多元模块工程在代谢工程中的应用与研究进展

2016年第35卷第11期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
·3619·
化 工 进 展
多元模块工程在代谢工程中的应用与研究进展
刘丁玉1
，2，3
，孟娇1
，2，3
，王智文1
，2，3
，陈涛1
，2，3
，赵学明1
，2，3
（1天津大学化工学院，天津 300072；2教育部系统生物工程重点实验室，天津 300072；3天津化学化工
协同创新中心，天津 300072）
摘要：随着代谢工程理论体系的发展，代谢工程的研究方法目前已从对单一途径的调控转变为对整个代谢网络的全局调控。

同时，为了在工业微生物领域实现与化学工业生产规模相当的生物炼制过程，代谢工程需要一套通用的菌株优化策略。

其中关键问题之一，是解决代谢通量的不平衡。

本文介绍了基于传统的理性代谢工程与近年来兴起的组合工程中存在的问题，研究者提出了一种模块化的代谢网络优化策略——多元模块工程（multivariate modular metabolic engineering ，MMME ）。

阐述了多元模块工程的原理和方法，列举了其常用的调控技术和手段，在此基础上综述了近年来模块化策略在代谢工程领域的应用进展，提出了该策略面临的主要问题并展望了其未来的发展方向。

关键词：多元模块工程；代谢工程；组合工程；合成生物学
中图分类号：Q819 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）11–3619–08 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.035
Progress and application on multivariate modular metabolic engineering
in metabolic engineering
LIU Dingyu 1
，2，3
，MENG Jiao 1
，2，3
，WANG Zhiwen 1
，2，3
，CHEN Tao 1
，2，3
，ZHAO Xueming 1
，2，3
（1School of Chemical Engineering and Technology ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2Key Laboratory of Systems Bioengineering ，Ministry of Education ，Tianjin 300072，China ；3Collaborative Innovation Center of Chemical
Science and Engineering ，Tianjin 300072，China ）
Abstract ：With the development of metabolic engineering ，the metabolic engineering research method of single pathway regulation has evolved into global metabolic network regulation. In order to realize the chemical industrial vision of ‘biorefineries’ in the field of industrial biotechnology ，metabolic engineering requires a systematic study with well-defined principles and tools. One of the key problems is balancing metabolic flux. Based on the traditional ，rational metabolic engineering and the rise of the problems existing in the combinatorial engineering in recent years ，the researchers proposed a modular metabolic network optimization strategy using multiple module projects. The modular strategies in progress of application in metabolic engineering during recent years are summarized. In addition ，the main problem and future direction of this strategy to optimize metabolic pathways are presented in light of the current knowledge of multiple module application.
Key words ：multivariate modular metabolic engineering ；metabolic engineering ；combinatorial engineering ；synthetic biology
第一作者：刘丁玉（1987—），男，博士研究生，E-mail
*****************.cn ；孟娇（1990—），女，硕士研究生，E-mail ****************.cn 。

联系人：王智文，博士，讲师。

E-mail
***********.cn 。

收稿日期：2016-04-19；修改稿日期：2016-05-27。

基金项目：国家自然科学基金（NSFC-21576200，NSFC-21576191）、国家973计划（2012CB725203）及天津市自然科学基金（15JCQNJC06000）项目。

。

化工进展 2016年第35卷·3620·
人们利用微生物进行工业发酵生产已经有悠久的历史，发酵产品遍布食品、药品、能源、化工等多个领域。

在此基础上，BAILEY和STEPHANOPOULOS于1991年最先提出了代谢工程的概念。

经过二十多年的研究与发展，人们在利用微生物进行发酵生产方面取得了显著成效[1]。

代谢工程最早致力于利用系统已知计量关系、动力学方程及相关知识对细胞表型进行理性修饰[2]，目前在这方面取得了辉煌的成果并产生了深远的影响[3]。

这些理论和技术目前仍被人们不断地深入发展和研究。

代谢工程前期研究已经取得了丰硕成果[4]，其一条重要原则是消除代谢途径中的瓶颈，使代谢通量的分配达到平衡以获得期望的目标表型[5]。

在代谢工程理论体系发展的二十年间，随着“后基因组时代”的到来，大量的基因组、蛋白质组、代谢物组学数据已被获得[6]，人工合成基因片段的成本显著下降[7]，对胞内代谢机制的研究更加精确[8]。

