《Nature》子刊报道代谢工程细菌，高效合成高价值化合物

大自然总免不了向“愚蠢”的人类伸出援手，一项来自莱斯大学（Rice University）化学与生物分子工程系的最新研究成果则又是大自然在关键领域助人类一臂之力。

这项工作的主要完成人Ramon Gonzalez教授是莱斯大学的代谢工程专家，他擅长改造可用于生物技术的各类细菌。Gonzalez等人在《Nature Biotechnology》最新创造的细菌可以用酶高效地制造高价值的化合物，文中展示的18种化合物中有8种从未用微生物发酵的方法生产过。这种全新的细菌代谢途径也从未在自然界出现过，而且不会干扰细菌正常的代谢功能。构成新路线的每个步骤和酶都是天然的，研究者没有改造或创造如何一个酶，只是将天然存在的酶重新排列组合，形成了全新的代谢途径。（Energy- and carbon-efficient synthesis of functionalized small molecules in bacteria using non-decarboxylativeClaisen condensation reactions, Nat. Biotechnol.,  DOI: 10.1038/nbt.3505）

图1. 从左至右为文章的三位作者James Clomburg, Ramon Gonzalez 和Seokjung Cheong，老板都是穿西装的有木有。

图片来源：Rice University

活细胞中代谢途径就是一系列串联的化学反应。细胞往往同时进行多个代谢途径，它们可以分为三类：分解代谢途径指细胞将大分子分解成较小的分子砌块，这些小分子称为代谢物；合成代谢途径指细胞用代谢物构建所需的大分子；而中心代谢途径则为前两种代谢提供能量和物质支持。

Gonzalez称：“我们的目标是设计一个全新的代谢途径，它能低碳节能地制造复杂、有趣的分子。分解代谢途径虽然高效，但它只破不立。而合成代谢途径虽然可以制造很多有趣的分子，但往往效率低下，除了一些发酵反应，它们倒是既高效又能生产有趣的分子。”

图2. 细胞中脱羧克莱森缩合反应和非脱羧克莱森缩合反应，本文的代谢反应是更为高效低碳的后者

Gonzalez与合作者巧妙地将不同代谢途径的优点结合到了一起，创造了一条“混血”代谢途径，它兼具低碳节能和功能性。文章中用该代谢途径合成的分子非常多样，有支链、氧原子、芳环和其他化学结构。产物包括苯基链羧酸、羟基羧酸和碳链很长的二羧酸，还有更难得的巴豆酸和2-甲基戊酸。

每种化合物都是用量身定做的大肠杆菌生产的。尽管文中只展示了18种化合物的合成路线，但Gonzalez透露这种方法完全可以用来生产更多化合物。他与合作者已经找出至少上百种适用于该方法的化合物了。

图3. 本文用新的代谢途径合成的18种化合物，带下划线的化合物之前从未用微生物发酵的方法生产过

本研究中，代谢途径都包括四个代谢步骤。通过替换每一步中的若干个酶，使该代谢途径能够以不同的代谢前驱体开始反应，并最终合成不同的目标产物。

文章的合作者Clomburg认为：“传统的生物技术领域，人们只是试图寻找、优化天然代谢途径，他们不会打乱分解代谢或合成代谢中如何一个步骤的顺序。但自然界的合成代谢途径往往效率很低，限制了它们的应用。”

合成生物学是热门的新兴领域，它运用自然的力量解决传统合成技术中面临的难题。但俗话说学习要“举一反三”，师法自然，不是简单的模仿。将大自然不同方面的优点结合起来，往往能得到意想不到的结果。

1. http://www.nature.com/nbt/journal/vaop/ncurrent/full/nbt.3505.html

2. http://phys.org/news/2016-04-unveil-ultra-efficient-method-high-value-chemicals.html

（本文由氘氘斋供稿）

X-MOL医药领域学术讨论QQ群（450658255）

X-MOL有机领域学术讨论QQ群（450043083）

做实验、发文章、报项目……除了不能求文献，与学术有关的问题都能唠唠！