)和PDZ結(jié)構(gòu)域(PDZ)。
通過將催化乙酰CoA到甲羥戊酸的3個(gè)酶-乙酰CoA硫解酶(AtoB)、HMG-CoA合成酶(HMGS)和HMG-CoA還原酶(HMGR)分別與GBD,SH3,PDZ的配基相連,利用配基與蛋白支架之間的特異性相互作用從而將3種酶分子組成多酶復(fù)合體,通過進(jìn)一步優(yōu)化支架體系,調(diào)節(jié)不同支架蛋白的比例,甲羥戊酸的產(chǎn)量最高提高了77倍。
3.2生物積塊(buildingblocks)與模塊(modules)的構(gòu)建
無細(xì)胞的合成生物技術(shù)采用自下而上的設(shè)計(jì)策略,包括生物積塊的構(gòu)建(單獨(dú)的酶)、幾種酶組合成的功能模塊的構(gòu)建(產(chǎn)物生成模塊、輔酶再生模塊、ATP合成模塊)和復(fù)雜代謝途徑的組裝及應(yīng)用(以糖為底物生產(chǎn)氫氣等)。體內(nèi)代謝途徑的標(biāo)準(zhǔn)生物組件是對應(yīng)的DNA序列,體外代謝途徑的標(biāo)準(zhǔn)生物組件則是各種酶。通過將多個(gè)酶組合成功能模塊,再將不同的功能模塊進(jìn)行組裝,可以實(shí)現(xiàn)體外代謝途徑的構(gòu)建。
酶催化的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)中,約30%是氧化還原反應(yīng),這些反應(yīng)需要輔酶/輔因子的參與,如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NAD(P)H)或黃素腺嘌呤二核甘酸(FAD)。宿主細(xì)胞可以通過合成代謝和分解代謝的平衡來調(diào)節(jié)輔酶/輔因子的量,體外多酶催化體系則需要不斷補(bǔ)充輔酶/輔因子。在體外構(gòu)建多酶催化體系,底物的成本需要遠(yuǎn)低于產(chǎn)物的價(jià)值,因此,通過組合積塊構(gòu)建廉價(jià)的輔酶再生模塊顯得尤為重要[24].
NADPH是最常見的輔酶,其在體外的再生可以通過以單個(gè)酶催化底物供氫體或級聯(lián)多個(gè)酶來進(jìn)行反應(yīng)[25].單酶構(gòu)建的NADPH再生模塊已被廣泛用于合成各種化合物。3種代表性的單酶構(gòu)建的NADPH再生模塊是醇/醇脫氫酶、甲酸/甲酸脫氫酶和葡萄糖/葡萄糖脫氫酶[26,27].以1個(gè)多酶催化體系中輔酶再生模塊的構(gòu)建為例,1個(gè)由12個(gè)酶組成的體外多酶催化體系,以纖維二糖為底物生成1個(gè)單位的葡萄糖可以產(chǎn)生12單位的NADPH[28].在所有的供氫體化合物中,成本最低的是糖類,但以它們?yōu)榈孜飿?gòu)建輔酶再生模塊需要添加較多的酶,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。利用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行輔酶再生成本較低且相對清潔無污染,但NADPH在高電位時(shí)穩(wěn)定性很差,如果想在工業(yè)上應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù),必須解決現(xiàn)存的問題。
ATP是所有生物體的通用能量。與宿主細(xì)胞內(nèi)可以不斷合成ATP不同,在體外多酶催化體系中,如果某些反應(yīng)需要ATP參與,需要設(shè)計(jì)ATP再生模塊,低成本ATP再生是其面臨的一個(gè)最關(guān)鍵的障礙。
體外ATP再生的方法包括底物水平磷酸化、NADPH的氧化磷酸化和光誘導(dǎo)ATP合成[29,30].
