按需設(shè)計化學(xué)品
據(jù)美國每日科學(xué)日前報道，人工生物學(xué)研究的、代謝工程專家杰伊·科斯林大膽預(yù)測：未來我們能夠使用隨手可得的、便宜的淀粉、蔗糖等設(shè)計和出一些可用來制備特殊化學(xué)產(chǎn)品的分子、細(xì)胞和微生物；代謝工程也將*，超過并取代現(xiàn)在科學(xué)家用來藥品、塑料等的有機(jī)合成化學(xué)，成為化學(xué)工業(yè)的支柱。
代謝工程：改造細(xì)胞的代謝途徑
代謝工程是基因工程的延伸，即利用基因工程技術(shù)定向改造細(xì)胞的代謝途徑，以改善產(chǎn)物的形成和細(xì)胞的性能?；蚬こ掏ǔＶ簧婕吧倭炕虻母脑?，比如將編碼某種蛋白藥物的單一基因轉(zhuǎn)入酵母，然后用該酵母發(fā)酵該藥物。但是，代謝工程會涉及大幅度的基因改變，比如，要在大腸桿菌中某種代謝產(chǎn)物如*（尚在研究階段），就必須把一系列相關(guān)途徑的酶的基因全部導(dǎo)入大腸桿菌，并且敲除不必要和有害的大腸桿菌中原本就有的代謝通路，以構(gòu)建出一整套大腸桿菌中原本沒有的*的代謝途徑，使大腸桿菌能夠*。
科斯林是美國能源部下屬的聯(lián)合生物能源研究所（JBEI，美國能源部資助的三個生物能源研究中心中的一個，主要目的是推進(jìn)下一代生物燃料的工作）的執(zhí)行官；他也負(fù)責(zé)美國勞倫斯伯克利國家實驗室的生物科學(xué)研究項目；另外，他還是加州大學(xué)伯克利分校合成生物工程研究中心的負(fù)責(zé)人。
科斯林表示，科學(xué)家可以通過將酶或不同宿主產(chǎn)生的代謝路徑結(jié)合進(jìn)單個微生物中，同時通過對酶進(jìn)行基因修改讓其具有新的功能來非天然的特殊化學(xué)物質(zhì)、散裝化學(xué)物質(zhì)和燃料。代謝工程未來的目標(biāo)包括設(shè)計出能夠?qū)ｉT用于某些化學(xué)品和過程的分子和細(xì)胞。
代謝工程產(chǎn)生青蒿酸
在一篇發(fā)表于去年12月3日出版的《科學(xué)》雜志的論文中，科斯林認(rèn)為，作為現(xiàn)代生物技術(shù)主要的技術(shù)手段之一，代謝工程在使用微生物化學(xué)物質(zhì)方面大有潛力，目前，這些化學(xué)物質(zhì)主要由的能源或有限的自然資源來。
此外，2008年，美國萊斯大學(xué)科學(xué)家報告稱，他們可以利用大腸桿菌發(fā)酵具有較高市場價值的甘油。以前的研究一直認(rèn)為，在代謝途徑中可以產(chǎn)生1,3-丙二醇的細(xì)菌就可以發(fā)酵甘油，然而無論是大腸桿菌還是酵母菌都不能產(chǎn)生1,3-丙二醇。新研究揭示了以前未知的一條甘油發(fā)酵代謝途徑，利用與1,3-丙二醇類似的1,2-丙二醇來發(fā)酵甘油，而1,2-丙二醇可由大腸桿菌發(fā)酵產(chǎn)生。
借助代謝工程，用清潔環(huán)保、可再生生物燃料取代汽油和其他交通燃料也大有可能。目前，他和其在JBEI的研究團(tuán)隊正在將代謝工程和有機(jī)合成化學(xué)方法結(jié)合起來，用木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)人工合成液態(tài)交通燃料。
制備散裝化學(xué)材料
科斯林表示：“未來，代謝工程學(xué)將讓有機(jī)合成化學(xué)相形見絀。”
他以制備藥物成分為例，在該領(lǐng)域，代謝工程的優(yōu)勢明顯勝過有機(jī)合成化學(xué)。其中包括三類特定的化學(xué)物質(zhì)——主要來源于植物的生物堿、由不同細(xì)菌和真菌的聚酮化合物以及一般也由細(xì)菌的非核糖體多肽。
科斯林認(rèn)為，或許，未來代謝工程學(xué)的機(jī)會將是用于以石油為原料的散裝化學(xué)物質(zhì)，包括汽油和其他燃料、聚合物以及溶劑等。因為這樣的產(chǎn)品能夠通過對石油進(jìn)行催化而得到，所以，到現(xiàn)在為止，一直很少有人使用微生物來制備這些產(chǎn)品。但隨著油價飆升，以及考慮到資源緊缺和氣候變化等因素，現(xiàn)在這種情況已經(jīng)發(fā)生了變化。
他表示，現(xiàn)在，借助代謝工程，人們可以使用成本低廉的淀粉、蔗糖或使用微生物作催化劑的纖維素生物質(zhì)等原材料來這些化學(xué)物質(zhì)。關(guān)鍵是，在代謝機(jī)制被修改過的細(xì)胞內(nèi)出的這些化學(xué)物質(zhì)，是目前產(chǎn)品所需要的準(zhǔn)確分子，而不是一些“相同但更環(huán)保”、在使用之前還需經(jīng)過廣泛測試的產(chǎn)品。
面臨的障礙
在其發(fā)表于《科學(xué)》雜志的論文中，科斯林也提到了未來用新陳代謝工程學(xué)定制出微生物和分子所面臨的強(qiáng)大障礙，其中包括需要“調(diào)試程序”——發(fā)現(xiàn)和修復(fù)經(jīng)過新陳代謝工程處理后的細(xì)胞中出現(xiàn)的錯誤。
然而，他確信，這些障礙能夠也必將被克服。“我們能夠預(yù)見，在未來的某一天，不同的公司都能夠參與到細(xì)胞的過程中，每一家公司只專注于其中的一個方面，比如，有的公司構(gòu)建染色體；有的公司組建細(xì)胞膜和細(xì)胞壁；有的公司則用激活細(xì)胞所需要的基本分子來填充細(xì)胞壁。”
