微生物细胞工厂能力综合评估：为生物基化学品生产开启新篇

为解决构建高效微生物细胞工厂时在宿主菌株选择、代谢工程策略确定等方面耗费大的问题，研究人员开展了微生物细胞工厂能力综合评估的研究。他们分析多种微生物代谢能力，提出代谢工程策略，这为微生物系统代谢工程提供了全面资源。

　　在生物技术蓬勃发展的当下，微生物细胞工厂作为生产化学品和材料的 “潜力股”，备受瞩目。系统代谢工程虽为其发展助力，然而构建高效微生物细胞工厂仍困难重重。探索合适的宿主菌株和代谢工程策略，需要投入大量的时间、精力与资金。在此背景下，韩国先进科学技术研究院（KAIST）的研究人员开展了一项意义深远的研究，相关成果发表于《Nature Communications》 ，为该领域指明了新方向。
研究人员运用了多种关键技术方法。通过构建基因组规模代谢模型（GEMs）计算化学品的最大理论产量（YT）和最大可实现产量（YA），以此评估微生物的代谢能力；利用通量变异性扫描基于强制目标函数（FVSEOF）和 iBridge 分析来预测代谢反应的调控方向 ，优化代谢通量。
下面来看具体的研究结果。
在选择具有高代谢能力的合适宿主菌株方面，研究人员分析了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）、大肠杆菌（Escherichia coli）、恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）这五种工业常用微生物生产 235 种化学品的代谢能力。通过计算YT和YA，发现多数化学品在酿酒酵母中产量最高，但也有部分化学品在其他菌株中具有优势，如在枯草芽孢杆菌中合成庚二酸的产量较高。这表明不能一概而论地选择宿主菌株，而应针对每种化学品进行具体评估。同时，研究还发现生物合成途径的长度与最大产量呈弱负相关，意味着需从系统层面分析最大产量。此外，研究人员对利用一碳化合物生产化学品的潜力进行了分析，不同菌株和同化途径对一碳化合物的利用效率不同，例如在利用甲醇生产癸二酸时，大肠杆菌和恶臭假单胞菌的YT和YA较高 。
对于提高化学品生产的固有代谢能力，研究人员采用了两种策略。一是引入异源反应扩展天然代谢网络，通过构建通用模型筛选出能提高目标化学品YT的异源反应。例如，磷酸酮醇酶可改善多种化学品的YT，引入鸟氨酸转氨酶能提高大肠杆菌中鸟氨酸的产量 。二是进行辅因子交换，分析发现交换某些代谢反应中的辅因子可提高目标化学品的YT。如在大肠杆菌中，交换甘油醛 - 3 - 磷酸脱氢酶的辅因子可提高乙酰辅酶 A 衍生化学品的YT 。
在重新调整代谢通量以生产目标化学品方面，研究人员利用 FVSEOF 和 iBridge 分析预测代谢反应的上调或下调靶点。研究发现不同化学品的代谢通量优化策略存在差异，即使是具有相同前体的化学品，其工程策略也可能大不相同。例如，芳香族化合物的代谢通量优化策略就因化合物不同而有所区别 。
研究结论表明，该研究为微生物细胞工厂的系统代谢工程提供了全面的资源，涵盖了宿主菌株选择、代谢途径构建和代谢通量优化等方面。通过计算多种化学品在不同菌株中的产量，提出的工程策略可提高微生物的代谢能力和生产效率。然而，研究也存在一定的局限性，如传统的基于约束的建模方法未考虑基因表达等因素，通用模型的质量和数量限制了异源反应的搜索。尽管如此，这项研究仍是微生物细胞工厂发展道路上的重要里程碑，为后续构建高性能微生物细胞工厂提供了关键参考，推动了生物基化学品生产领域的发展。