人工细胞工厂设计构建 课件 第1章 绪论

绪论1.1人工细胞工厂1.2人工细胞工厂研发流程

1.3人工细胞工厂的应用领域1.4本教材的知识图谱绪论1.1

人工细胞工厂人工细胞工厂绪论1.1.1概念1.1.2类别1.1.3发展历程1.1.1概念绪论细胞工厂是指在细胞内，经过生物化学反应，将原料转化为产品的制造场所。人工细胞工厂是指通过理性设计和构建而获得的高生产性能的细胞工厂，能将无机碳或有机碳源转化为化学品、能源材料和医药等产品。人工细胞工厂1.1.2类别绪论按照生物类型

：人工微生物细胞工厂（人工大肠杆菌细胞工厂、人工芽孢杆菌细胞工厂、人工酿酒酵母细胞工厂、人工解脂酵母细胞工厂等）、人工植物细胞工厂、人工动物细胞工厂。按照细胞工厂的组成：人工单菌细胞工厂、人工混菌细胞工厂（为人工双菌细胞工厂、人工三菌细胞工厂、人工多菌细胞工厂等）。人工单菌细胞工厂是由一种微生物组成的人工细胞工厂。人工混菌细胞工厂由两种及以上微生物组成的人工细胞工厂，具有不同的遗传特性，可以是来源于同一个种的不同菌株，也可以是不同种甚至不同属级别以上的菌株。人工混菌细胞工厂的特点是以菌株之间的相互作用关系为基础，常应用于复杂原料利用、长途径和复杂结构产品的生产中。人工细胞工厂1.1.2类别绪论按照营养类型：人工自养型细胞工厂和人工异养型细胞工厂。按照产物分类：琥珀酸人工大肠杆菌细胞工厂、乙醇人工酿酒酵母细胞工厂、油脂人工解脂酵母细胞工厂等。为了与化石原料生产的产品区分开来，人工细胞工厂生产的产品通常被冠以“生物基”或“生物”的前缀，如生物基产品、生物基化学品，生物能源、生物燃料、生物材料等。这种分类的特点是既包括了产品，也指出了底盘细胞种类，在实际中最常用。从碳源利用角度分类：第一代人工细胞工厂主要是以淀粉、糖料、油料为原料，第二代人工细胞工厂是以纤维素、半纤维素等非粮用的生物质为发酵原料，第三代人工细胞工厂则是以二氧化碳等一碳为发酵原料。人工细胞工厂1.1.3发展历程绪论早期的细胞工厂是人类驯化野生微生物的结果，用于传统发酵食品、饮料等的生产。19-20世纪，应用物理化学的随机诱变技术，基于经验观察和定向筛选，集成有益性状，提升产能和生产效率，获得一批优良的微生物细胞工厂。特点是以葡萄糖为主要发酵碳源，主流是纯种培养，一种微生物细胞工厂对应一种产品，大吨位、液体发酵环境适应性强。20世纪后半叶，分子生物学、基因工程技术和原生质体融合技术的发展，形成了模式微生物细胞工厂。20世纪90年代创立了代谢工程，提高了产率，扩大了产品的生产范围及原料利用范围。21世纪初，合成生物学使细胞工厂升级到人工细胞工厂新阶段。该阶段的特点是人工细胞工厂的定制设计和精准构建，人工细胞工厂利用碳源及人工细胞工厂的动力呈现出多元化趋势。人工细胞工厂1.2

