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合成生物学与工程菌高密度培养
合成生物学( Synthetic biology) 是一门利用基因组测序技术、计算机模拟技术、生物工程技术和化学合成技术等,在工程学思想的指导下,通过合成生物功能元件、装置和系统,对细胞或生命体进行遗传学设计、改造,使其拥有满足人类需求的生物功能,甚至创造新的生物系统的一门新兴交叉融合性学科,在生命科学、化学、材料学、医药与健康等多领域形成了颠覆性技术。
合成生物学的影响力自21世纪以来迅速上升,它被喻为认识生命的钥匙、改变未来的颠覆性技术,利用合成生物学技术生产目的产物,具有高效、经济、环境友好等一系列优点,因此,运用该手段针对各种化学品、新型非天然药物、天然产物等的研发与应用正在如火如荼地展开。
1、天然产物的合成生物学
天然产物的合成生物学主要被划分为三个领域。
第一,对已知药物进行研究,这种目标药物的化学成分及其生物合成途径是已知的,主要目标是改进生产过程,并在比天然药物更容易控制的宿主体内进行。
第二,对存在的未知化合物进行研究,这些化合物存在于细菌基因组,但尚未被发现,合成生物学的主要目标是唤醒隐秘代谢物的生物合成,促进它们的化学和功能表征,并最终利用已知的方法实现生产。
第三,对 “未知的未知”进行筛选,基于当前基因组的发现,这类属于新化学类别的分子暂时还无法被发现。
2、微生物天然产物
微生物天然产物一直都是新型生物药物创新的主要源泉,是目前开发临床抗菌、抗肿瘤、免疫抑制剂等药物的重要资源。随着临床耐药菌的日益增多,新型病原菌和病毒的不断出现,以及新骨架天然产物挖掘难度的逐渐增加,新型微生物药物的开发正面临着巨大挑战。
传统的微生物药物开发,是通过微生物经大规模发酵培养和分离提取完成的,但是许多能产生有价值的活性化合物的天然菌株存在难以培养、生长速率慢、产量低等缺点,限制了相关的工业化生产。
作为21世纪生命科学、医药学领域内催动创新突破和学科交叉融合的前沿学科,合成生物学的崛起为解决药物研发困境提供了新的思路和方法。在充分认识微生物药物合成途径的前提下,基于合成生物学原理,可以通过设计和改造优势微生物菌株成为异源高产的底盘细胞,用于更多活性天然产物的生产,来突破天然药物的生产瓶颈。
3、工程菌高密度发酵
提高工程菌的培养密度,提高产物的比生产率。
通过对生物合成天然产物的研究,寻找到天然产物合成中所需要的酶,通过设计特异性引物,来扩增获得目的DNA全长片段,然后用相应的限制性内切酶对其进行酶切,再用DNA 连接酶将其插入运载体获得重组DNA分子,最后将重组DNA分子导入受体细胞,并使受体细胞进行扩增。常用的受体细胞有大肠杆菌,枯草杆菌,土壤农杆菌,酵母菌和动植物细胞等。(如图1)
图1 基因表达载体的构建
Figure 1 Construction of gene expression vectors
这种运用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类、细胞株系,一般被称为“工程菌”(如图2)。工程菌生长繁殖需要保证其生长代谢所需的各种营养物质的浓度、限制阻碍生长代谢的有害物质的浓度、维持发酵温度、pH值、溶氧量等参数的适宜范围等。
图2 构建“工程菌”
Figure 2 Constructing an "engineered fungus"
为了提高工程菌的培养密度,提高产物的比生产率(单位体积单位时间内产物的产量),通常会采用高密度发酵技术(即微生物在液体培养中细胞群体密度超过常规培养10倍以上时的生长状态的培养技术),这种技术不仅可以减少培养体积、强化下游分离提取,还可以缩短生产周期、减少设备投资,从而降低生产成本,提高市场竞争力。
高密度培养的途径主要有透析培养、细胞循环培养、补料分批培养等。这种高密度培养技术和重组DNA技术的有机结合,使得原来无法大量获得的天然蛋白质能够规模化生产。
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