因此，代谢工程的研究重点已经逐渐从对单一基因或途径的扰动发展到对整个细胞代谢通路的调控[9]。

代谢工程的研究方法（toolbox）已经从传统对单个基因或单一途径的调控[10]转变为对整个细胞的基因表达和代谢网络进行全局调控[11]。

为了在工业微生物领域实现与化学工业生产规模相当的生物炼制过程，代谢工程需要具备一套标准的通用的菌株优化策略[12]。

其关键点在于发现并有效地解决代谢通量的不平衡问题[13]。

传统理性代谢工程采用解调关键酶、基因敲除、过表达限速步骤基因等方法来解决代谢途径中的瓶颈[14]。

然而，由于生物系统的高度复杂性和生化反应非线性的特点，完全理性预测和设计途径平衡的最优方案是很难实现的[4]。

上述“极端”（过表达、基因敲除）的操作方法往往会给代谢途径引入新的瓶颈。

由于途径中各基因的相关性，因此需要一种更加大尺度的调控多基因的方法来寻求代谢通量的最优平衡。

近年来，随着合成生物学技术的发展，大量基因编辑和调控工具的开发使一种“组合工程”策略被广泛应用。

其与传统理性代谢工程相比是一种随机的、大尺度的优化代谢网络的方法。

其中包括直接调控基因表达强度的方法，如构建启动子文库和RBS文库[15-16]。

此外，还有利用转录因子进行转录水平的优化方法gTME[17]，直接在基因组进行多靶点操作的组合优化方法，如MAGE[18]、CAGE[19]、TRMR[20]、CRMAGE[21]等。

这些策略的共同点是先获得大量不同突变组合的文库，再利用高通量筛选技术从中获得最优表型[22]。

虽然“组合工程”有很大的前景，但其广泛的应用受限于需要依靠表型（如显色产物、产物耐受性等）的高通量筛选，许多目标表型目前不具备高通量筛选的前提[23]。

因此，基于以上两种方法存在的问题，代谢工程研究者开发了一种模块化的代谢网络调控策略——多元模块工程（multivariate modular metabolic engineering，MMME）[24]。

这种模块化思想与理性代谢工程相比更加简单通用，不需要对某个基因或某条途径的机理详细认知，与“组合工程”相比却更加系统和理性，而且避免了高通量的筛选过程，因此近年来被广泛应用于代谢网络的优化。

本文阐述了多元模块工程的原理和方法，列举了其常用的调控技术和手段，在此基础上综述了近年来模块化策略在代谢工程领域的应用进展，提出了该策略面临的主要问题并展望了其未来的发展方向。

1 多元模块工程的原理
多元模块工程与传统理性代谢工程和组合工程有所不同，如表1所示，是一种介于这两者之间的代谢工程策略。

其工程思路是将整个代谢通路分成不同的模块，再利用代谢工程技术与合成生物学调控元件对各个模块的强度进行调节以及协调不同模块的表达，最终达到对整个代谢通路的优化。

多元模块工程思想来源于对细胞信号通路的模块化行为的理解和启发[25]，代谢网络中的各种酶可以按照途径分支、化学组成或酶学特性分成一系列模块。

只需构建少数的模块组合，就可以在大范围内优化代谢通路。

多元模块工程的原理如图1所示，对非线性的代谢网络机制，用一系列模块重新划分代谢网络，调控不同模块强度的平衡表达，以解调或消除途径瓶颈。

将复杂的代谢系统简单化，通过转录、后转录、翻译水平的机制调控模块表达，模块间强度配置可用多元统计方法进行筛选，巧妙地通过一系列的模块重新划分传统代谢网络，更利于调整通量平衡和消除途径中的瓶颈。

一般来讲，当以一个操纵
表1 不同代谢工程策略的对比
代谢工程策略
对遗传背景知
识需求
筛选通量应用方法
理性代谢工程高低基因敲除、基因或途径过
表达、关键酶的解调
多元模块工程中中模块通量优化
组合工程低高 MAGE、CAGE、TRMR、
gTME、CRMAGE、启动子
文库、RBS突变
第11期刘丁玉等：多元模块工程在代谢工程中的应用与研究进展·3621
·
图1 多元模块工程原理[12]
子形式表达一个代谢途径时，这条途径的反应速率由这一途径中反应速率最慢的酶所决定。

