天然產物的重要生產者——生物酶

天然產物及其衍生物是藥物、農藥、香料、食品配料等領域重要的產品及原料,獲取這些結構復雜分子的工業技術包括自然資源提取、化學方式合成、生物催化制備,以及上述方式的各類組合技術。隨著基因工具的出現,極大推動了對天然產物生物合成工程的發展,加上遺傳方法、分析技術、機器學習算法等一系列技術的迅速發展,生物合成工程已然成為天然產物生產的重要方式之一。而作為生物合成工程中最重要的生產者——酶,它的發展也非常值得我們關注。




            生物酶在天然產物工業工程上的應用有兩個主要的目標:一是生產其他合成方法無法獲得的有價值的產品;二是通過提高過程生產率、效價和產量來降低成本。
     目前天然存在的野生型酶并不一定適合在我們目前的一些工業條件,諸如標準微生物宿主生物、特定酸堿度、高溫或高有機助溶劑等,這些極端的工業條件都會導致野生酶的活性降低甚至于喪失,從而令生產無法正常進行;拋開工業條件的影響,原料底物本身也會影響到野生酶的活性,不論是底物種類、輔因子再循環,還是高底物/產物濃度的耐受性等,都是我們在工業工程上更好地利用酶所必須要需要解決的問題。因此為了解決上述一系列問題,使野生酶在工業工程中能更好地發揮它們的作用,研究人員必須對它們進行必要的改造,以減輕這些限制,達到工業可行性所需生產率的目的。
部分工程酶類的開發情況(圖表譯自:Natural Product Reports期刊)             幾十年來,生物工程技術的進步顯著地縮短了天然產物的開發時間,比如通過經典的非定向誘變和篩選,生產抗生素和其他天然產物的微生物菌株得到了發展。除了經典的非定向誘變和篩選,現階段研究人員還可以操縱原生或重組宿主中的單個基因并進行定向突變,從而發掘生物工程在工業上的的更多應用,尤其是生物酶在該領域的應用。
酶工程關鍵技術進展
     (圖表譯自:Natural Product Reports期刊)
    21世紀中期,生化研究領域產生了諸多重大技術進步,直接推動了生物工程領域的創新發展,顛覆了酶庫的設計、構建、篩選、測序、分析和重組的方式。這些變化進一步加快了定向進化技術發展的步伐,特別是在酶的性能改善方面提供了多因素交叉研究等思路,使越來越多的酶類得以進化,推動工業工程應用技術的發展。因此設計和構建工程酶的文庫對于其應用開發是至關重要的,這不僅有助于發掘生物酶類的潛在應用價值,還能夠將在應用過程中發現的問題反饋回文庫,進一步研究優化,得到更好的解決方案。研究人員對于文庫創建的技術則是在生物酶定向進化的技術發展過程中得到的啟發。
生物酶定向進化的工作流程
(圖源:Natural Product Reports期刊)
     從上圖中我們可以看出,生物酶定向進化的工作流程一般遵循“設計-構建-測試-學習”的循環原則。研究人員一般會先從文獻和數據庫中鑒定潛在的起始基因,然后對該基因進行表達并檢測分析所產生蛋白質的活性,從中篩選出具有最高期望活性的蛋白質,將對應的基因作為構建文庫的模板。當文庫中存在相應的模板后,研究人員就會采用各種策略進行文庫的進一步設計,如繼續構建、轉換、表達、分析和測序等相關操作,以此獲得更多的數據,然后再以這些數據為基礎,構建序列結構功能模型。序列結構功能模型的建立為后續工作奠定了重要的基礎,因為這些模型可以通過大數據分析對突變的有益有害性、序列的合適與否進行學習判斷,并對相應的功能進行預測,對于其中有益的突變、合適的序列,該模型又會將其整合到隨后的文庫信息中。通過上述循環流程的不斷優化,最終篩選出性能達到所追求最高期望目標的序列突變體,那么該生物酶的進化才算完成。
     生物酶定向進化的工作流程看似一種流水線的生產方式,但實際上涵蓋了多種技術和學科的交叉與融合,比如基因誘變、重組、剪輯、高通量篩選分析、底盤細胞的適配等;當研究人員成功設計創造了一種新型工程酶,還需要對該酶的適用條件進行研究,這就涉及到對溫度、酸堿度、底物種類等各方面的研究內容。
(圖源:網絡)          合成生物學作為當下的前沿技術,綜合囊括了物理、化學、生物、工程學等多學科及技術領域。從生物酶定向進化的循環原則可以看出,任何一項研究都是在踐行“實踐出真知”的理念,將文庫理論信息作為指導,同時完善并發展自身的技術水平,以此為支撐,才能做到酶的定向進化,甚至可以以這一文庫的方式為原型,發掘其他如原料衍生物等方面的應用。




結語      天然產物在不斷發展的生物經濟中起著至關重要的作用,對于生物技術產業這一領域而言,發掘更多有益于環境可持續、性能增強且具有成本效益等“綠色功能”的分子。不僅如此,我們還需要在生產過程中堅持開發和應用“綠色技術”,生物酶相關技術的發展歷程也印證了這一理念?,F階段的DNA合成和測序技術、HTS分析方法、機器學習等方面技術飛速發展中,推動了酶工程平臺的開發,提供了更多對工程化生物酶具有前瞻性的大數據信息 ,增長了生物技術在各個領域應用的競爭力。



本文內容譯自Natural Product Reports期刊,原文請參考:Galanie Stephanie, Entwistle David, Lalonde James.《Engineering biosynthetic enzymes for industrial natural product synthesis.[J].Natural product reports,2020.
封面圖源:https://www.sohu.com/a/136988803_405142


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