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1、 生 物 工 程 学 报 Chin J Biotech 2010, October 25; 26(10): 13211326 Chinese Journal of Biotechnology ISSN 1000-3061 2010 CJB, All rights reserved. Received: October 8, 2010 Supported by: National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2007CB707800). Corresponding author: Yanhe Ma. Tel: +86-
2、10-64807590; Fax: +86-10-64807616; E-mail: 国家重点基础研究发展计划 (973 计划) (No. 2007CB707800) 资助。 序 言 生物炼制细胞工厂：生物制造的技术核心 马延和 中国科学院微生物研究所，北京 100101 摘 要: 对生物炼制细胞工厂的发展进行了简要回顾，从微生物糖代谢的分子机制、细胞工厂的代谢网络及调控、细 胞工厂的构建技术及细胞工厂的优化 4 个方面介绍了本期专刊发表的 17 篇生物炼制细胞工厂方面的论文。 关键词: 生物炼制，细胞工厂，专刊 Cell factories for biorefinery: core of
3、 the technology for biomanufacture Yanhe Ma Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China Abstract: The background of developing cell factories for biorefinery was reviewed. Seventeen papers published in this special issue, covering the molecular mechanism of sugar ut
4、ilization, genome-scale metabolic and regulative networks, the construction technologies, and the optimization of cell factories for biorefinery, were introduced. Keywords: biorefinery, cell factories, special issue 上个世纪，以化石资源为经济基础的近代工业 文明创造了空前的社会繁荣。近年来，能源资源短 缺、生态环境恶化等一系列问题日渐突出，现代工 业化经济进程与化石资源日渐枯竭的现
5、实形成了剧 烈冲突。为了实现人类社会、经济的可持续发展， 迫切需要以可再生生物资源替代不可再生化石资 源，以清洁高效的生物加工方式替代污染低效的传 统物质加工方式。 生物炼制是以生物可再生资源为原料生产能源 与化工产品的新型工业模式，被认为是创造新的生 物基工业的最有发展前景的道路。生物炼制主要有 两种途径：一是热化学加工，即通过热化学方法首 先将生物原料加工为中间产物或者直接获得最终的 产品；二是生物化学转化，即利用生物技术手段来 完成从生物质到产品的生物加工过程，细胞工厂是 实现生物化学转化的基础。然而，自然界中任何一 种微生物的酶系种类有限，转化效率与能力有限， 不能满足工业生产的需要。
