Nature：自然与工程的结合：探索合成生物学的新边界

引言

在现代生物技术的前沿，合成生物学家正在不断探索和拓宽科学的边界，其中之一就是利用微生物生产对人类有益的化学品。这一领域中的一项重要研究方向是生物制造(biomanufacturing)，即利用微生物细胞作为生物工厂，生产食品添加剂、生物燃料等有用的化合物。生物制造相比于传统的化学制造方法，具有更加环保的优点，但其成本较高，限制了这一技术的广泛应用。

研究人员一直在寻找降低生物制造成本的方法。近期，合成生物学家通过引入非典型的氧化还原辅因子(non-canonical redox cofactors, NRCs)来拓展细胞的代谢工程选项，这一策略为生物制造的未来打开了新的大门。辅因子(cofactors)是一类小分子有机物，能够结合到酶上，为酶的反应提供或接受电子，从而驱动酶催化的化学反应。在许多生物化学反应中，辅因子的作用至关重要，然而它们在细胞内的作用往往是能量密集的，且需要在特定的化学环境中进行。

合成生物学家正在设计专门用于合成酶的人造氧化还原辅因子，这些人造辅因子能够完全绕过细胞的自然机制，从而使生物制造过程中的两个过程不再需要相互竞争。通过这种方式，研究人员可以在不干扰细胞正常生理过程的情况下，让细胞产生新的或者更高效的化学反应。例如，加州大学欧文分校的化学和生物工程师Han Li的研究团队已经设计出能够产生比以前更多产品的合成系统。

然而，人造氧化还原辅因子的研究与应用并不容易。研究人员需要找到高效生产NRCs的方法，确保辅因子和酶不会对细胞造成伤害，并且修改每个酶以接受NRCs，而不影响酶的正常功能。将NRC生产规模化到工业水平将带来更多的挑战。但一些研究人员认为，NRCs可能会彻底改变化学制造业，使得生物制造更加廉价、简单和可行。(4月1日 Nature “How synthetic biologists are building better biofactories”)

人工电子供体与受体的角色

在合成生物学领域，人工电子供体与受体的研究正日益成为推动生物制造技术进步的关键因素。通过精心设计的人工电子供体和受体，研究人员能够显著扩展细胞的代谢能力，从而使细胞能够生产出传统方法难以实现的复杂化合物。这一进步不仅有望解决现有生物制造过程中的一些瓶颈问题，还将为新的生物合成路径的探索提供广阔的平台。

人工电子供体与受体的工作机制

人工电子供体和受体通过模拟细胞内天然存在的氧化还原辅助因子（如NAD+/NADH和FAD/FADH2）的功能，介入细胞内的代谢反应。它们通过接受或提供电子，促进特定酶的催化作用，从而推动目标化合物的生产。不同于天然的辅助因子，这些人工设计的分子能够被特定的合成酶所识别和利用，从而减少了与细胞天然代谢途径的竞争，提高了生物制造过程的效率和产量。

扩展代谢工程

引入人工电子供体和受体，为合成生物学家提供了前所未有的代谢工程设计空间。通过这些人工分子，可以实现在单一细胞内同时进行多条代谢途径的调控，而这在传统生物制造中是极为困难的。此外，这些人工辅助因子还能够使细胞在非自然状态下进行代谢活动，生产那些在自然条件下难以或不能由生物体合成的化合物。

尽管人工电子供体与受体的研究为合成生物学的发展开辟了新的道路，但在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，如何确保这些人工分子在细胞内的稳定性和生物相容性，避免对细胞的正常生长和代谢造成不利影响，是必须解决的问题。其次，合成这些人工辅助因子的成本和复杂性往往较高，如何实现其大规模、低成本的生产，是实现工业化应用的关键。最后，对于人工辅助因子与合成酶之间相互作用机制的深入理解还有待加强，这对于设计更高效的生物合成系统至关重要。

合成小分子辅酶在生物制造中的应用

降低生物制造成本的策略

在当前的合成生物学研究中，如何通过合成小分子辅酶来降低生物制造过程的成本，已成为学界和工业界共同关注的焦点。合成小分子辅酶作为一种新兴的生物工程工具，不仅能够提高生物制造的效率和产量，还有望大幅降低生产成本。然而，这一领域的发展同时也面临着不少挑战。

