合成新產品：從無到有

通過引入外源基因使某一生物合成其原來不能合成的新產品，這是一種常用的代謝工程手段。例如，Galanie?等通過將來源于?6?種不同生物（包括植物、哺乳動物和細菌）的?10?余個基因引入酵母中實現了鴉片類藥物的人工合成。通過微生物細胞工廠合成植物來源的天然產物，其好處是微生物生長更快，單位時空內產量更高，可以通過較小的發酵工廠代替大面積的農業種植，大大降低生產成本。

從無到有的設計首先需要確定在底盤細胞中引入哪些外源基因才能打通該新產品的合成途徑。因此，需要將底盤細胞代謝網絡與代謝反應數據庫（如?KEGG、MetaCyc?等）相結合，通過一定的計算方法找出需要在底盤細胞中引入的新反應，形成新的途徑，以實現新產品的合成。例如，Zhang?等將?KEGG?反應引入到大腸桿菌代謝網絡中，構建了包含?7?316?個反應的復合代謝網絡模型；基于該模型，以葡萄糖為底物進行通量平衡分析發現，1?777?個異源產品可以通過在大腸桿菌中引入適當外源反應合成。這一研究為選擇合適外源基因構建大腸桿菌的人工細胞工廠提供了指導。該方法還可以計算其他微生物為底盤時的結果，并通過比較分析確定針對某一特定產品的最優底盤生物（需引入外源基因少，相應前體合成能力強等）。Chatsurachai?等分別以大腸桿菌、谷氨酸棒桿菌和釀酒酵母為底盤細胞，通過逐級擴展算法將來源于?KEGG、BRENDA?和?ENZYME?3?個數據庫中的異源代謝物和反應添加到?3?個菌株代謝模型中以合成新的產物。該擴展算法首先從數據庫中找出那些反應物在（但產物不在）該菌株代謝網絡中的反應，通過將這些反應添加到模型中，使該模型可以生成那些新反應中的產物。隨后在擴展的模型基礎上重復該新反應添加過程，直到沒有新反應可以添加。最終，針對每一個底盤細胞得到其可以合成的新產品列表及生成某一新產品需要引入的新反應。作者通過該方法預測出大腸桿菌和釀酒酵母是?1,3-?丙二醇合成的可行宿主，并且只需要在這兩種株菌中引入甘油脫氫酶和?1,3-?丙二醇氧化還原酶便可實現產品合成。

上述方法均需基于特定代謝反應數據庫擴展特定底盤細胞的代謝網絡，要合成的代謝物和相關反應必須存在于數據庫中才能設計出相關途徑，而自然界中還存在許多未知的生化反應并未包含在這些數據庫中。例如，很多酶，如醛縮酶等均具有廣譜催化活性，除了已知反應外還可能催化其他代謝物的轉化。通過酶改造，構建具有新催化活性的酶可以實現新的轉化過程獲得新的生物產品，甚至是合成出自然界不存在的全新生物分子。針對這一問題，人們提出了基于生化反應規則和化合物結構特征來設計新反應的方法。例如，Hatzimanikatis?的研究組基于化學信息學，在?KEGG?數據庫中反應的基礎上擴展酶反應，創建了?ATLAS?數據庫，其中包含?13?萬多個在已知反應基礎上通過結構相似性設計得到的新生化反應。利用該數據庫，他們設計了多條可以生成生物燃料丁酮的全新途徑，并對不同途徑的理論得率進行了比較分析，以獲得最優途徑。

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