6、要将微生物改造成用于 生物炼制的细胞工厂，必须借助基因组学、系统生 物学和高速计算技术的最新发展，解析微生物的基 因、蛋白、网络与代谢过程的本质，在分子、细胞 和生态系统尺度上，多水平、多层次地认识和改造 1322 ISSN1000-3061 CN11-1998/Q Chin J Biotech October 25, 2010 Vol.26 No.10 J 微生物，经过人工控制的重组和优化，重新分配微 生物细胞代谢的物质流和能量流，从而充分利用微 生物广泛的物质分解转化与卓越的化学合成能力， 高效地制备生物能源和替代石油化工原料的平台化 合物。构建高效细胞工厂是生物炼制的核心技术， 它的发展
7、将推动生物炼制逐步取代传统石油炼 制，解决人类面临的日趋严峻的能源、资源和环境 问题。 生物炼制技术已成为当今科技发展的最重要前 沿之一，是世界知识产权争夺的战略制高点，各发 达国家已作为重要的战略方向予以资金支持与政策 扶持。为了尽快提升我国生物炼制技术水平，973 计划在 2007 年设置了 “生物炼制细胞工厂的科学基 础”项目。该项目的主要思想是利用生物学、化学、 计算科学、生化工程等交叉学科手段，研究解决全 糖底物利用、代谢调控、细胞工厂构建与性能优化 等方面的关键科学问题，揭示生物基产品典型代谢 途径的优化调控机制，实质性地提高构建生物炼制 细胞工厂的创新能力，提高大宗工业原料的生物
8、合 成能力，形成先进生物炼制技术的基础，为我国的 新型工业化道路作出积极的贡献。 为了推动我国生物炼制技术的进步和发展， 生 物工程学报出版“生物炼制细胞工厂”专刊，邀 请“生物炼制细胞工厂的科学基础”973 项目的核 心研究人员，系统介绍该领域国内外的最新研究进 展，并报道近年来取得的创新研究成果。 1 微生物纤维质糖代谢的分子机制 从可持续发展的角度，生物炼制的原料应来源 于植物纤维资源。木质纤维素复杂的结构组成，是 制约高效利用这一资源、发展生物炼制的瓶颈。主 要存在于厌氧细菌中的纤维小体是有序、高效的协 同降解纤维素的复合体系。 梁朝宁、 马延和等作者1 概述了现有微生物降解利用木质纤
9、维素体系的研究 进展，论述了纤维小体和经过理性设计的人工纤维 小体在木质纤维素降解的前景。探讨了人工设计构 建的多酶体系 (人工纤维小体)、多菌体系 (共培养) 以及将酶和菌株有机结合的体系 (工程菌代谢网络 改造)在木质纤维素高效利用中的潜力，以期实现天 然生物质木质纤维素到目的产品的高效转化，提高 生物炼制的产率、降低生产成本。 真菌是最主要的纤维素酶生产菌株，但现在对 其纤维素酶表达分泌及其调控机理的了解还很有 限。要提高纤维生物质降解酶系的效率，须在生物 质降解的分子基础上找突破。 各类组学技术的出现， 为揭示生物质降解的分子机理提供了技术可能。田 朝光等作者2综述了真菌降解木质纤维素
10、的功能基 因组学研究进展。通过对白腐菌、褐腐菌、木霉、 脉孢菌、青霉菌等典型纤维素高效降解真菌的功能 基因组学和比较基因组学的分析，发现了很多参与 降解过程的新基因，为木质纤维素降解机理的研究 提供了新的目标靶点和思路。 木质纤维素作为植物界抵抗微生物侵扰的天然 屏障，结构复杂，组成多样。单一功能的酶往往无 法胜任木质纤维素的降解。为真正实现生物质的全 面利用，需要深入研究纤维素酶系之间的协同作用 机制，理解蛋白质分子如何结合木质纤维素并将之 降解的分子机理和调控机制，在此基础上，结合代 谢工程来重构木质纤维素降解酶系、菌系，开发出 一套经济、高效的木质纤维素酶解体系。 2 细胞工厂的代谢网络
11、及调控 微生物中的代谢途径并不是相互独立的，而是 存在于复杂的代谢网络中，并受到各种调控网络的 制约与控制。 要构建用于生物炼制的高效细胞工厂， 还应当在理解生物代谢机制的基础上，认识细胞的 调控机制，合理设计代谢途径和合成系统，重构基 因的表达调控网络，从而重新分配细胞代谢的物质 流和能量流，提高化学品的合成效率。 微生物基因组学的迅速发展为全面理解与认识 微生物的代谢与调控过程提供了丰富的背景信息。 基于基因组序列进行代谢网络重构，有助于发现新 的代谢功能基因、调控元件、甚至新的代谢途径， 从而指导代谢工程改造。基因组尺度代谢网络是以 基因组序列和注释信息为基础，通过基因-蛋白质- 反应相