目前應(yīng)用最廣泛的體外ATP再生技術(shù)是底物水平磷酸化,常見的磷;w包括乙酰磷酸、磷酸二羥丙酮和磷酸肌酸等。這些磷酸鹽的利用會(huì)導(dǎo)致磷酸根的積累,從而改變pH,抑制體系中的酶活。此外,過高的底物成本也導(dǎo)致其不能應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。
使用非磷酸鹽的化合物可避免磷酸根積累的問題。
通過利用糖酵解途徑中的反應(yīng),葡萄糖和丙酮酸鹽已作為底物用于無細(xì)胞體系中ATP的合成。最近,由麥芽糖糊精磷酸化酶介導(dǎo)的反應(yīng)以麥芽糖糊精作為底物生成ATP,與葡萄糖相比,每單位麥芽糖糊精可以多生成1個(gè)ATP,同時(shí)生成可以緩慢釋放能量的化合物葡萄糖-6-磷酸,更可能應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)[31].
4多酶催化體系的應(yīng)用
無細(xì)胞多酶催化體系的應(yīng)用最初可以追溯到100多年前。1897年,EduardBuchner使用酵母提取物將糖轉(zhuǎn)化成乙醇和二氧化碳,憑借這一成就,他獲得了1907年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。從那時(shí)起,無細(xì)胞多酶催化體系逐漸為人們所熟知并加以應(yīng)用。無細(xì)胞多酶催化體系的構(gòu)建不僅能在一定程度上克服體內(nèi)代謝途徑的缺點(diǎn),還擁有產(chǎn)量高、純度高以及反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為合成高價(jià)值化合物和生物能源的一種新選擇[32].
4.1生物制氫
無細(xì)胞合成體系最初在生物產(chǎn)氫研究領(lǐng)域取得了較大的突破。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Woodward等[33]利用葡萄糖-6-磷酸作為反應(yīng)底物,在體外成功構(gòu)建了1條生物產(chǎn)氫的催化途徑,最終每摩爾葡萄糖-6-磷酸經(jīng)過一系列反應(yīng)得到了11.6摩爾氫氣。然而,葡萄糖-6-磷酸作為反應(yīng)底物存在幾個(gè)缺點(diǎn):成本偏高;游離的磷酸作為最終產(chǎn)物會(huì)結(jié)合Mg2+,從而影響參與反應(yīng)的部分酶的活力;磷酸積累造成pH波動(dòng)過大,不利于體系的平衡[34].弗吉尼亞理工大學(xué)的Zhang課題組[31]為了解決這些問題,將葡聚糖作為反應(yīng)起始底物,利用低聚的糖苷鍵和多糖的化學(xué)鍵能量,通過添加少量可回收利用的磷酸根離子和適當(dāng)?shù)牧姿峄,在原有途徑基礎(chǔ)上引入了從葡聚糖到葡萄糖-6-磷酸的兩步反應(yīng),取得顯著效果,氫氣產(chǎn)量提高到12mol/mol(底物),且不需添加ATP.由于葡聚糖價(jià)格更低(約0.15$/kg)、更易獲得,因此新途徑能有效降低生產(chǎn)成本(圖2)。2013年,Zhang課題組[35]在體外構(gòu)建了利用木糖產(chǎn)氫氣的無細(xì)胞合成體系(圖3)?梢灶A(yù)見,通過使用更為廉價(jià)的底物可以進(jìn)一步降低成本,為生物產(chǎn)氫工業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
4.2生物食品和生物燃料
纖維素是地球上含量最豐富的有機(jī)化合物之一,并且是可再生能源的一種理想原材料來源。如今,它還能夠解決人類的溫飽問題。在一項(xiàng)新的研究中,Zhang課題組[36]找到了一種將纖維素轉(zhuǎn)化為淀粉的新途徑。為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化,他們選擇了植物、真菌和細(xì)菌來源的內(nèi)切葡聚糖酶-纖維二糖水解酶、纖維二糖磷酸化酶和a-葡聚糖磷酸化酶,通過基因設(shè)計(jì)與優(yōu)化,人工合成具有大腸桿菌密碼子偏好性的基因序列,在大腸桿菌中表達(dá),最終得到了需要的酶,并在體外構(gòu)建了多酶催化體系(圖4)。與將纖維素完全分解為葡萄糖,再重新將其組裝為淀粉不同,他們首先將纖維素分解為纖維二糖,隨后將纖維二糖分解為葡萄糖及G-1-P,G-1-P起到構(gòu)建直鏈淀粉模塊的作用。通過這種體外多酶催化體系,他們可將高達(dá)30%的纖維素轉(zhuǎn)化為淀粉,剩下的纖維素水解為葡萄糖,通過酵母的轉(zhuǎn)化在同一生物反應(yīng)器中生產(chǎn)乙醇。
可以預(yù)見,下一代的生物精煉廠將會(huì)使用這種體外多酶催化體系同時(shí)生產(chǎn)食品和生物燃料。
