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微生物具備強大而多樣的生化反應網(wǎng)絡，隨著合成生物學的快速發(fā)展，其有望成為利用可再生資源為原料生產(chǎn)各類高附加值產(chǎn)品的“細胞微工廠”。

如何讓微生物這一“細胞微工廠”變得更加高效？

近日，一項發(fā)表于《自然·代謝》的研究，首次對微生物酵母的能量代謝網(wǎng)絡進行了重構，在細胞質內設計并構建了合成的能量系統(tǒng)，即細胞的“動力引擎”。合成的能量系統(tǒng)不僅可以提供能量動力，支撐細胞生長，同時還可以助力“細胞微工廠”產(chǎn)品的高效合成。

該研究由中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所于濤實驗室與瑞典查爾姆斯理工大學延斯·尼爾森（JensNielsen）實驗室共同合作完成，于濤研究員為第一作者兼共同通訊作者。

合成能量系統(tǒng)支撐細胞生產(chǎn)

微生物作為“細胞工廠”，與我們平常所熟知的工廠一樣，具有不同生產(chǎn)階段的車間，即微生物的細胞器等。但細胞工廠的本質又區(qū)別于一般的工廠。有時，細胞工廠可能只是由一類微生物組成，而并不具備完善的流水線工程。

雖然能量的充足供應和平衡在細胞工廠的構建中十分重要，但是以往科學家們往往僅從“工廠產(chǎn)品”的合成途徑方面進行改造，而從能量代謝的角度對微生物進行改造的研究比較少見。

細胞在合成生物大分子、構建碳骨架等生長過程中會消耗能量，還需要克服底物和生物量之間的還原度差異。對于脂質等高價值的儲能化合物，其還原度遠高于葡萄糖等底物，細胞往往需要額外的還原力和能量來合成這些化合物。

如何讓細胞既有能量進行自我生長，又有能量與足量還原力支撐高還原度化合物的合成？科研團隊將看似無關的三個模塊通過合成生物學的理念整合在一起，實現(xiàn)了這一目標。

在該研究中，團隊通過相關設計，組合了磷酸戊糖循環(huán)、轉氫循環(huán)和外部呼吸鏈三個模塊，在酵母細胞內構建了一個人工的合成能量系統(tǒng)。

首先，科研團隊初步驗證了其構建的合成能量系統(tǒng)的碳流通量；然后，證實了該系統(tǒng)可以在細胞質中積累過量的NADPH和NADH，支持細胞合成高還原性化學品琥珀酸與甘油等產(chǎn)物；最后，驗證了該合成的能量系統(tǒng)可以代替線粒體中的TCA循環(huán)發(fā)揮作用，支持細胞生長。

研究團隊以人工合成的方式構建的能量系統(tǒng)，不僅可以作為助力細胞自身生長的“內源發(fā)動機”，也為細胞構建了利于產(chǎn)物合成的“能量發(fā)動機”，能同時支撐細胞生長和高還原性化合物的生產(chǎn)。

助力可再生能源的生物儲能

脂肪酸可用于合成細胞的膜結構。由于其能量密度高，脂肪酸及其衍生物被廣泛地應用于重型機器與航空用油。相對于利用傳統(tǒng)化石能源，如果能通過生物合成脂肪酸，將在一定程度上改善能源的可再生程度。在此次研究中，研究團隊構建的合成能量系統(tǒng)成功地改善了脂肪酸的糖轉化率。

該研究創(chuàng)新性地實現(xiàn)了一種新型胞質合成還原代謝途徑的重構，團隊基于重復的單脫羧反應創(chuàng)造了一個人工能量系統(tǒng)，使得細胞質基質中額外NADH的供應與能量合成成為可能。該成果還證明了酵母細胞中樞代謝的可塑性和靈活性。

于濤表示，研究團隊將會在現(xiàn)有合成能量系統(tǒng)的基礎上做進一步深入研究，將合成的能量系統(tǒng)與CO_2、甲醇等低碳原子的生物代謝相結合，開發(fā)服務于可再生能源的生物儲能新技術。