微生物代谢工程策略

简介

自从DNA重组技术的出现,基因工程的对象,尤其是微生物,已经成功从菌株的生产到重组蛋白和小分子化学物质。对于后者,除了简单的基因工程策略，通常他们还需要通过多个细胞内合成反应,由各种因素更加复杂包括辅因子平衡和调节回路。代谢细胞工程可以被定义为通过利用DNA重组和其他分子生物学技术有目的的修改细胞代谢。代谢工程认为代谢和细胞系统作为一个整体, 从简单的基因工程考虑到整个生物过程的效率因此允许操作整个系统。此外,代谢工程是有利在简单的基因工程或随机诱变,因为它允许定义工程细胞,从而避免不必要的细胞的变化，必要时,允许进一步的工程。在最近的报告众多代谢工程的成功例子,L-valine[4],苏氨酸[5],番茄红素的高效生产。抗疟药物前体[6],该类苄基异喹啉生物碱代表如何进行代谢工程，达到期望的目标。

像其他工业有用的化学物质,代谢工程的主要目标是药物。植物次生代谢物的药用价值,如青蒿素酸,紫杉醇前体和苄基异喹啉生物碱已经成功的通过代谢产生。

微生物代谢工程产生的药物和药物前体

一种新型酰胺化多聚乙酰天蓝色链霉菌

克拉维酸棒状链霉菌

达托霉素变铅青链霉菌

达托霉素衍生物玫瑰孢链霉菌

红霉素A 红色糖多孢菌

磷霉素变铅青链霉菌

羊毛硫氨酸抗生素枯草菌素枯草杆菌

番茄红素大肠杆菌

青蒿素大肠杆菌

青蒿酸酿酒酵母

伊佛霉素链霉菌

棘霉素大肠杆菌

人甲状旁腺激素大肠杆菌

利用微生物工程通过重组大肠杆菌生产人胰岛素被认为是简单的DNA重组技术的结果,但有更大生产价值的复杂蛋白质也可以产生于微生物的代谢和细胞工程(11、12)。用代谢工程开发结构和功能不同的抗生素代谢工程的应对出现的耐药病原体(13、14)。在本文中, 描述有关代谢工程策略用于药品生产的例子。另外,我们建议运用代谢工程发展新型药物和有效地生产。

工程微生物药物微生物药物的工厂

许多发现于微生物、植物和动物的化学物质和生物分子作为药物。这些只有微量药物合成,它获得合适的数量是困难的。这就是代谢工程发挥作用的地方。

我们理解代谢途径上的最新进展这些药物合成在一起，随着各种基因和分析工具的发展，使更系统和严格的微生物工程提高药品生产。代谢工程微生物生产药物有几个优点：全合成或从自然资源中提取。化学物质被用作药物通常具有复杂的结构，包括手性，用化学的方法合成是相当困难的。同时,从自然资源提取有医学价值的化合物效率会很低,并且可能会导致负面的影响，减少环境资源和污染环境。相反,药物可以在相对便宜的基板用微生物发酵产生，在一个受控的和一致的方式。微生物菌体比高等生物另一个明显的优势是更快速的增长。此外，微生物代谢工程可以比哺乳动物和植物细胞更容易执行,它允许修改产品的在结构上的代谢途径，生产结构更加多样化的具有有效的生物活性的类似物,如多酮类化合物非核糖体多肽。这些优势是微生物生产药物和药物前体关键。

通过代谢工程生物合成药物和药物前体

虽然生产的药物的最终形式可能会有很多种,在很多情况下实验和经济条件下也支持生物合成药物前体。如果有进行化学转化方法使微生物生产药物前体，得到其最终形式,药物前体的最终产品是有价值的。在这些例子中，代谢工程用酿酒酵母生产青蒿素酸,它是一种抗疟药青蒿素前体,可以在人体里经过两个步骤以化学反应的方式转换最终具有活性的物质。因此,用生物学方法高效的生产青蒿素前体是可能的。在某些情况下,药物前体可能也有其他工业或药用价值,证明其生产规模大。例如, L-valine （L·缬氨酸）是一种必需氨基酸,在食品行业具有重要的应用,包括日常食物添加剂和健康饮料、和动物饲料行业,也是一些抗生素的前体,莫能菌素, cervimycin C,valanimycin。

微生物代谢工程在药物前体的生物合成有较高影响是很好的说明，微生物系统最近的发展,允许生产各种苄基异喹啉生物碱。苄基异喹啉是植物次生代谢产物，有广泛的医药应用,比如止痛剂化合物, 抗菌药物和抗疟和抗癌药物。为此,(S)-reticuline（心果碱）,生物合成各种该类生物碱的关键中间体,微生物代谢工程和植物的基因第一次利用大肠杆菌生产。在新建的途径中的大肠杆菌，单胺

氧化酶(MAO)将多巴胺转变成34-DHPAA和norcoclaurine。

目标药物主机选择增长的需求，遗传工具的可利用性，符合目的药物产品的生理适用性，生理适用性和代谢信息野生型菌株计算分析细胞的全基因组分析，预测工程目标,设计合理的实验分析数据组学数据中提取信息，系统与高通量组学数据分析代谢工程扩增反应，删除不必要的通路和结构，生物合成途径的不同的表达，优化使用的密码子，优化基因表达，组合生物合成工程应变发酵下游流程媒体设计，副产

品删除，发酵条件，喂养策略，净化复苏工业规模化生产

微生物代谢工程药物生产的一般策略。要考虑的第一个问题是选择药物生产，然后,考虑各种因素包括药物的代谢特征和生产能力，选择合适的宿主菌株。突变的可培养性，基因工具的可用性，计算仿真和高通量组学分析促进代谢和细胞网络的系统分析,预测转录产物水平下代谢表型,蛋白质、代谢物和在不同的条件下通量，在此情况下，执行实际工程。通过建立新的路径执行代谢途径设计和优化，优化现有的途径,和监管回路工程。使用发达的菌株,发酵和下游加工执行生产这种药物，从发酵性能，净化过程和复苏观察的基础上进一步代谢工程可以执行。最终产物的在循环优化后用于工业生产药物。

合酶随后链接形成全去甲劳丹碱，然后，从日本黄连里提取的一系列酶被用于合成心果碱。6OMT把全去甲劳丹碱转变成(S)-30-hydroxycoclaurine，CNMT把(S)-30-hydroxycoclaurine转变成(S)-30-hydroxy-N- methylcoclaurine ，最后40OMT 把(S)-30-hydroxy-N-methylcoclaurine转变成(S)-reticuline。作为一个工作示例，由co-culturing工程大肠杆菌和美国酵母细胞使用(S)-reticuline作为药物前体，用两个苄基异喹啉生物碱，木兰花碱，(S)-scoulerine，合成用作抗菌剂的药剂。这些工程大肠杆菌首先种植在中含有多巴胺以生产(S)-reticuline，然后美国酵母表达外源基因然后添加到相同的媒介来完成生产。生产的不同的最终产品根据异源基因转化为酿酒酵母。木兰花碱被生产用于当酿酒酵母被用于接种紫菫块茎碱合成酶基因和CNMT。当BBE在酿酒酵母中表达时，(S)-scoulerine将代替它。结果是，使用工程大肠杆菌合成相同的前体提供适当的外源基因利用代谢工程酿酒酵母生产各种各样的药品分子。这是代谢工程做设计和生产药物前体的一个很好的例子，用其他方法很难做到。