合成小分子辅酶的经济效益

成本效益分析：相较于传统的化学合成路径，利用合成小分子辅酶进行生物制造可以在常温常压下进行，大大减少了能源消耗和对环境的影响，从而降低了生产成本。

生产效率提升：通过优化合成辅酶的结构和功能，可以提高特定生物反应的催化效率，从而减少原料消耗和加速生产周期，进一步降低生产成本。

方法的潜力

辅酶重用和循环：研究人员正在探索合成辅酶的有效回收和循环使用方法，以减少生物制造过程中辅酶的消耗，提高整个生产过程的经济性。

定制化设计：随着合成生物学和蛋白质工程的不断进步，可以通过定制化设计辅酶来适应特定的生物合成需求，提高特定产物的产率和纯度，从而减少后续纯化步骤的成本。

面临的限制

合成成本：尽管合成小分子辅酶具有巨大的应用潜力，但目前合成和优化这些辅酶的成本仍然较高，这在一定程度上限制了其在工业规模生产中的应用。

稳定性和兼容性问题：合成辅酶需要在生物体内保持足够的稳定性，并且与宿主细胞的其他生物分子兼容，这些都是目前需要克服的技术挑战。

细胞的合作难题

在合成生物学的研究与应用中，一个不容忽视的问题是细胞往往不按照研究者的意图进行特定物质的生产。这一现象被称为“细胞的合作难题”，它不仅挑战了科学家们对生命科学的理解，也为生物制造领域带来了实际的技术障碍。

细胞非合作行为的成因

代谢资源的竞争：细胞内部的资源有限，当引入外源基因或代谢途径以生产非自然产物时，这些外源元素与细胞本身的生存需求之间往往会发生竞争，导致细胞优先满足自身需求而忽视外源基因的表达。

基因表达的稳定性问题：外源基因在宿主细胞中的表达可能不稳定，容易受到细胞内环境的影响，导致生产特定物质的效率低下。

解决策略

代谢工程的优化：通过代谢工程技术，优化细胞内的代谢途径，减少非目标代谢活动，提高资源分配的效率，促进细胞合作。

合成生物学构建的调控网络：设计复杂的基因调控网络，实现对细胞行为的精确控制，确保外源基因的稳定表达，增强细胞的合作性。

破解代谢资源竞争的新途径

并行生物合成途径的开发

在合成生物学领域，代谢资源的竞争一直是一大挑战。细胞内的资源，如能量和原料，在自然状态下需满足细胞生长和繁殖的需求。然而，当研究人员试图通过代谢工程引导细胞生产非自然产物时，便会引发资源分配的内在竞争，影响所需产品的产量和效率。

并行合成途径

并行生物合成途径的开发，提供了一种优雅的解决方案。通过构建与细胞自然代谢途径平行的合成路径，可以有效减轻代谢资源的竞争压力。这些并行途径独立于细胞的主要生命活动，专门用于生产目标化合物，从而避免了与细胞生长所需代谢途径的直接竞争。

并行途径的设计策略

选择合适的宿主细胞：选择具有较高代谢灵活性和遗传操作容易性的微生物作为宿主，如大肠杆菌或酿酒酵母。

合成辅助因子的应用：引入人工电子供体或受体，为并行途径提供所需的能量和电子，确保该途径的高效运行。

遗传元件的精确控制：通过合成生物学工具，如启动子和抑制子，精确调控目标基因的表达，实现对并行途径的细致控制。

代谢流的优化：通过代谢工程技术，如CRISPR-Cas9，精确编辑宿主基因组，优化原料和能量向并行途径的流动。

成功的案例中，研究人员构建了一条并行途径，使大肠杆菌能够在不影响其正常生长的情况下，高效地生产丁酸。通过对比较传统的代谢工程方法，这条并行途径不仅提高了丁酸的产量，还显著降低了细胞生长抑制现象。

合成氧化还原辅酶的设计

在合成生物学的研究和应用中，设计和利用合成氧化还原辅酶（Synthetic Redox Cofactors，简称SRCs）是提高生物合成效率、扩展生物催化反应范围的重要手段。通过引入SRCs，研究人员能够让合成酶在不干扰细胞自然生命活动的情况下独立工作，从而实现对特定化学反应的精确控制，提高目标产物的产量和纯度。