这意味着，途径中有些酶的反应速率难以达到其本身的最优值。

将整个途径中相似反应速率的酶归为一个模块，通过调整模块表达量来平衡不同模块的通量，从而使整体代谢网络的效率最优化。

同时将代谢网络重新划分为几个相互影响的模块不仅能够使复杂的代谢系统更加易于分析，而且每个独立模块内部的基因表达可通过一系列的转录、后转录和翻译机制进行模块内部调节，模块的强度可以用简单的多元统计方法进行评价。

随着合成生物学技术的发展，大量标准化调控原件的构建以及基因序列合成成本的逐渐降低，意味着可以更加高效的构建不同强度的模块并迅速进行检测和分析。

2 模块强度的调控方法
目前模块强度的调控主要依赖于质粒拷贝数、启动子、RBS序列，如图2所示。

模块强度调控方法主要有质粒拷贝数（高、中、低）、启动子强度、RBS强度，3种方法通常结合使用，可以在大尺度强度范围内精确调控多个模块的平衡表达。

这3种调控方法简单、经济，并且在同一宿主菌株中具有通用性，因此是多元模块工程调控的首选。

2.1 质粒拷贝数
作为一种简单、便捷且效果显著的方法，质粒拷贝数的调节被频繁地应用于途径平衡优化。

目前许多基因功能线路和代谢通路都是在质粒上构
图2 模块强度的调控方法
化工进展 2016年第35卷·3622·
建，质粒的拷贝数对基因线路的表达强度会产生一定影响。

多种不同拷贝数质粒可以在工业化菌株中实现各模块不同水平的表达。

目前利用质粒拷贝数优化模块组合的最突出成果是XU等[26]利用其课题组自主开发的ePathBrick元件[27]，在大肠杆菌中协调表达与脂肪酸生产途径相关的3个模块，达到了该菌株中目前游离脂肪酸的最高产量。

这个例子是多元模块工程应用的经典案例，利用不同拷贝数的质粒简单高效的调节3个模块的强度，对8种模块强度组合进行评价，最终筛选到最优组合。

质粒作为一种最通用、经济、方便的调控工具其优势在这个例子中被充分发挥。

除此之外，在类黄酮[28-29]、烯萜类[30]等代谢途径中均有以质粒作为模块优化工具的成功案例。

但质粒表达基因的同时会给细胞带来一定生理负担，同时发酵后期可能出现质粒丢失的现象。

因此，随着基因组编辑技术和生物标准化元件的发展，在基因组上通过基因表达元件的调控来扰动基因的表达成为了更好的选择。

2.2 启动子调控
在细胞代谢通量各个水平的调控中，转录水平的调控起着关键作用，启动子在转录水平调控中居于关键的地位[31]。

转录水平的模块调节优化可通过不同启动子来实现，启动子的获得途径一般是，利用菌株已报道的不同强度启动子，理性或半理性设计启动子[32]，随机筛选构建启动子文库[33]。

目前，大部分研究中会将质粒拷贝数和启动子调控联合使用。

WU等[29]以E.coli为宿主菌生产白藜芦醇的研究中，将5个外源酶划分为3个模块，重新构建了生产白藜芦醇的代谢途径。

最初将3个模块表达在3个质粒上，白藜芦醇产量只有3.03mg/L，进一步利用E.coli中常用的强启动子Trc、T7，结合不同拷贝数的质粒协调平衡3个模块的强度，最终最优菌株的产量达到35.02mg/L。

从这个例子看出，将启动子与质粒拷贝数两种调控方法结合使用，可以增大调控幅度，优化设计方案，更加容易获得最优型菌株。

除E.coli外，利用启动子进行模块调控的方法在Bacillus subtilis[34]、Yeast[35]等其他模式菌株中也均有成功运用的案例。

随着目前启动子工程技术的发展，利用启动子调控相对于质粒拷贝数具有更宽的调控范围，同时启动子调控除了可以在质粒上实现外，还可通过基因编辑技术在基因组上实现，避免了过多的代谢负担。

