生物发酵行业资讯—合成生物学与工程菌高密度培养

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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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