丁醇是一種高品質(zhì)的汽油替代燃料,與傳統(tǒng)的乙醇燃料相比有很大優(yōu)勢:能量密度高,接近于汽油;親水性低,能與汽油高比例混合;可以使用現(xiàn)有石油管道進(jìn)行運(yùn)輸?shù)。此外,丁醇還是一種重要的大宗化工產(chǎn)品,每年全球市場需求達(dá)50萬噸左右。近幾年來,美國UCLA的Liao課題組[37]對異丁醇的生物制造進(jìn)行了深入研究。通過利用支鏈氨基酸的生物合成途徑和Ehrlich途徑,在大腸桿菌等模式生物中構(gòu)建了異丁醇的生物合成途徑,可以把糖轉(zhuǎn)換為異丁醇。但異丁醇的體內(nèi)合成面臨諸多限制因素,其中之一即為使用重組大腸桿菌生產(chǎn)異丁醇,當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到1%~2%(v/v)時(shí),異丁醇即對宿主產(chǎn)生毒性作用,從而降低了宿主的生長速率和產(chǎn)物收率。TUM的Sieber課題組[38]設(shè)計(jì)了一種體外的多酶催化體系可以將葡萄糖轉(zhuǎn)化為異丁醇或乙醇。他們?nèi)斯?gòu)建了最小化的糖酵解級聯(lián)反應(yīng),反應(yīng)只需要添加一種輔酶(圖5略)。在耐受性試驗(yàn)中,無細(xì)胞的多酶催化體系在異丁醇產(chǎn)率高達(dá)4%(v/v)時(shí)反應(yīng)速率仍不受到影響。
4.3生物制藥
抗生素是由微生物或高等動(dòng)植物所產(chǎn)生的具有抗病原體或其他活性的一類次級代謝產(chǎn)物。目前臨床常用的抗生素很多是由基因工程菌發(fā)酵得到,在體外構(gòu)建多酶催化體系生產(chǎn)抗生素,可以避免基因工程菌在合成抗生素時(shí)產(chǎn)生的自我抑制情況,具有很好的發(fā)展前景。加州大學(xué)圣地亞哥分校的Moore課題組[39]2007年首次在體外構(gòu)建了II型聚酮類化合物的合成途徑,該體系利用苯甲酸及丙二酰CoA作為反應(yīng)底物,在外源補(bǔ)加ATP及NADPH的條件下得到了天然抗生素-腸球菌素(圖6)。
除此之外,無細(xì)胞多酶催化體系也已經(jīng)應(yīng)用于其他領(lǐng)域,如精細(xì)化工合成[40]、生物閉合電路構(gòu)建[41]、無細(xì)胞蛋白合成[42]和各種單糖或多聚糖合成[43].
5總結(jié)
無細(xì)胞合成生物技術(shù)由于其高度可控及構(gòu)建體外代謝途徑的方法多樣,正逐漸成為一個(gè)強(qiáng)大的技術(shù)平臺(tái),能夠完成許多體內(nèi)代謝途徑無法完成的工作。相對于傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵生產(chǎn),無細(xì)胞多酶催化體系擁有諸多優(yōu)勢,但其未來的應(yīng)用仍存在相當(dāng)大的挑戰(zhàn),即其應(yīng)用存在一定的局限性。這種局限性表現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)缺乏通用的積塊(酶或輔酶),使其成本偏高,F(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)最重要的就是標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī);,只有通過基因工程手段構(gòu)建大量熱穩(wěn)定的、價(jià)格低廉的酶,并發(fā)展仿生輔酶類似物,才能大幅降低無細(xì)胞合成生物技術(shù)的成本,使其可以與傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵進(jìn)行競爭;(2)反應(yīng)速率仍有待大幅提高?梢酝ㄟ^優(yōu)化多酶體系的催化模型、代謝流分析、增加底物濃度、增加酶裝載量、提高反應(yīng)溫度等手段加快反應(yīng)速率、提高催化效率。對于無細(xì)胞的合成生物技術(shù),現(xiàn)階段的發(fā)展目標(biāo)是在低成本和工業(yè)化大規(guī)模的基礎(chǔ)上構(gòu)建可控的、高效的多酶催化體系。
可以充分挖掘無細(xì)胞系統(tǒng)的潛能,實(shí)現(xiàn)更好的學(xué)習(xí)、控制和調(diào)節(jié)。隨著酶制備成本的降低及酶工程技術(shù)的不斷提高,相信在不遠(yuǎn)的將來,無細(xì)胞的合成生物技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于生物制造業(yè)。
參考文獻(xiàn):
宋凱.合成生物學(xué)導(dǎo)論.北京:科學(xué)出版社,2012.