2.3 RBS序列强度
RBS序列和蛋白翻译的速率密切相关，能显著影响目的蛋白表达量，因此是调控翻译强度的重要元件。

RBS序列一般用来调控单个基因的表达强度，不足以进行整个模块强度的调控，但同样可以将其运用到模块化策略中，RBS序列由于其方便操作和便于理性设计的因素，可以在单一途径中运用模块化思想调控多个基因的表达强度。

作者课题组利用自主开发的MIPE系统[36]和RBS计算器[16]，调控核黄素操纵子上5个基因的RBS强度，通过不同组合的筛选，使最终菌株核黄素产量提高了2.6倍。

目前对模块强度的调控方法主要以上述3种方法为主，自多元模块工程策略诞生以来，短短几年内代谢工程研究者已经将其应用于多种途径产品的生产，取得了显著成果。

如表2所示。

3 多元模块工程在代谢工程中的应用
多元模块工程作为代谢工程的一种重要菌株优化策略，已分别在原核和真核的不同模式菌株中有成功的应用案例。

依据模块划分的方法，可将其在
表2 近年来多元模块工程在代谢工程中的应用菌株产品模块划分调控方法参考文献
E.coli 紫杉醇（1）MEP 途径；
（2）萜类化合物合成
途径
质粒拷贝
数；启动子
[32]
E.coli 脂肪酸（1）乙酰辅酶A形成；
（2）乙酰辅酶A激活；
（3）丙酰基辅酶A消耗
质粒拷贝数[28]
E.coli 白藜芦醇（1）酰基辅酶A形成；
（2）白藜芦醇合成；
（3）丙酰基辅酶A形成
质粒拷贝
数；启动子
[31]
E.coli L-酪氨酸（1） 莽草酸模块；
（2） 酪氨酸模块
质粒拷贝
数；启动子；
密码子优化；
操纵子布置
[39]
E.coli β胡萝卜素（1）MEP途径； mRs
元件[40]
（2）β胡萝卜素合成；
（3）PP途径；
（4）TCA 循环；
（5）ATP 合成
E.coli 丹参素（1）酪氨酸合成；
（2）葡萄糖利用；
（3）磷酸烯醇式丙酮
酸-酪氨酸；
（4）莽草酸-分支酸
Bldgbrick系
统元件
[42]
Bacillus
subtilis
N-乙酰葡
糖胺
（1）N-乙酰葡糖胺合成；
（2）糖酵解途径；
（3）肽聚糖合成
启动子；
sRNA
[36]
Yeast 富马酸（1）还原模块；
（2）氧化模块；
（3）副产物模块
质粒拷贝
数；启动子；
支架蛋白；
sRNA
[37]
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代谢工程中的应用分为两部分。

3.1 依据代谢支路节点划分模块的应用
以代谢支路为依据划分模块是最简单有效的策略，将复杂的代谢网络按途径节点分割，每条途径作为一个模块。

一般这种方法不仅可以划分菌株自身的代谢途径，同时可以将引入的外源途径与本身的内源途径结合起来重新划分代谢网络，这对有外源途径引入的菌株是一种非常有效的平衡代谢通量的策略。

以代谢支路划分模块最经典的例子是AJIKUMAR等[30]在大肠杆菌中生产紫杉醇类化合物的研究，这也是第一次明确提出模块化的概念，也开启了该思想在代谢工程领域的广泛应用。

该研究以IPP为节点将整个途径分为两个模块：一是上游的内源MEP途径模块（dxs，idi，ispD，ispF）；二是两个外源萜类化合物合成酶构成的下游模块。

使用不同强度的启动子和不同拷贝数质粒组合调控上游和下游模块的强度，协调两个模块通量平衡的同时也限制了副产物吲哚的积累。

在作者构建的不同模块组合的菌株中，成功筛选了高产紫杉二烯的菌株，其最高产量能达到1g/L，是对照菌株的15000倍。

这个例子中，上游MEP途径由8个基因组成，用传统策略调控需要对该途径代谢机理有详细的认知，并且在默认其属于线性系统的条件下进行，这会造成忽视很多非特异性效果（中间代谢物毒性、质粒造成的负担等）。

但研究者将其简化为由4个限速步骤基因组成的模块，通过整体的调控模块强度回避了复杂的非线性作用，从而以“小尺度”的设计优化了大尺度的整体。

将多元模块工程的优势充分发挥出来，对后来研究者采用模块化策略是一个很好的引导。

AJIKUMAR等成功运用多元模块工程后，国内外许多研究者追踪了这项研究，成功的将该策略应用到各自的研究中，目前在不同菌株，不同途径中均有成功应用多元模块工程的范例。

