提高產品得率：從有到優

在賦予了細胞新的合成能力，實現了從無到有的改造之后，代謝工程的下一個目標就是以最小的原料消耗生產最多的產品。消耗單位原料（底物）可以生成的產物的量常用“得率”來表征，其是反映原料成本的一個重要指標，尤其對大宗化學品來說原料成本是影響產品生產成本的最主要因素。對某些通過簡單途徑就可以合成得到的產品，如乙醇、乳酸等，通過直觀觀察就可以得到得率最大化的代謝途徑；但對大部分代謝產物，如核苷酸、芳香族氨基酸等，由于其合成途徑復雜，涉及副產物及多個前體，很難通過簡單觀察或手工計算得到其理論得率。此外，在產品合成過程中還涉及能量（ATP）和還原力的產生和消耗，需要額外消耗底物產生能量和還原力，或通過某種途徑消耗掉多余的能量還原力，這使得產物得率的計算更為復雜?；诖x網絡模型，人們提出了通量平衡分析（Flux Balance Analysis，FBA）的計算分析方法，以準確計算該網絡中產物的理論得率及能達到該理論得率的最優轉化途徑。FBA?基于代謝網絡模型中的生化反應計量關系（可以理解為一個反應中各種反應物和產物的摩爾比）和反應的不可逆性約束，通過求解約束最優化問題，得到使產物生成最大化并且滿足物料和能量平衡的產品合成最優途徑。由于求得的途徑是通過對整體網絡計算分析得到的，比由生化知識得出的常規合成途徑更為全面，該方法能考慮能量平衡、輔因子平衡、多前體的平衡以及合成途徑中副產物的再回收利用。該方法可以獲得實現同樣最大得率的多種不同策略，可能超越我們對生物化學知識的理解，得到與已知傳統代謝途徑不同的新途徑，從而提供全新的改造靶點和策略。例如，很多生物產品都是以乙酰輔酶?A?為前體合成得到，但以葡萄糖為底物時，乙酰輔酶?A?一般由糖酵解終產物丙酮酸脫羧生成，這導致葡萄糖中的?2?個碳原子都以?CO₂形式損失掉而不能進入產物，1?個葡萄糖（含?6?個碳原子）最多得到?2?個乙酰輔酶?A（共?4?個碳原子）。因此，即使全部乙酰輔酶?A?中的碳都轉化到產品中，產物的最大碳摩爾得率也只能達到?0.67（圖?1a）。而以大腸桿菌代謝網絡模型?iJO1366?通過?FBA?對乙酰輔酶?A?衍生產品聚?3-?羥基丁酸酯（P3HB）最優得率計算結果卻可達到?0.86，這表明在其代謝網絡存在一些新途徑可以減少碳損失。求得的最優途徑中的通量分布如圖?1b?所示，可見在該途徑中除了常規葡萄糖經過?EMP?途徑生成丙酮酸進而生成乙酰輔酶?A?途徑外，還有一條稱之為蘇氨酸循環的途徑回收甲酸和?CO₂，由磷酸烯醇式丙酮酸再回到丙酮酸同時生成一個乙酰輔酶?A?用于產品合成，從而提高了產品得率。基于該途徑計算結果，Lin?等在大腸桿菌中通過解調控等激活了該循環途徑，將?P3HB?得率提高了將近一倍。

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