突破传统局限：无细胞代谢工程带来无限可能-苏州珀罗汀生物技术有限公司

胃癌治疗界的“新顶流”：Claudin 18.2，你知多少？

order@sz-pld.tech

0512-67900128

订购

language

新闻资讯

聚焦前沿科技，传递行业声音

公司新闻

行业资讯

市场活动

首页

突破传统局限：无细胞代谢工程带来无限可能

发布时间：

2024-01-05

随着全球气候变化、环境污染等问题的不断加剧，“清洁能源”已成为全球范围内很热门的话题。作为一种可再生的能源，清洁能源不仅能够满足人类社会日益增长的能源需求，还能够在一定程度上缓解当前的能源危机和环境问题。随着我国经济的持续发展，能源需求量不断增加，传统能源的供应日趋紧缩，因此清洁能源的开发和利用对于我国经济的发展至关重要。

近年来，微生物工程越来越被认为是更清洁、更高效生产现代科技所需的各种化学品的潜在选择。然而，许多问题限制了该生物工艺的使用。比如说原材料转化效率低下、转基因微生物意外释放到环境中的风险等。活细胞的使用也会限制其应用，因为生命系统需在严格的条件范围内运行，包括温度、盐浓度和溶剂特性等。此外，毒性或代谢负荷也会限制重组产品的大批量生产。

而无细胞代谢工程不是依靠活细胞进行的代谢过程，而是利用体外细胞裂解物的代谢活性;让其可以从维持细胞活力和生长的要求中解放出来，为合成代谢途径提供了更大的设计灵活性和更广泛的操作条件。这种方法提供了几个潜在的好处，包括操作简单、转化率和生产力高，以及能防止微生物在环境中释放。

此外，无细胞代谢工程系统还提供了使用活细胞无法实现的重要优势，包括通过直接采样对性能进行定量和精确评估，加速设计-构建-测试-学习的高效循环迭代以及使用非天然或非生物成分的能力。

图1：设计-建造-测试-学习循环

无细胞蛋白质合成方法的操作便利性和生产能力在过去几十年中得到了不断的发展，已经可以实现直接从体外产生的模板DNA中产生大量重组蛋白质。并且，这些进展已成功地与无细胞蛋白质合成的多功能性相结合，产生了难以通过功能形式表达的酶(图2)。例如，功能性南极假丝酵母脂肪酶B可以通过简单地调节无细胞蛋白质合成反应混合物的氧化还原电位来产生，以促进分子内二硫键的形成。无细胞蛋白质合成还更易于让将非天然氨基酸引入到酶结构中，其特别适用于生产可以定向固定的酶。例如，通过在特定位点引入含有化学手柄的非天然氨基酸。

研究发现，固定化的最佳方向可以使固定化酶的活性和稳定性显著提高;Swartz等人证明了无细胞蛋白质合成系统通过表达功能性[FeFe]-氢化酶实现复杂酶的多功能性。不仅如此，无细胞蛋白质合成系统也是生产对重组宿主有毒的酶的一个有前途的平台。例如，Lim等人报道了使用源自大肠杆菌的无细胞蛋白质合成系统成功生产磷脂酶A1。磷脂酶A1降解细胞膜中的磷脂，因此不能在活大肠杆菌细胞的细胞质中有效地产生。而在无细胞蛋白质合成系统中，通过将酶表达与细胞生理学脱钩，实现了功能性磷脂酶A1产量的剧增，比常规产量高出1000倍。

图2：通过直接添加折叠效应物增强功能酶的生产

细胞代谢的复杂性是有效产生目标化学品的另一个障碍，大多数天然微生物的效率不足以支持目标化学品的高产，从而满足当前市场的需求。解决这些限制的最直接的方法是使用纯化的酶来构建无细胞代谢途径。基于纯化酶的无细胞代谢途径能够简单地解释结果并优化参与酶。例如，Bujara等人成功地证明了如何通过将无细胞代谢途径与实时分析方法相结合来优化它们。无细胞酶促方法允许灵活设计且仅专注于目标分子产生的新途径。例如，为了消除葡萄糖转化为丙酮酸所需的ATP驱动反应，Guterl等人开发了一种只需要四种酶的人工糖酵解途径。随后，通过添加乙醇和异丁醇合成的酶促途径，简化了丙酮酸合成途径。

这些结果证明了无细胞代谢工程通过人工途径生产工业化学品的潜力。除了化学生产外，Martin等人还开发了一种合成途径，在木糖分解过程中，通过消耗1摩尔ATP产生10摩尔二氢。此外，无细胞酶途径也已成功用于生物电生产。Zhu等人报道了一种合成的无细胞途径，在有氧酶燃料电池中，每葡萄糖单位产生近24个电子。这种酶促燃料电池的储能密度比锂离子电池高一个数量级。