SRCs设计原则

合成氧化还原辅酶的设计遵循特定的生物化学原理和分子工程技术，主要包括：

活性中心的模拟：通过分析天然辅酶的结构和功能，设计能模拟其活性中心的合成辅酶，使之能够有效参与特定的氧化还原反应。

亲和力调控：通过改变SRCs的化学结构，调节其与合成酶的结合亲和力，确保辅酶在反应中的稳定性和高效转换能力。

电子转移特性优化：针对不同的氧化还原反应，设计SRCs以优化电子转移速率和方向，提高催化效率。

SRCs的应用展望

合成氧化还原辅酶的引入，为生物制造领域带来了新的可能性：

生物催化反应的扩展：SRCs能够使微生物合成酶催化那些在天然条件下不可能或效率低下的反应，大大扩展了生物催化的应用范围。

代谢途径的创新：通过结合SRCs和合成生物学技术，研究人员可以构建全新的代谢途径，生产出新型生物活性物质或提高传统产品的产量。

工业生产的优化：在工业生物制造过程中，引入SRCs可以减少副反应，提高目标化合物的产率和纯度，降低生产成本。

面临的挑战

尽管SRCs的应用前景广阔，但在实际操作中仍面临许多挑战，包括：

合成辅酶的稳定性：在复杂的细胞环境中，如何保证SRCs的稳定性和活性是关键问题之一。

细胞内外平衡：需要确保SRCs的引入不会破坏细胞内部的平衡，影响细胞的正常生长和代谢。

成本效益：高效合成和引入SRCs的成本是推广应用的重要考虑因素。

非典型氧化还原辅酶（NRCs）的挑战与机遇

NRCs的开发与工程化酶的设计

在合成生物学领域，非典型氧化还原辅酶（Non-canonical Redox Cofactors，NRCs）的开发与应用，为生物合成路径提供了新的可能性。NRCs能够使得工程化酶在不依赖细胞内自然存在的辅酶的情况下独立进行催化反应，从而在不干扰细胞原有代谢途径的前提下提高目标化合物的生产效率。

NRCs的生产策略

为了高效地生产NRCs，研究人员采取了多种策略：

生物合成途径的优化：通过基因编辑技术，如CRISPR/Cas9，对宿主微生物的代谢途径进行改造，提高NRCs的生物合成效率。

化学合成与生物合成相结合：利用化学方法合成NRCs的关键前体，再通过微生物转化完成NRCs的生产，这种方法可以有效地提高NRCs的产量和纯度。

发酵过程的优化：通过对发酵条件如温度、pH值、养料浓度等进行优化，提高NRCs的生产效率和稳定性。

工程化酶的设计原则

工程化酶的设计是实现NRCs应用的关键一步，其设计原则包括：

酶活性位点的改造：通过定点突变或定向进化技术，改造酶的活性位点，使其能够识别并利用NRCs作为辅酶进行催化反应。

酶结构的稳定性调控：优化酶的三维结构，提高其在不同反应条件下的稳定性，保证其在工业生产过程中的可靠性。

酶与NRCs的亲和力调节：通过分子模拟和结构分析，设计酶与NRCs之间的高亲和性相互作用，确保反应的高效性。

面临的挑战与解决策略

在NRCs的开发与工程化酶的设计过程中，研究人员面临着多项挑战：

细胞内外环境的影响：需要确保NRCs及工程化酶在细胞内外复杂环境中的稳定性和活性。

生产成本的控制：高效生产NRCs的同时，还需考虑经济性，通过提高生产效率和降低原料成本来控制生产成本。

生物安全性的考量：在设计NRCs及工程化酶时，需考虑其对宿主细胞以及最终产品的生物安全性影响。

从实验室到工业规模生产的挑战

将非典型氧化还原辅酶（NRCs）的生产从实验室规模扩大到工业水平，是合成生物学领域内一个充满挑战和机遇的进程。这一转变不仅能够推动生物制造技术的发展，还有望降低生产成本，提高生物产品的市场竞争力。然而，这一过程中存在的诸多挑战也需要科学家们和工程师们共同努力克服。

规模扩大过程中的技术挑战

生产效率的提升：在工业规模生产中，如何保持高效的生产效率是首要考虑的问题。这要求对NRCs的生产过程进行细致的优化，包括发酵工艺、辅酶和酶的稳定性以及产品的提纯过程。

成本控制：规模化生产的一个重要目标是降低单位产品的成本。这不仅包括原材料成本、生产设备和运营成本，还涉及到后期的产品提纯和质量控制成本。

系统稳定性：在扩大生产规模的过程中，保持生产系统的稳定性是一个巨大的挑战。这包括生物反应器内微生物的稳定生长、辅酶和酶的活性稳定以及整个生产过程的可重复性。

解决策略

针对上述挑战，研究人员和工程师们正在探索一系列解决策略：

生物工程优化：通过基因编辑技术和代谢工程，优化宿主微生物的代谢途径，提高NRCs的生产效率和目标产品的产量。

工艺流程创新：开发新的生物反应器设计和发酵工艺，提高生产过程的稳定性和效率，同时降低能源和原材料的消耗。

成本效益分析：通过全面的成本效益分析，确定最经济有效的生产方案，包括原料选择、生产工艺和能源管理等方面的优化。

产业化前景

尽管面临诸多挑战，但随着合成生物学和生物工程技术的不断进步，将NRCs生产扩大到工业规模已经成为可能。这不仅将加速生物制造领域的发展，也为相关产业带来了新的增长点，特别是在制药、生物能源和精细化工等领域。未来，随着更多的创新技术和优化策略的应用，实现更便宜、更简单、更可行的生物生产将不再是遥不可及的梦想。

