亚商投顾熊舞：合成生物技术路线|亚商|微生物|熊舞|生物学|细胞膜|翻译|蛋白

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合成生物学的技术路径按其合成方式可以分为“基于细胞的合成生物学”和“无细胞合成生物学”，其本质区别在于是否具备细胞膜体系，前者基于完整细胞体系，后者为剔除细胞膜系统的开放体系。

1、基于细胞的合成生物学

基于细胞的合成生物学是在细胞内进行生物合成途径的组装，利用底盘细胞来合成目标产物。其核心在于微生物细胞工厂（MCFs）的构建，早期的 MCFs 主要通过天然微生物的筛选和诱变育种方式获得高产菌种，再通过传统发酵工程生产目标产品，基于的是非理性策略，效率较低。

随着分子生物学和基因工程的不断发展，人类对微生物系统的认知和改造能力提升，理性/半理性的代谢工程设计和构建策略目前已发展了从分子、途径到基因组层次不同的 MCFs设计和工程化构建策略，效率进一步提升，然而其还是更偏重“自上而下”的设计策略，相较狭义上合成生物学侧重的“自下而上”策略仍有发展空间，而实现全基因组水平定制化 MCFs（尚处于萌芽阶段）无疑是合成生物学的理想目标。

合成基因网络基于 DBTL 工程化设计原理实现目标产物的高效合成。对于合成代谢网络而言，在异源宿主中引入新的代谢途径，不仅需要最小化有毒中间产物的积累，还需最大化目标产物产量并尽量不影响宿主的表型。因此需对代谢网络中的多个基因进行编辑，使多基因的表达能够协调与平衡。目前，合成生物学通过引入“设计-构建-测试-学习(DBTL)”的工程化设计原理，通过多轮筛选，得到最优的生产菌株。（设计：利用生物信息学方法设计合成目标化合物的代谢途径；构建：在宿主中构建设计好的代谢途径；测试：通过分析检测手段评估所构建的代谢通路中的瓶颈环节；学习：针对瓶颈部分进行优化，有效提高目标化合物产量。）

2、无细胞合成生物学

跳脱细胞膜限制，系统设计自由度提升。无细胞合成生物学即无需活细胞，而是通过程序设计在体外实现基因转录和蛋白质翻译，从而设计出新的具有生物功能的产品或体系。此系统不涉及复杂的生物学激活作用，无需保持 DNA 的遗传能力，可将目的基因在体外快速转录翻译为目的蛋白。此外，无细胞系统可避免细胞生长过程中产物之间的竞争，从而实现最大化的生物合成效率。简而言之，无细胞系统可以更加自由设计、改进和控制生物系统，以实现合成效率最大化。

无细胞合成生物系统可分为基于细胞提取物体系，纯化体系及多酶体系三类。

1）基于细胞提取物体系来合成目标产物主要是利用微生物、动物或植物细胞的粗裂解提取物中蛋白质以合成所必需的催化成分，提取物中含有基因转录、蛋白质翻译和折叠、能量代谢相关的必需元件，在基于这些组分的基础上，给合成系统中添加细胞生长所需成分（核苷酸、氨基酸等），促成无细胞合成网络的顺利运转。

不同的无细胞系统提取物各有优劣，真核系统制备繁琐但具备翻译后修饰功能。理论上，任何生物体或细胞都可以提供提取物，但在研究的过程中需要考虑细胞模式化、获取来源的方便性、蛋白产率、蛋白复杂度、下游处理及成本等问题。目前，商业化的无细胞系统的提取物来源于大肠杆菌、小麦胚芽、兔网织红细胞和昆虫细胞等。其中，原核与真核无细胞系统相比，真核无细胞系统可以更容易实现蛋白质翻译后修饰，但其体系的制备，从细胞培养到最终提取物制备的整个流程比较繁琐。

2）纯化体系：无细胞系统也可通过细胞的纯化组分产生。纯化体系和粗提取物体系相比，后者的制备通常是通过直接裂解原核或真核细胞，不用纯化，因此成本比较低廉。而纯化系统的优点在于每个组分都是确定的，去除了粗提取物中可能对系统合成有害的物质，但缺点是成本过高，其表达、纯化和添加每个组分都大大增加了与“自上而下”系统相比所需的反应物成本和时间，且很难实现规模化。

3）多酶体系：与提取物系统相比，通过自下而上的方法将来自纯化组分的合成酶组织为合成路径，有时可促进自然界中并不发生的过程或反应。其核心是在体外重构多酶催化体系，通过模拟细胞代谢路径中酶催化级联体系，在体外环境下混合加入目标代谢路径所需要的酶，使底物按照代谢次序进行多步反应，最终得到目标产物。其优势在于可以实现比传统发酵更高的理论产量，目前发展的大方向是通过酶的粗提物在体外构建多酶催化体系，以减小成本实现产业化。