综上所述，融合无细胞蛋白技术和代谢工程的无细胞代谢工程有望为化学品的生物生产提供一种替代途径。由于通过无细胞代谢工程开发的系统独立于细胞活力和生长，并且与合成化学物质的毒性隔绝，因此它们可以提供更大的灵活性和更高的转化效率。

近年来，生物合成途径设计、代谢模块构建及评价等方面取得了较大的进展，由于无细胞蛋白合成体系的不断完善，使得无细胞途径原型成为酶元件筛选及代谢工程模块优化的重要工具。随着各种技术的不断加持，基于无细胞蛋白合成体系的生物合成代谢模块与快速原型技术将在人工生物合成体系构建、利用可再生资源合成工业化学品、药物、功能材料和其他高附加值化合物等方面大有所为。

珀罗汀生物作为一家专业的无细胞蛋白表达生物技术公司，拥有国家高层次领军人才、海归博士等人才组成的专业技术团队，以自主研发、独具特色的无细胞蛋白表达技术平台为依托，专业从事多肽、重组蛋白、基因工程抗体、重组疫苗以及大分子蛋白药物的研究和开发，同时为广大生物医药企业和研究机构提供无细胞蛋白表达产品、蛋白原料试剂及定制化服务。

参考文献:

Kim, T.W.; Kim, D.M.; Choi, C.Y. Rapid production of milligram quantities of proteins in a batch cell-freeprotein synthesis system.J. Biotechnol.2006, 373–380.

Whittaker, J.W. Cell-free protein synthesis: The state of the art.Biotechnol. Lett.2013,35, 143–152.

Park, C.G.; Kim, T.W.; Oh, I.S.; Song, J.K.; Kim, D.M. Expression of functionalCandida antarcticaLipase B in acell-free protein synthesis system derived fromEscherichia coli.Biotechnol. Prog.2009,25, 589–593.

Park, C.G.; Kwon, M.A.; Song, J.K.; Kim, D.M. Cell-free synthesis and multifold screening ofCandida antarcticaLipase B variants after combinatorial mutagenesis of hot spots.Biotechnol. Prog.2011,27, 47–53.

Wu, J.C.Y.; Hutchings, C.H.; Lindsay, M.J.; Werner, C.J.; Bundy, B.C. Enhanced enzyme stability throughsite-directed covalent immobilization.J. Biotechnol.2015,193, 83–90.

Boyer, M.E.; Stapleton, J.A.; Kuchenreuther, J.M.; Wang, C.W.; Swartz, J.R. Cell-free synthesis and maturationof [FeFe] hydrogenases.Biotechnol. Bioeng.2008,99, 59–67.

Lim, H.J.; Park, Y.J.; Jang, Y.J.; Choi, J.E.; Oh, J.Y.; Park, J.H.; Song, J.K.; Kim, D.M. Cell-free synthesis offunctional phospholipase A1 fromSerratiasp.Biotechnol. Biofuels2016,9, 159.

Price, P.B.; Sowers, T. Temperature dependence of metabolic rates for microbial growth, maintenance andsurvival.Proc. Natl. Acad. Sci. USA2004,10, 4631–4636.

Chubukov, V.; Mukhopadhyay, A.; Petzold, C.J.; Keasling, J.D.; Martín, H.G. Synthetic and systems biologyfor microbial production of commodity chemicals.NPJ Syst. Biol. Appl.2016,2, 16009.

Bujara, M.; Schümperli, M.; Pellaux, R.; Heinemann, M.; Panke, S. Optimization of a blueprint forin vitroglycolysis by metabolic real-time analysis.Nat. Chem. Biol.2011,7, 271–277.

Guterl, J.K.; Garbe, D.; Carsten, J.; Steffler, F.; Sommer, B.; Reiße, S.; Philipp, A.; Haack, M.; Rühmann, B.;Koltermann, A.; et al. Cell-free metabolic engineering: Production of chemicals by minimized reactioncascades.ChemSusChem2012,5, 2165–2172.

Martín del Campo, J.S.; Rollin, J.; Myung, S.; Chun, Y.; Chandrayan, S.; Patiño, R.; Adams, M.W.; Zhang, Y.-H.P.High-yield production of dihydrogen from xylose by using a synthetic enzyme cascade in a cell-free system.Angew. Chem. Int. Ed. Engl.2013,52, 4587–4590.