智能代謝重編研究取得新進(jìn)展：代謝途徑的空間分割助力光驅(qū)動(dòng)
近日，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)主辦、合成生物學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威專業(yè)期刊《ACS Synthetic Biology》以封面文章形式發(fā)表了上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室許平教授團(tuán)隊(duì)在智能代謝重編研究中的最新進(jìn)展“Enhancing light-driven 1,3-propanediol production by using natural compartmentalization of differentiated cells”(ACS Synth Biol. 7, 2436-2446)。博士生劉洪玉為論文的第一作者，陶飛博士為通訊作者。
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用合成生物學(xué)方法開(kāi)發(fā)利用光合微生物，并以光驅(qū)動(dòng)的方式合成材料和精細(xì)化學(xué)品是未來(lái)化合物的生產(chǎn)方式，被認(rèn)為是替代化石資源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的化學(xué)品生產(chǎn)、解決環(huán)境問(wèn)題最具潛力的方案之一。然而，藍(lán)藻作為光合自養(yǎng)微生物，是一種產(chǎn)氧微生物，胞內(nèi)環(huán)境是高度氧化的，對(duì)很多氧敏感基因元件的適配性很差，導(dǎo)致光驅(qū)動(dòng)化合物生產(chǎn)存在很大局限性。隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，適配性問(wèn)題已經(jīng)成為合成生物學(xué)研究中的核心問(wèn)題之一。
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為了解決藍(lán)藻中產(chǎn)氧底盤(pán)和氧敏感元器件的不適配問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)師從大自然的智慧，創(chuàng)造性提出了一種利用自然細(xì)胞分化進(jìn)行空間分割的策略，實(shí)現(xiàn)了氧敏感元器件在產(chǎn)氧生物中的功能性組裝。研究團(tuán)隊(duì)以1,3-丙二醇（1,3-PD）生物合成途徑作為模式代謝途徑，在底盤(pán)藍(lán)藻魚(yú)腥藻中完成了厭氧途徑的組裝，然后利用缺氮條件誘導(dǎo)細(xì)胞特化為異型胞，形成的微氧環(huán)境，保護(hù)途徑中的氧敏感酶甘油脫水酶（GDHt）元件，實(shí)現(xiàn)了1,3-PD的光驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)。
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本研究使用天然細(xì)胞分化產(chǎn)生的空間分割，使原本與宿主不匹配的代謝途徑能夠匹配，為解決適配性問(wèn)題提供了新思路，并具有普遍的適用性?？臻g分割是源于進(jìn)化的一種生物智慧，類似于異形胞的空間分割現(xiàn)象，在生物界還有很多種，如Rubisco、醛縮酶體等。真核生物的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)也可以認(rèn)為是胞內(nèi)空間分割的高級(jí)形式，這些空間分割機(jī)制都有望在未來(lái)用于代謝途徑的分割、包裝，實(shí)現(xiàn)高效的催化過(guò)程。
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“智能代謝重編” 由交大研究團(tuán)隊(duì)在2014年提出，主要思想是倡導(dǎo)在代謝科學(xué)指引下，以代謝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為靶點(diǎn)，用先進(jìn)的合成生物學(xué)學(xué)方法，對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)實(shí)施非窮舉的干預(yù)，從實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的代謝工程目的。此前，交大研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在多個(gè)方面取得成果，諸如“藍(lán)細(xì)菌內(nèi)核”（Green Chem., 2015, 17, 3100-3110）、“代謝狀態(tài)開(kāi)關(guān)”（Metab. Eng., 2017, 39, 90-101）、“代謝流陷阱”（ChemBioChem., 2016, 17, 1491-1494）、“途徑協(xié)調(diào)”（Metab. Eng., 2017, 41, 102-114.）、“溫度導(dǎo)向催化”（Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1214-1217）、“酶的去進(jìn)化”（Metab. Eng., 2017, 44, 70-80）等系列先進(jìn)策略。該工作是“智能代謝重編”思想的又一次成功的理念拓展和策略創(chuàng)新，也是微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“代謝科學(xué)”特色學(xué)科布局下的又一成果。
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該研究工作得到上海市科委和國(guó)家自然基金的資助，并得到了中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所徐旭東教授、C. P. Wolk教授、J. W. Golden教授等人的無(wú)私幫助。
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