人工细胞工厂研发流程人工细胞工厂研发流程绪论1.2.1设计1.2.2构建1.2.3测试1.2.4学习人工细胞工厂研发流程绪论设计（Design）-构建（build）-测试（Test）-学习（Learn）（简称DBTL）循环是人工细胞工厂研发的基本模式，它是由生物系统执行四个层级任务决定的，即基因组携带所有遗传信息，通过转录将DNA信息转化为RNA分子，进而翻译成酶和蛋白质，在生物合成途径中催化生成目标产物。人工细胞工厂研发流程绪论1.2.1设计人工细胞工厂的设计包括产物代谢途径设计和底盘细胞设计两部分。产物代谢途径设计：通过生物计算机辅助设计软件，将内源代谢物与目标产物通过生化反应连接起来，提出候选催化酶，并将酶的氨基酸序列转化为基因元件的DNA序列，实现从目标产物分子的化学结构到代谢途径编码基因序列的转换设计。产物代谢途径设计的基本原则：途径简捷，代谢途径最短、反应步骤最少、每步反应转化效率最高、副产物最少，解除产物或中间代谢物对酶的反馈抑制，解除调控因子对代谢途径基因转录的阻遏抑制。人工细胞工厂研发流程绪论1.2.1设计底盘细胞设计：通过计量化学、计算机模拟等设计工具，使细胞生长、碳和氮代谢流平衡、前体和底物的供应充足、还原力和辅因子的再生与平衡，提出基础代谢和基因组改造的靶点和策略。在代谢途径设计中，还要确定可用于工业化生产的原料，解除目标产物对底盘细胞的毒性。一般选择廉价易得、供应充足的大宗原料，兼顾下游分离纯化工艺，进行产品的高效生产人工细胞工厂的定制设计。人工细胞工厂研发流程绪论1.2.2构建人工细胞工厂构建：指使用合成生物学工具，将设计信息转化为实体细胞工厂，包括代谢途径的构建和底盘细胞改造。代谢途径构建的基本过程：合理选择启动子和终止子等生物元件，确定代谢途径基因的表达模式；通过连接酶和组装工具酶将代谢途径编码基因与启动子和终止子串联，形成表达盒和转录单元。启动子和终止子元件大多来源于底盘细胞及其衍生的文库；代谢途径基因元件可基于密码子优化的设计序列，通过化学合成制备。染色体整合表达比游离质粒表达代谢途径更稳定，有利于人工细胞工厂的工业生产。底盘细胞改造：敲除竞争性途径基因和阻遏基因、弱化干扰途径基因。强化前体供应或底物利用途径基因的表达，也是常用的改造策略。人工细胞工厂研发流程绪论1.2.3测试人工细胞工厂测试：指采用生理生化和组学技术，对人工细胞工厂性能进行全面检测和分析，为检验构建是否成功及设计的真实效果提供数据。测试项目包括：代谢物合成和积累，包括中间代谢物、副产物、目标产物及其产量等；代谢途径表达，包括反转录PCR检测代谢途径基因转录、蛋白质电泳检测酶的表达

丰度等；生长状态和生理指标，包括生物量、细胞形态、耗糖、pH变化等；组学检测，测试基因组、转录组、蛋白质组和代谢组，获得跨组学大数据。人工细胞工厂研发流程绪论1.2.4学习人工细胞工厂学习：收集人工细胞工厂的测试数据，进行计算和模拟分析，为本轮设计-构建-测试的效果做出决定和指导意见。将测试的量化数据传输到学习平台，由机器学习进行全面统计分析和集成，确定显著影响人工细胞工厂性能的设计因素，如所选择的启动子、质粒拷贝数、代谢途径基因、调控回路、底盘细胞靶点等的贡献程度和效果。寻找基因-转录-蛋白-代谢物的层级关联，建立和优化模型，将人工细胞工厂的表型与基因型对应起来。从所有的设计-构建-测试过程中学习和训练，提出新设计规则，拓展生物设计空间。利用预测对模型进行修正，指导下一轮人工细胞工厂的迭代设计和构建。通常以本轮最佳组合的人工细胞工厂为起始，进行下一轮的设计-构建-测试-学习循环。1.3

