基因回路可以在特定的時間和細胞密度下關閉或開啟基因表達，實現代謝流向在細胞生長的內源代謝途徑和化學品生產的異源途徑之間的切換。切換控制主要集中在生長必需基因上，因為通過它們可以實現生物量形成和產品生物合成之間最直接的控制?；蚧芈烦丝梢杂糜诳刂泼傅暮铣伤俣?，還可以精細調節酶的降解速度。例如，葡萄糖-6-磷酸（G6P）是一個代謝流控制的重要節點，既可以通過磷酸果糖激酶-1（Pfk-1）進入糖酵解途徑從而進入內源代謝，也可以通過合成途徑進入異源代謝。通過基因回路控制?Pfk-1?的活性就可能將碳代謝流的流向從“生長模式”切換到“生產模式”。為實現這一目的，Brockman?和?Prather設計了一種蛋白質降解回路，將?Pfk-1與?SsrA?降解標簽融合，SsrA?標簽能夠控制適配蛋白?SspB?的結合、ClpXP?蛋白酶招募和蛋白水解降解，從而實現?Pfk-1?降解速度的動態控制。將該回路用于大腸桿菌生產肌醇，與靜態控制相比，肌醇的積累量提高了?2?倍?；蚧芈吠ㄟ^控制必需基因的表達水平實現代謝途徑的動態調控，成為工業菌株代謝工程設計改造的有效手段：通過對內源代謝網絡進行重新布線，替代傳統靜態控制，實現基因表達的時間依賴性控制以及多個基因或途徑的平衡互作等，擁有廣泛的應用前景。

代謝中間產物的過量積累可能引發副反應，占據重要細胞資源（如磷酸鹽、輔因子），以及產生直接或間接的細胞毒性，對細胞生長或產物合成不利?；蚧芈房梢越柚鷮χ虚g產物濃度響應的生物傳感器，激活代謝途徑下游酶，阻遏代謝途徑上游酶，實現中間代謝物合成和利用速度適配，提高整個代謝途徑的合成效率。例如，莽草酸是芳香族氨基酸代謝途徑的中間體，莽草酸的積累會與芳香族氨基酸的代謝產生競爭?？梢酝ㄟ^響應莽草酸的基因回路控制莽草酸代謝途徑關鍵酶——莽草酸激酶（AroK）實現代謝途徑各分支的平衡，實現碳代謝流在莽草酸積累與芳香族氨基酸代謝之間的平衡。Mahr?等通過篩選和組裝適當的生物傳感器元件，包括半乳糖響應啟動子和苯丙氨酸響應啟動子，構建了代謝產物響應回路網絡。該回路的應用使得工程菌株?E.?coli K-12 MG1655/pJC1-mtrsensor-type1?的苯丙氨酸產量與出發菌株?E.?coli K-12 MG1655?相比提高了?4.3?倍。除了直接響應中間代謝物濃度以外，細胞生長狀態、輔因子失衡程度等都可以用于構建生物傳感器。

生物合成速度的最大化取決于單位菌體生產能力和菌體總量。通常情況下，生長和生產競爭使用同樣的細胞資源，需要進行合理的安排和均衡，才能實現生物合成速度整體的最大化。能夠對細胞密度進行響應的基因回路——群體感應系統（quorum sensing，QS）為調控生長和生產的關系提供了新的手段。例如，科研人員借助特征性啟動子和不同強度核糖體結合位點，組裝源自?Pantoea stewartii?的部分量子感應元件，實現了在特定時間和細胞密度下?pfk-1?等基因表達的開與關，工程菌株E.?coli L19S?的肌醇產量與靜態控制相比提高了?5.5?倍。借助QS回路控制aroK表達的工程菌株E. coli L19SA，其莽草酸的產量由?0提高到?105?mg/L。

代謝網絡模型及基于代謝網絡模型的計算設計方法為代謝工程菌株改造提供了新的方法和策略。通過這些計算設計方法，人們可以選擇合適的外源基因構建新途徑實現從無到有的新產品合成，也可以確定改造靶點優化已有產品的得率，或者通過基因回路將細胞發酵培養過程中的狀態環境變化與特定基因的表達相關聯，使細胞適應不同的目標而始終保持最優狀態，最大化目標產物的生成。隨著人們對細胞機理和相關調控機制的了解不斷深入，有可能建立全細胞模型對細胞內代謝物、蛋白和基因表達水平的變化進行精確描述和準確預測，實現完全模型指導下的代謝工程策略設計。（作者：馬紅武，中國科學院天津工業生物技術研究所；陳修來，江南大學食品科學與技術國家重點實驗室 江南大學工業生物技術教育部重點實驗室；袁倩倩，中國科學院天津工業生物技術研究所；劉立明，江南大學食品科學與技術國家重點實驗室 江南大學工業生物技術教育部重點實驗室 江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室；孫際賓，中國科學院天津工業生物技術研究所。《中國科學院院刊》供稿）

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