合成生物學的工具有哪些？細胞工廠構建技術、無細胞合成技術介紹

合成生物學的主要工具包括微生物細胞工廠構建技術、微生物高效合成化學品的代謝調控機制、無細胞合成技術

1微生物細胞工廠構建技術

(1)基因組編輯技術：細胞工廠代謝途徑構建及優化的重要技術。通常的基因編輯技術有：Red 同源重組技術、鋅指核酸酶技術、轉錄激活因子效應物核酸酶技術等。這些基因編輯技術在合成生物學的發展中具有“里程碑”式的意義，但存在耗時長、成本高及宿主局限性等缺陷，無法滿足高效構建細胞工廠的需求。CRISPR 基因編輯技術具有操作簡單、基因編輯效率高、成本低廉等優勢，近年來得到了深入的開發，并廣泛應用于生物及醫藥領域。

(2)多基因同時調控技術：高效的產物合成途徑不僅受限于某個單一的限速步驟，而是依賴多個酶的協同平衡。雖然通過質粒過表達的方式可以實現單一基因的過表達，但同時也會造成細胞代謝高負荷，對生長代謝和產物合成均不利。通過多基因同時調控技術，可以合理調控代謝途徑表達的平衡。

(3)蛋白骨架技術：在細胞工廠的代謝途徑中，參與反應的酶與底物之間的距離及合成途徑上相鄰的酶所處的空間位置是影響代謝途徑效率的一個重要因素。通過人工合成蛋白質骨架的技術，使酶按照特定的空間位置錨定在骨架上，可以使相關的酶聚集在特定的區域，增加了酶與底物的結合概率，進而提高產物合成速率。另外，蛋白質骨架也可以調節酶的催化效率，獲得最優的催化效率組合，最終提高產物合成效率。

(4)基因動態調控技術：基因動態調控技術的基本思路是：設計人工基因回路，使細胞能夠感應外部環境條件的變化，在適當時間開啟或關閉基因表達從而實現代謝通路的動態調控。已經建立的基因動態調控技術有：環境信號誘導的表達調控系統(如碳源調控系統、光調控系統和溫度調控系統等)和內源信號誘導的表達調控系統( 如群體感應調控系統和壓力感應調控系統)?；騽討B調控技術為細胞根據外部環境按需調控目的基因表達強度提供了技術方法。

(5)高通量篩選技術：細胞工廠的快速構建離不開高通量篩選技術的助力。微孔板是常用的高通量篩選試驗器具，孔板內發生的生物、化學和物理變化事件可以由多功能酶標儀、流式細胞儀、液相色譜儀和質譜儀等檢測儀器連續自動化讀取。高通量篩選技術已用于基因調控元件強度分析、酶元件的新活性檢測、基因線路的活性檢測、天然產物的活性篩選等。

2 微生物高效合成化學品的代謝調控機制

(1)物質代謝調控：微生物化學品的合成途徑由多步生化反應組成，參與反應的酶元件與合成途徑的適配性，影響著產物合成的效率。蛋白酶催化活性太低，成為整條途徑的限速步驟;蛋白酶催化活性太高，而下游蛋白催化活性又較低，又會造成中間代謝物的積累。某些中間代謝物甚至對細胞會有較大的毒性，影響細胞的生長。

(2)能量代謝調控：還原力和 ATP 是能量代謝的關鍵調控因素。細胞在代謝葡萄糖等底物時產生還原力，在合成化學品時需要還原力。還原力供給量若小于需求量，會影響化學品的轉化率和合成途徑效率。另外， 細胞需產生足夠的 ATP 供細胞生長和產物合成。

(3)細胞代謝調控：優越的細胞生理性能是獲得高效細胞工廠的關鍵因素之一。耐滲透脅迫是細胞生理性能的重要方面。對于分泌到胞外的大宗化學品，產量越高，滲透脅迫越大，細胞需具備耐滲透脅迫能力才能獲得高產量。

3 無細胞合成技術

在體外組裝大量酶和輔酶以實現復雜的生物轉化，具有反應條件較溫和、易于調控、產率高的特點。

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