XU等[26]的研究也是根据途径节点划分模块的典型例子，整个代谢网络的15个基因依据中间代谢物节点被划分为3个模块，协调平衡模块表达后使乙酰辅酶A的合成与丙酰基辅酶A的消耗之间达到平衡，最终菌株脂肪酸产量达到8.6g/L。

DARMAWI等[37]将多元模块工程运用于E.coli生产L-酪氨酸的研究中，以中间产物莽草酸为节点，将整个途径分为上下游两个模块，逐步平衡两个模块的通量水平，结合组学技术进一步确定靶点，对基因做更加精细的调控。

克服了之前文献中对该产物途径的研究仅局限于局部靶点而无法涉猎全局的缺点，是多元模块工程与组学技术结合的范例。

ZHAO等[38]将多元模块工程应用于大肠杆菌中β胡萝卜素的生产，将整个代谢系统划分为5个模块，其中2个直接参与β胡萝卜素合成的模块：上游是E.coli的自身的MEP途径模块，下游是整合到基因组的外源途径模块（crtE、crtB、crtl、crtY）。

除此之外还设计了3个中心代谢模块：ATP合成模块，TCA循环模块和PP途径模块。

利用其课题组自主构建的mRs文库[39]对各个模块的强度进行理性优化，根据不同优化组合下菌体生长状况和β胡萝卜等产量协调各模块间的表达强度，从而优化整个系统的代谢平衡。

通过多元模块方法的调控，提高了生产β胡萝卜素的前体物IPP和DMAPP以及辅因子ATP和NADPH的供给，成功获得了稳定的重组菌株，其产量可达2.1g/L，比对照菌株提高了74倍。

该例子中的模块划分不仅涉及产物合成途径，中心碳代谢相关模块也被统筹考虑，这样不但可以更加全面地优化产物生成途径的通量，同时将菌体生长情况也作为重要的参考指标，最终可获得既稳定又高产的菌株。

证明了用多元模块工程的思路优化代谢途径，可以更加全面的考虑各种相关因素，从而获得遗传背景更加符合工业化生产的菌株。

LIU等[34]首次在Bacillus subtilis中成功的运用了模块化策略，将N-乙酰葡糖胺的相关代谢途径分为3个模块：①N-乙酰葡糖胺合成模块；②糖酵解模块；③肽聚糖生成模块。

其中模块1与产物生成直接相关，首先用不同强度启动子调控模块1内部的通量平衡，使最终产量提高32%。

模块2、3均是竞争途径模块，用不同强度的弱化元件sRNA进行调控，最终综合优化3个模块的组合，使N-乙酰葡糖胺的最终产量达到31.65g/L。

该研究对多元模块工程的应用更加精细，运用模块化思路从单一模块到多个模块逐级调控，主次分明，效果显著，为这一方法的应用提供了重要参考。

同时ZHAO和LIU等的研究还有一个重要的共同点，即都基于优良的合成生物学标准化元件的运用（mRs文库、sRNA），通过这些调控元件的运用使模块调控更加理性且有针对性，可见多元模块工程与高质量的生物学元件相结合，可以达到事半功倍的效果，也是这一策略未来的重要发展方向。

近期多元模块工程的又一显著成果是CHEN等[35]
化工进展 2016年第35卷·3624·
在酵母中进行高产富马酸的途径优化。

模块化思想在该研究中得到更加深刻的充分发挥，研究者以丙酮酸为节点将中心碳代谢途径分为3个模块，分别是还原（支路）模块、氧化（产物生成）模块、副产物模块，每个模块由相应支路中的关键酶构成。

该研究并不是像以往的多元模块工程研究那样调控3个模块的平衡表达，而是运用转录和翻译水平的多种调控手段逐个对单一模块进行优化，再将优化后的3个模块结合表达，最终使富马酸产量达到33.13g/L。

该成果也是模块化策略在途径工程中的一种体现，说明多元模块工程未必是划分模块后硬性的平衡模块间的表达，也代表了一种先分而治之再相互结合的途径工程思维方式。

3.2 依据代谢途径中的关键酶划分模块的应用
这种模块划分方法适用于更加复杂，多步骤以及代谢瓶颈突出的代谢网络，把每个分支途径中的限速酶作为一个模块，以一个操纵子的形式在质粒或整合到基因组上进行表达，通过调控少数基因的表达达到调控不同代谢支路通量平衡的目的，是模块化策略“化繁为简”的充分体现。

