无细胞合成生物技术的进展探究

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1、无细胞合成生物技术的进展探究　　合成生物技术一经兴起，便得到全世界的广泛关注，下面是小编搜集整理的一篇探究无细胞合成生物技术进展的范文，供大家阅读参考。　　1合成生物技术　　合成生物学是新出现的一门综合了分子生物学、工程学、数学等许多研究内容的交叉学科，它借鉴工程化的思想研究生命，目的是通过人工设计和构建高效、可控的生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题[1].ScientificAmerican的编辑DavidBiello曾经用一个简单的比喻来说明什么是合成生物技术：如果将生命比作电脑，那么，由许多

2、核酸组成的程式码-基因体，就是生命的作业系统。合成生物技术想做的就是，透过创造或改写基因组，让生命表现出预期的行为，执行预定的工作。　　合成生物技术一经兴起，便得到全世界的广泛关注。早期合成生物技术的研究内容主要为标准调控元件的设计与合成;现阶段的研究内容扩展为通过系统生物学指导，理性组装各种合成生物元件，使其成为定向执行某种生物功能的代谢通路、系统或者一种全新的细胞[2].经过10余年的探索，细胞体内代谢途径的构建已经取得了相当大的进展，其中的典型代表即为Keasling课题组[3,4]利用合成生物技术

3、的方法在大肠杆菌和酿酒酵母中均成功构建的紫穗槐二烯(青蒿素前体物)的合成路径，建立了有效而价廉的青蒿素合成方法。伴随基因组学和系统生物学的不断进步，合成生物技术将会给产品开发带来革命性的影响，为世界带来新一轮产业发展浪潮。中国已经制订了合成生物技术战略路线图，规划了技术、工业应用、医学和农业等方面的中长期目标：未来5年，争取建立标准元件数据库，形成化学品和生物材料的模块化设计和生产能力;未来10年，力争形成生物系统设计、建模和验证一体化平台，商业化生产众多自然化合物、药品、化学品和生物燃料。　　但是，在实

4、际操作过程中，并不是所有人工设计的代谢途径都能在宿主细胞体内表现出预期的效果，原因主要有以下几方面：生物系统构建复杂难以预测;许多人工合成的生物元件与宿主细胞的兼容性问题;目标产物对宿主细胞的抑制;生物系统的稳定性问题等[5].相比于调控活细胞的代谢，体外多酶催化体系显得更具灵活性及可操作性。　　2无细胞的合成生物技术-多酶催化体系　　无细胞的合成生物技术的核心思想为体外多酶催化体系的构建，即模仿体内代谢途径，在体外组合一系列酶及辅酶，构建复杂的生化代谢网络以获得目标产物的过程[6].无细胞的合成生物技术

5、近年得到很大提升，并不断迅速发展。这种快速的发展基于无细胞的合成生物技术平台的几个重要特点[7~9],包括：　　(1)没有宿主细胞的生理调控系统，反应条件更容易控制，可以方便地进行反应条件的优化;(2)不存在副反应和宿主细胞本身的代谢需求，能够达到更高的产品得率和产品纯度;(3)可以使用高负载量的酶，用于提高反应速率;(4)宽泛的反应条件(如高温、有机相催化体系)、底物的自由选择，解决了底物或中间产物的毒性问题;(5)具有相当大的工业化潜力。　　无细胞的合成生物技术可以看作一个基于三要素的集成式平台，包括

6、：代谢途径重新构建、酶工程和反应工程[10].代谢途径重新构建需要以体内代谢途径为基础，组装相应的酶和辅酶。与体内代谢途径可以自动平衡辅酶和产生腺苷三磷酸(ATP)不同，构建体外代谢途径必须设计辅酶再生系统和ATP合成体系。此外，需要进行详细的热力学分析，以确保设计的代谢途径和预期相符。酶工程经过近半个世纪的发展，是一个相对成熟的研究领域，涉及酶的发现、酶的大量制备、理性设计、定向进化和酶的固定化等。反应工程包括生物反应器的设计(如膜反应器、流加反应器、连续搅拌釜式反应器)、多个反应的级联、反应条件的优化

7、等。　　3多酶催化体系的构建策略　　3.1底物通道效应　　多酶催化体系反应过程中，中间产物要经分离纯化才能进行下一步产应。中间产物在分离过程中损失较大，产率相对较低。对催化反应的多种酶进行理性设计，在一定空间内实现级联催化，可有效减少反应步骤及反应设备的初始投入，减少中间产物的扩散阻力、增加其局部浓度，降低中间产物在分离过程中的损失，提高最终产物的收率。　　底物通道效应(substratechanneling)指在多酶催化的代谢途径中前一个酶所催化产生的产物直接进入下一个酶的活性中心，而不是扩散进入所在的

8、反应体系环境中[11].在传统的生物催化级联过程中，所有的酶均匀分布在反应器中，存在酶稳定性差、产物分离复杂、酶难以回收、环境耐受性差以及中间传递效率等诸多问题，因此，需要发展有效的固定化酶策略来实现多酶催化的底物通道效应，同时可以保持酶的活力稳定性及重复使用性。　　多酶催化体系的固定化是酶工程领域的前沿课题之一，探索和研究新的固定化技术，开发适用范围广、可应用于多酶催化的固定化酶载体材料，为多酶体系创造适宜的微环境是这一领域