12、互关系重构模拟生物体的代谢过程。王晖、 马延和: 生物炼制细胞工厂：生物制造的技术核心 1323 J 赵学明等作者3结合实际研究经验，从代谢数据库 建立、数学模型的建立到模拟验证，对基因组尺度 代谢网络进行了详细的阐述。作者同时指出，虽然 基因组尺度的代谢网络模型发展迅速，很多模式菌 株的基因组尺度的代谢网络模型已经构建完毕，但 是基因组尺度的代谢网络也存在一些缺陷。例如， 与其他生物过程结合较少；现在的模型还是基于稳 态模拟，不能反映细胞真正的动态情况；构建网络 所需的数据不完善，很多生物信息数据库存在错误 和冗余，导致构建的基因组尺度代谢网络还不够完 善等方面的问题。 针对目前公共数据库平
13、台中代谢途径基因的功 能注释存在许多错误或信息不完整的问题，杨琛4 以丙酮丁醇梭菌中木糖代谢途径的重构为例，介绍 了代谢途径和调控网络重构的一些新型比较基因组 学技 术 。 利 用基 因 组 上 下文 分 析 方 法(Genome context analysis)，结合基因簇、结构域融合、基因 系统发育谱以及调节位点共享等多种基因组信息， 推断有关基因的功能关联性，进而准确预测基因的 功能，有效地解决缺失基因问题、填补途径缺口， 重构出完整的代谢途径。作者通过实验验证，成功 重构了丙酮丁醇梭菌中木糖和木寡糖代谢途径及调 控单元。该工作也说明，运用新型的比较基因组学 技术，能够有效地解决网络重
14、构中关键基因缺失的 问题，准确地预测基因的功能，为实验分析提供指 导，从而大大减轻实验工作量、提高工作效率。 丙酮丁醇梭菌是一个重要的工业溶剂生产菌 株。现在人们对其有机溶剂生成通路的调控机制仍 不甚了解。从全局角度来分析丙酮丁醇梭菌的代谢 通路，了解参与通路的各种蛋白质的变化，对丙酮 丁醇梭菌的基因改造将会起到重要的指导作用。白 雪、王全会等作者5采用双向电泳和质谱联用的技 术，对丙酮丁醇梭菌的磷酸化蛋白质组进行了初步 的分析，证实了丙酮丁醇梭菌的蛋白磷酸化过程可 能在有机溶剂合成通路中起着调节功能，这也为丙 酮丁醇梭菌代谢工程改造提供了新思路。 谷氨酸棒杆菌是氨基酸的主要生产菌株，也是 重
15、要的可改造为细胞工厂的微生物。张晓梅、许正 宏等作者6对一株发酵生产 L-色氨酸的谷氨酸棒杆 菌进行了部分代谢流量分析，发现氨基酸发酵中的 扰动因子叶酸和维生素 B12影响磷酸戊糖途径 (HMP) 碳流，造成流向目的产物 L-丝氨酸的碳流 减少。维生素 B12还可造成三羧酸循环的流量不 足，从而限制了产物合成速率的进一步提高，研究 结果也为谷氨酸棒杆菌的代谢网络调控优化提供 了参考。 3 细胞工厂的构建技术 发现和认识微生物代谢的分子基础、互作关系 及调控机制，为微生物细胞工厂的构建奠定理论基 础。更重要的是要进一步了解、掌握生物合成系统 的构建原理，开发出不同途径的组装策略以及遗传 改造方法
16、。 转基因是生物合成能力重构的重要手段， 外源基因可以赋予细胞新的能力、形成新产物的合 成、增强细胞的抗逆性等，是细胞工厂构建的有力 工具。同时，为了优化特定产品的合成途径，需要 去除一些不必要的支路途径，将细胞的物质流与能 量流引向目的代谢物途径。为了实现这些目标，必 须解决外源基因的导入、基因的敲除、大片段基因 的重组和目的基因的表达等一系列技术问题。 董红军、李寅等作者7介绍了丙酮丁醇梭菌的 遗传操作系统研发方面的所取得的新进展。作者通 过二型内含子的方法失活丙酮丁醇梭菌的限制修饰 系统，实现了非甲基化质粒在丙酮丁醇梭菌中的转 化。 作者进而分析了基于非复制型质粒的同源重组、 基于复制性质粒的同源重组、 反义 RNA 技术和二型 内含子基因失活技术目前存在的缺陷，指出提高转 化效率是
