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这篇综述聚焦工业生物技术，阐述了分子过程控制（MPC）在优化生物工艺中的关键作用。MPC 整合分子生物学与宏观生物工艺设计，从转录、翻译和系统水平调控基因表达，为实现可持续、高效生物制造提供新策略，极具参考价值。
工业生物技术中过程控制策略的演变
生物制造在应对现代社会挑战方面愈发重要，生物基化学品逐渐在市场上崭露头角。然而，许多生物制造过程存在产量和生产率低的问题，传统生物工艺工程在优化细胞外参数等方面有一定局限性。工业生物技术的范式转变，迫切需要先进的控制策略，分子过程控制应运而生，它可用于精准发酵的工艺优化。
分子过程控制作为工艺优化的工具
分子过程控制是将分子生物学元素融入生物过程控制，利用分子机制结合宏观生物工艺设计，实现对生物生产步骤的精准控制。其一般框架包括微生物选择和基因工程阶段开发合适的表达系统，接着在宏观生物工艺设计中定制合适的生物过程，每个阶段都需进行迭代验证和优化，最终形成基于知识的、具有多层控制选项的高性能过程。
转录水平的调控机制 —— 启动子系统
启动子系统可分为组成型启动子、诱导型启动子和自诱导型启动子。组成型启动子通常不用于分子过程控制中的产物形成调控。诱导型启动子的活性受化学诱导剂或温度等因素调节，根据其调控方式可分为主动诱导和被动诱导。自诱导型启动子中，群体感应（QS）是特殊例子，菌体自身产生诱导分子。
在实际应用中，有多种诱导型启动子系统。化学诱导的如PhaB和ParaB，分别由鼠李糖和阿拉伯糖诱导；温度诱导的如噬菌体 λ 启动子PL和PR ；还有光诱导、氧气诱导、pH 诱导等启动子系统，它们在不同生物制造过程中发挥着重要作用。
翻译水平的调控机制
在翻译水平，多种非编码 RNA（ncRNAs）和阻遏蛋白可影响翻译过程。
- RNA 温度计（RNATs）：它对微生物的温度响应至关重要，通过在特定温度下稳定或不稳定的二级结构，调节核糖体结合位点（RBS）的可及性，从而控制翻译起始。目前除了天然 RNATs，还可合成定制的 RNATs。
- 核糖开关（Riboswitches）：由效应结构域和配体结合结构域组成，配体结合可改变 RNA 结构，进而调控基因表达。不过，它存在缺乏模块化和可调性的问题，为此人们设计了核糖衰减子（ribo - attenuators）进行改进。
- 营养缺陷型和扩展遗传密码：营养缺陷型生物因无法合成某些必需化合物，其生长依赖于外界提供这些物质，可利用这一特性控制生物生长。扩展遗传密码则是将非天然氨基酸（ncAAs）引入蛋白质合成，为合成蛋白设计提供了新途径，并且营养缺陷型突变体可依赖 ncAAs，用于调控基因表达和蛋白生产。
系统水平的调控机制
系统水平的调控机制主要涉及生物体对营养物质的感应和群体感应（QS）。
- 营养感知：生物体能够检测周围环境中的多种营养物质，营养限制会影响细菌生长，并且能显著影响基因转录。如rhaBAD启动子系统的诱导与 cAMP/CRP 复合物相关，受葡萄糖浓度影响。
- 群体感应控制策略：群体感应在微生物中广泛存在，对生物过程有重要影响。针对群体感应，有多种控制策略。通过群体猝灭（QQ）抑制 QS，可添加天然化合物、QQ 酶或利用具有 QQ 特性的生物；利用基因工程使 QS 与目标化合物生产解耦；基于知识的过程控制整合 QS，通过建模深入理解群体行为；在菌株工程中靶向利用 QS 机制，如设计基于 QS 响应启动子的系统，调节代谢通量。
分子机制的优缺点及其工业相关性
不同分子机制在工业应用中各有优劣。例如，自诱导的脂肽表面活性素生产可使细胞动态适应发酵条件，营养缺陷型可用于生物遏制策略，RNATs 响应温度变化且无需化学诱导剂，成本较低且诱导可逆。但核糖开关需要化学配体，若该配体也是菌株代谢所需，会存在局限性；QS 系统虽然能使菌株对细胞密度变化做出反应，但系统复杂，实施难度大。
生长和生产阶段解耦的好处
生物过程中常存在权衡问题，如前体竞争、翻译机制限制以及细菌生长和产物形成的差异，导致不理想的生物质 - 产物关系。通过两阶段发酵过程解耦生物质形成和产物合成，可更好地控制底物通量，减少底物竞争，避免有毒产物对细胞生长的抑制。这一过程可通过过程控制或动态代谢工程实现，虽然会增加系统复杂性，但能提高生产率和产量。
应用分子过程控制的未来潜力
随着对生物技术产品需求的增加，对高性能生物过程的要求也越来越高。例如，精准发酵生产替代食品蛋白，预计效价至少达到 50g/L 才能实现经济可行性，同时还需考虑可持续性，降低生物过程的碳足迹。此外，在高表达阶段正确的蛋白质折叠也很重要，分子过程控制可通过微调生产速率满足这一需求。未来，如利用生物体自身代谢热诱导 RNAT 介导的产物形成、使用其他调节性 RNA 等新方法可能会发挥更重要作用。
结论
工业生物技术的工艺设计策略具有跨学科性，当前面临产品效价低和效率不足等问题。分子过程控制可扩展传统生物工艺设计，提供多层控制，促进基于知识的过程，但也面临挑战，如选择合适的分子方法、与宏观生物工艺控制结合的难度以及系统复杂性增加等。建立方法库有助于生物工艺工程师做出更合理的决策，利用分子过程控制有望推动可持续工艺设计，拓展生物技术产品种类。