王俊姝,祁慶生.合成生物學(xué)與代謝工程.生物工程學(xué)報(bào),2009,25:1296–1302.
RoDK,ParadiseEM,OuelletM,FisherKJ,NewmanKL,NdunguJM,KeaslingJD.Productionoftheantimalarialdrugprecursorartemisinicacidinengineeredyeast.Nature,2006,440:940–943.
MartinVJ,PiteraDJ,WithersST,NewmanJD,KeaslingJD.EngineeringamevalonatepathwayinEscherichiacoliforproductionofterpenoids.Nature,2003,21:796–802.
ForsterAC,ChurchGM.Towardssynthesisofaminimalcell.MolSystBiol,2006,2:45.
ZhangYHP.Productionofbiocommoditiesandbioelectricitybycell-freesyntheticenzymaticpathwaybiotransformations:challengesandopportunities.BiotechnolBioeng,2010,105:663–677.
ZhangYHP,SunJ,ZhongJJ.Biofuelproductionbyinvitrosyntheticenzymaticpathwaybiotransformation.CurrOpinBiotechnol,2010,21:663–669.
WangY,HuangW,SathitsuksanohN,ZhuZ,ZhangYHP.Biohydrogenationfrombiomasssugarmediatedbyinvitrosyntheticenzymaticpathways.ChemBiol,2011,18:372–380.
JewettMC,CalhounKA,VoloshinA,WuuJJ,SwartzJR.Anintegratedcell-freemetabolicplatformforproteinproductionandsyntheticbiology.MolSystBiol,2008,4:220.
ZhangYHP,MyungS,YouC,ZhuZ,RollinJA.Towardlow-costbiomanufacturingthroughinvitrosyntheticbiology:bottom-updesign.JMaterChem,2011,21:18877–18886.
ZhangYHP.Substratechannelingandenzymecomplexesforbiotechnologicalapplications.BiotechnolAdv,2011,29:715–725.
JungGY,StephanopoulosG.Afunctionalproteinchipforpathwayoptimizationandinvitrometabolicengineering.Science,2004,304:428–431.
HansonLee,DeLoacheWC,DueberJE.Spatialorganizationofenzymesformetabolicengineering.MetabEng,2012,14:242–251.
El-ZahabB,DonnellyD,WangP.Particle-tetheredNADHforproductionofmethanolfromCO2catalyzedbycoimmobilizedenzymes.BiotechnolBioeng,2007,99:508–514.
MeiL,XieR,YangC,JuXJ,WangJY,ZhangZ,ChuLY.Bio-inspiredmini-eggswithpH-responsivemembraneforenzymeimmobilization.JMembraneSci,2013,429:313–322.
VafiadiC,TopakasE,ChristakopoulosP.Preparationofmultipurposecross-linkedenzymeaggregatesandtheirapplicationtoproductionofalkylferulates.JMolCatalB:Enzym,2008,54:35–41.
張蕾.生物粘合與生物礦化啟發(fā)下多酶催化系統(tǒng)的構(gòu)建.博士學(xué)位論文.天津:天津大學(xué),201018LiangX,XuB,KuangS,WangX.Multi-functionalizedinorganic-organicrareearthhybridmicrocapsules.AdvMater,2008,20:3739–3744.
【無細(xì)胞合成生物技術(shù)的進(jìn)展探究】相關(guān)文章:
人類理性對秩序的探究05-04
隱私權(quán)及其探究06-03
探究網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)特征05-30
超硬材料薄膜涂層研究進(jìn)展及應(yīng)用05-03
XX公司XX員工培訓(xùn)探究05-12
如何培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力05-19
居住小區(qū)景觀營建探究05-11