生物制造的未来展望

NRCs在化学制造中的潜在转型作用

非典型氧化还原辅酶（NRCs）作为合成生物学领域的一项前沿技术，正逐步展现出其在化学制造行业中的巨大潜力。通过引入NRCs，生物生产过程能够更高效、更环保，从而为化学制造业带来颠覆性的变革。

NRCs对化学制造业的影响

提升生产效率：NRCs能够使得微生物在生物反应器中以更高的效率生产目标化合物，这意味着在相同的时间和资源消耗下，可以获得更多的产品，从而提高整体的生产效率。

降低生产成本：利用微生物和NRCs进行生物合成，相较于传统的化学合成过程，可以在常温常压下进行，大幅减少能源消耗和原材料成本，从而降低生产成本。

减少环境污染：传统化学制造过程中可能产生有害的副产品和废物，而利用NRCs的生物生产过程则具有更高的底物特异性，可以有效减少有害副产品的生成，从而降低对环境的污染。

增加产品多样性：NRCs的引入拓宽了微生物合成能力的边界，使得许多之前难以通过生物途径合成的化合物成为可能，极大地丰富了产品的多样性。

克服的挑战

要实现NRCs在化学制造中的广泛应用，还需克服以下挑战：

技术成熟度：尽管NRCs在实验室研究中表现出色，但将其应用到工业规模生产中仍需要解决技术稳定性、生产效率和成本控制等问题。

规模化生产：目前，大规模生产NRCs和相关工程化酶的技术和工艺尚不成熟，需要进一步的技术创新和优化。

市场接受度：尽管NRCs带来的好处显而易见，但如何让化学制造业界接受并广泛采用这一新技术，还需要时间和更多的成功案例来证明其商业价值。

科学幻想还是即将到来的现实？

随着合成生物学的飞速发展，非典型氧化还原辅酶（NRCs）和工程化酶的研究正逐步从科学幻想走向现实。这些先进技术的应用前景不仅局限于学术研究，更有望推动我们走向更环保的生产系统，为可持续发展的目标提供切实可行的解决方案。

NRCs和工程化酶的应用潜力

生物制造的创新：NRCs和工程化酶能够提高生物反应的效率和特异性，使得生物制造过程更加高效、环保。这对于减少化学生产中的有害排放和能源消耗具有重要意义。

新材料的开发：这些技术的应用将使得生物合成路径能够高效地生产出传统化学方法难以合成的复杂有机分子，从而促进新材料和新药物的开发。

废物利用与循环经济：利用工程化微生物将废物转化为有价值的产品，不仅有助于资源的再利用，也是推动循环经济发展的重要途径。

推动环保生产系统的关键因素

技术成熟度的提升：要将NRCs和工程化酶的应用从实验室推广到工业生产，需要进一步提升这些技术的成熟度，包括稳定性、可靠性以及成本效益等方面的优化。

政策和法规的支持：政府和相关机构需要制定鼓励创新和应用这些技术的政策和法规，为科技成果的转化和产业化提供有力支持。

公众意识的提高：增强公众对于生物技术在推动环保生产系统中作用的认识，有助于提升社会对这些新技术的接受度和支持度。

Q&A

如何确保合成辅酶不会对细胞的正常生理活动产生不良影响？

在合成辅酶的设计和应用过程中，确保它们不会对宿主细胞的正常生理活动产生不良影响是至关重要的。为此，科学家采取了多种策略：

-精确的分子设计：通过对合成辅酶的结构进行精确设计，确保它们只与特定的工程化酶发生作用，而不会干扰细胞内的自然酶系统。

-严格的生物安全评估：在将合成辅酶引入宿主细胞之前，进行全面的生物安全性评估，确保它们在细胞内的稳定性和无毒性。

-动态的代谢调控：利用合成生物学的技术，如基因回路的设计，对合成辅酶的表达和活性进行动态调控，以适应细胞的生理状态和代谢需求。

NRCs在实际应用中的效率和可行性如何？

非典型氧化还原辅酶（NRCs）在实验室研究中已显示出极大的潜力，但其在实际应用中的效率和可行性还需进一步的验证和优化。目前，研究人员正致力于提高NRCs的稳定性、降低生产成本，并在多种宿主细胞中测试它们的应用效果。随着技术的成熟和优化，NRCs在生物制造中的应用前景看好，有望在不久的将来实现工业化生产。

生物制造与化学制造相比有哪些优势？

生物制造与传统的化学制造相比具有一系列独特的优势：

-环境友好性：生物制造过程通常在温和的条件下进行，消耗更少的能源，产生更少的有害废物，对环境的影响较小。

-生产效率：利用合成生物学技术，可以精确控制代谢路径，提高目标产品的产量和纯度。

-原料多样性：生物制造可以利用可再生资源，如植物生物质，作为原料，减少对化石燃料的依赖。

参考文献

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