生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座

生物工程学中新型应用合成生物学体外代谢路径江南生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第1页关键点摘要介绍多酶系统组合数据产生酶系统模型网络数学最优化网络实际最优化结论生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第2页摘要大量酶已经经过本身进化能够在温和温度和中性pH水环境下行使功效。这在标准上使我们有独特机会在体外构建一个含有相当催化复杂性多步反应系统。不过，因为这种系统极难去组合,并富有成效运作，所以它应用极少能够超出研究范围。当前在DNA合成、基因组工程学、高通量分析学、基于模型生化系统分析和（半-）合理性蛋白质工程学中进展表明我们已经含有进行这种合理性设计和有效操作这种酶系统所需要全部工具，而且最终能够取得它们进行初步合成潜力。生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第3页介绍在精细化工催化化学选择性、部位选择性和拮抗选择性等挑战性反应中，生物转化已经成为了一个必不可少工具，而且被经典性地用作一系列化学转化中一个，所不一样步骤就是它们通常经过反应环境（温度、pH和溶剂）猛烈改变来定性。不过，酶含有独特优势，因为它们中大多数已经被选择在水环境中进行操作。这最少在标准上允许我们同时对很多不一样酶进行操作，但也意味着需要处理更大催化复杂性。当然，这种方法已经广泛应用于经过发酵来生产化学产品或药品，不过在药学中仍有大量另人感兴趣分子因为不能跨膜、高毒性、比较低终浓度和或产生，或共合成很多副产品而极难经过发酵来生产。经过生物转化而不是发酵生产、多步化学合成化合物主要例子是来自单糖和寡糖组，而且多酶系统在这里已经被应用于很多情况。几个基于糖单元来构建药品和疫苗已经得到，而且以后还会取得更多。生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第4页Figure1.

Complexmoleculesandpathwaysastargetsforsyntheticbiology.(a)Arixtra,(b)Apremierexampleofthesyntheticpowerofsystemsofenzymes(adaptedfrom[9]):theformationofketose-1-phosphatecompoundsfromsucroseinaneight-enzymesystem.生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第5页不过，尽管有了很好基于酶系统，化学路径在工业中依然是占主要位置。当前酶系统在工业中极少应用原因：1.极难比较经济组合一个酶系统2.因为底物、中间物和产物与酶相互作用使得这个系统动态行为很复杂，不好了解。另外，系统倾向于朝着细胞稳态，而不是提升生产力所要求非自然状态方向发展3.在试验中促进第二点方法非常猛烈

尽管如此，这种多酶系统毕竟在大小和复杂性上被限制了（尤其是对于整个细胞系统），另外，我们搜集酶系统能力一直在加强，分析方法使用范围和潜力也一直在扩大，所以我们最少能够半合理性设计酶功效特征。最终，拥有合理设计所需要全部条件。生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第6页

Figure2.

Theengineeringcyclefortherationaldesignofsystemsofenzymes

多酶系统组合数据产生数学最优化酶系统模型实际最优化生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第7页多酶系统组合在阐述多酶催化潜力里程碑性质论文中，Fessner和Walter组合了8个酶来将蔗糖转化成几个可能磷酸酮糖中一个。当前已经取得高度工程化株系，不过存在细胞背景干扰消除干扰方法：1.靶基因相对于背景过量表示2.从宿主有机体中去除那些产生干扰基因产物基因3.期望酶带上同一个标签序列有利进展1.大DNA片段非模板驱动—简化人造酶系统多基因组合2.宿主整体最小化基因组库—降低背景干扰生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第8页数据产生

建立机械模型,它参数结合起来能够对观察到特殊现象作出清楚正确解释,而且这些参数随即能成为系统修饰靶位点。方法:1.依靠纯化蛋白质复杂研究缺点：a.这种数据集只在少许模型系统如糖酵解中完全得到了b.动态参数通常是在一个人为条件下被确定,而且针对复杂化学情形不能确定参数是怎样改变c.没有快速方法去确定一个系统酶量,这就使最大反应速率相当难解2.从相当大、准确试验数据集中预计动态参数（利用质谱定量统计代谢物集）条件：a.快（亚秒内）b.需要一个有效，高通量相容数量分析生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第9页Figure3.

ThemainstepsinvolvedinquantitativeMS-basedanalysisofintracellularmetabolitesandtypicaltimerangesrequiredforindividualsteps.Continuousdirectinjectionhassofaronlybeenusedforqualitativepurposes,notquantitative,andrequiresMS/MStechnology.

生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第10页酶系统模型

将试验数据浓缩到机械模型中。这个模型包含一组不一样方程和一组用来说明不一样反应速率、含参数非线性代数表示式，而且这些参数必须在动态浓度数据集基础上被确定。问题与处理方法

1.酶系统中大量参数和方程系统高度非线性本质使得数值极难预计—应用随机整体最优化程序（尤其是进化策略）处理。2.对一个模型结构中误差处理—应用自动化产生包含相同模型家族来支持最优化程序,或借助灰盒模型

生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第11页网络数学优化

通常是经过对被预计参数进行敏感性分析来预计为了促进对应酶性能需要做什么样改变。方法

1.整个酶水平要保持恒定，中间代谢物改变需要保持平均较小水平，随即结果最优化问题用非线性最优化代数方法处理。

2.线性化一个相关状态周围机制模型，然后用混合整数线性程序判定敲除最优组合和在限制条件下对酶调整。生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第12页网络实际优化

模型最优化应该能够清楚表明在网络中什么酶什么特征需要被修饰，比如酶浓度能够采取基因过量表示来调整。其它参数调整主要采取两条路径：

1.进化策略2.（半-）合理性设计：是一个利用芯片和体内方法重复过程。目标是为了说明一个蛋白质序列-结构-功效关系，而且经过计算工具来预测对特定氨基酸进行替换后效应。生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第13页Figure4.

Thekineticpropertiesofenzymenasanelementinasystemofenzymesneedtobeadaptedtoincreasetheoverallefficiencyofthesystem.Theexampleenzymeisuncompetitivelyinhibitedbysubstraten+2.Byusingeitherdirectedevolutionora(semi-)rationalapproachthatdrasticallylimitstherequirednumberofmutantstoscreen,therequiredadaptationisimplementedinaniterativeapproach.生物工程学中新型的应用合成生物学的体外代谢途径专家讲座第14页结论

我们认为上述讨论工作表明设计有效酶系统合成生物学方法所需要中枢元件已经或很快将被建立。不过，为了能够取得真正成功，不一样元件（系统组合、分析