WU等[28]在以E.coli生产松属素的研究中，将整个网络简化为一个4模块的系统。

首先将底物到终产物的反应以L-苯丙氨酸为节点分为上下游两部分，上游部分是由葡萄糖生成L-苯丙氨酸的一系列反应，将这部分简化为由两个关键步骤酶aroF、pheA组成的模块1。

同时，下游部分以酶的催化效率和消除代谢瓶颈为原则分别划分为模块2（PAL、4CL）、模块3（CHS、CHI）。

此外，为了增加另一重要前体物丙酰辅酶A的供应，将其生成途径的两个关键酶matB、matC作为模块4。

由以上8个关键基因重新组成新的模块途径，既解决了重要前体物的供给又消除了原来途径中的通量瓶颈，使松属素的最终产量达到40.02mg/L。

WU等的研究虽然是以代谢途径中的关键酶来划分模块，但其每个模块中的酶仍然是来源于同一条代谢支路，其模块划分思路仍然沿袭第一种方法，可以看作是第一种划分方法的简化。

YAO等[40]在E.coli中构建丹参素合成途径的研究则完全摆脱了代谢支路的局限，将整个途径网络中不同支路的基因按照酶的不同作用目的整合成4个模块。

模块1为酪氨酸合成模块（aroG，tryA，aroE），模块2为葡萄糖利用模块（ppsA，tktA，glk），模块3为PEP-酪氨酸通路模块（pckA，aroB，tyrB），模块4为SHK-CHA通路模块（aroL，aroA，evgA），其中每个模块的基因并不处于同一条支路，以质粒拷贝数和启动子调控4个模块的不同组合，最终菌株中，丹参素产量可达7.1g/L。

由于不同代谢支路具有一定的相关性且单一反应的通量与多种因素有关，因此该研究的模块划分策略与之前的研究相比更加理性，考虑的因素也更加全面。

但这种模块划分方法目前依赖了于需要大量的研究基础和理论积累，因此目前还无法在不同代谢网络中大量使用，随着系统生物学多种研究手段的发展以及研究者理论知识的积累，类似的研究方法会越来越广泛的应用。

4 展望
多元模块工程已经成为代谢工程的一种重要研究方法，与其他代谢工程策略相比可以更加高效、系统、简约地调控代谢通路中的通量平衡，其在短短几年内被应用于多种代谢途径的产品生产。

它也为研究者们提出了一种研究代谢网络调控机制的策略，开发了一个应对目前调控手段瓶颈的办法。

而且它的设计理论在多种宿主菌株以及不同代谢途径中具有通用性，模块化思想更有利于把代谢工程发展为更加系统和规范化的学科。

多元模块工程的未来发展趋势主要为以下几点。

（1）更加精确、理性地划分模块。

模块节点的选择无疑是多元模块工程最重要的环节，准确、高效地划分模块是实现代谢通量平衡和优化代谢网络的基础。

目前的模块划分主要是从已知的代谢支路和途径中的关键酶出发，随着代谢通量分析技术和多种“组学”技术的发展，未来的研究者们对模块的划分将更加精确，模块调控效果更佳突出。

（2）应用更加多样、系统化的模块调控方法。

目前模块表达水平的调控主要依赖于质粒拷贝数、启动子等“粗糙”的调控手段，随着合成生物学技术的发展，基于转录和翻译水平的多种新的调控工具和元件将被运用（TIGRs[41]、SSR[42]等）。

（3）实现多模块、大尺度的模块组装和调控。

为了扩大调控范围和引入更加复杂的外源途径，除了运用更多转录及翻译水平的调控元件外，多模块的组装和整合也是未来的重要发展方向。

近年来开发的大量DNA组装技术（Gbison[43]、CLIV A[44]、GoldenGate[45]）和基因组编辑技术（CIChE[46]）都有应用于多元模块工程的潜力。

此外，近期在细胞与分子克隆领域倍受关注的CRISPR-Cas9基因编辑技术，可以更加高效、多位点地修饰基因组和进。