人工细胞工厂的应用领域人工细胞工厂的应用领域绪论1.3.1化工领域1.3.2能源领域1.3.3材料领域1.3.4农业食品领域1.3.5医药领域人工细胞工厂的应用领域绪论1.3.1化工领域合成生物基化学品：人工细胞工厂可替代化石原料，使用生物质原料，如淀粉、葡萄糖、纤维素、木质素、地沟油和废蛋白等生产生物基产品，能减少温室气体排放，是一种有潜力的低碳、零碳可持续绿色生产制造技术。光合微生物细胞工厂，利用二氧化碳生产生物基化学品，可达到负碳生产制造的目标。合成大宗化学品：通过设计和构建人工微生物细胞工厂，已经实现了从二碳酸和二碳醇到六碳酸和六碳醇主要大宗化学品的合成，其中乙酸、丙二醇、琥珀酸、戊二胺、己二酸等已经实现了规模化生产和产业化应用。合成芳烃、芳醇、芳酸产品：在对莽草酸途径和芳香氨基酸途径改造的基础上，设计和构建芳环化学品合成途径，合成苯酚、苯乙烯、苯丙烯等芳烃、芳醇、芳酸产品。人工细胞工厂的应用领域绪论1.3.2能源领域合成短链生物燃料：人工细胞工厂合成短链有机醇，如乙醇、丁醇、异丁醇、异戊醇、3-甲基-1-丁醇等。人工酿酒酵母细胞工厂生产的第一代生物乙醇，作为石油基燃料的替代品，添加到汽油中，在全球范围内已经用于燃油车中。合成长链生物燃料：对脂肪酸途径进行设计和改造，人工微生物细胞工厂已经合成了偶数碳和奇数碳的长链烷烃及脂肪酸甲酯和脂肪酸乙酯。人工微藻细胞工厂可合成碳链超长的28-30碳脂肪酸、生物柴油，续航能力强，适合于远洋轮船使用。合成航空燃料单体：对萜类途径进行设计和微生物底盘改造，人工细胞工厂已经合成了燃料分子单体，如柠檬烯，蒎烯、石竹烯、法尼烯、没药烷，等。从纤维素和半纤维素到燃料分子的合成微生物技术路线已经打通，优势是不与人争粮、不与粮争地、环境友好，原料产能大、供应充足。人工细胞工厂的应用领域绪论1.3.3材料领域合成可降解塑料：人工微生物细胞工厂直接合成聚乳酸、聚3–羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯等聚酯，已经产业化应用。人工细胞工厂生产的生物基单体二元酸和二元醇，可用于合成聚丁二酸丁二醇酯、聚乙二酸丁二醇酯、聚丁二酸丙二醇酯、聚己二酸丙二醇酯等聚酯塑料。合成聚氨基酸材料：人工微生物细胞工厂能直接利用糖，发酵生产聚谷氨酸、聚赖氨酸等等聚氨基酸材料。合成生物基橡胶：人工细胞工厂可以直接生产生物基聚异戊橡胶的单体，包括异戊二烯、月桂烯、法尼烯等，生物基聚异戊橡胶的性能更接近天然生物橡胶。合成生物蛋白材料：在微生物中表达蛋白材料的结构单元基因，已经合成了胶原蛋白、贻贝蛋白、蛛丝蛋白、蚕丝蛋白等，其中胶原蛋白已经实现了产业化应用。人工细胞工厂的应用领域绪论1.3.4农业食品领域合成食品原料和添加剂：传统大品种氨基酸、有机酸、维生素等人工细胞工厂，经过设计和重构后，提升生产性能和转化率。人工细胞工厂的应用扩大了小品种氨基酸、有机酸、维生素、营养素等生产的种类和品种。合成肉和合成牛奶：采用组织工程策略，动物胚胎干细胞或肌肉组织细胞工厂，可直接生产出肌纤维和大块组织等养殖肉。人工微生物细胞工厂生产乳清蛋白、酪蛋白、脂质等组分，可用于配方生产合成牛奶。设计构建混菌细胞工厂，调控不同菌群的种类和比例，可改良食品酱油、醋、酒等工艺，还可改善风味和提高品质。人工细胞工厂的应用领域绪论1.3.4农业食品领域合成植物活性成分：具有营养生理和调节功能的部分常见活性成分都已经能用人工微生物细胞工厂合成，其中番茄红素等产品已获得许可使用。萜类：香叶醇、柠檬烯、β-胡萝卜素、番茄红素、人参皂苷等黄酮：白藜芦醇、姜黄素、甘草苷、大豆苷元、槲皮素、根皮苷、水飞蓟宾等人工细胞工厂的应用领域绪论1.3.5医药领域人工细胞工厂可用于生产化学药物和生物制品。主要化学药物包括抗生素和植物源药物。生产抗生素：通过途径设计和基因组改造构建，强化和提高人工放线菌细胞工厂、人工霉菌细胞工厂的抗生素生产性能。合成植物源药物：人工大肠杆菌细胞工厂、人工酿酒酵母细胞工厂、人工汉逊酵母细胞工厂、人工毕赤酵母细胞工厂等是合成植物源药物的主流微生物细胞工厂，已经合成了萜类、生物碱、黄酮类等众多的结构复杂、难以化学合成的植物源药物或药物前体，具有广阔应用前景。萜类药物：紫杉二烯、青蒿酸、大麻素、氢化可的松、人参皂苷Rh2、冰片，等生物碱药物：吗啡、咖啡因、长春碱、小檗碱，等。黄酮药物：葛根素、灯盏花素，等。人工细胞工厂的应用领域绪论