《Nature》子刊报道高收率的无细胞生化合成方法

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《Nature》子刊报道高收率的无细胞生化合成方法
4 T( a9 n9 K3 a3 N: o1 D来源：X-MOL / 作者： / 2016-04-20' `" q1 x+ D! X9 X0 U
有着亿万年合成“经验”的大自然，可以说是合成化学家最好的老师，为解决各种各样的合成难题提供了不竭的灵感。不过，自然合成过程也有严格的限制，就算是通过基因工程手段改变代谢通路，让包括细菌、真菌在内的细胞成为生产目标分子的“生物工厂”，但维持细胞生存的关键代谢通路却容不得太多更改。另外，活细胞内的复杂环境导致了不可避免的副反应，产物分子的收率通常很低。
3 f, n; N( d. O) q6 g. T' L最近，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的生物化学家James U Bowie领导的团队设计出了一个巧妙的方法，既摆脱了活细胞的限制，又保留了生物合成体系的高效率。他们利用葡萄糖作为原料，使用合成生物化学（synthetic biochemistry）的技术，在无需细胞的条件下合成出了相当重要的合成砌块（乙酰辅酶A，acetyl  coenzyme  A ，acetyl-CoA），这可为生产塑料、生物燃料和新药铺筑了一条新的道路。该项研究成果发表在《Nature Chemical Biology》上。* W8 X9 F1 E2 ?& v
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本文作者（从左至右）Paul H Opgenorth、Tyler P Korman、James U Bowie。图片来源：UCLA
) X9 w% ~& Y1 V$ D“合成生物学（synthetic biology）的思路主要是重新设计细胞，使得它们通过一系列化学步骤将糖转化为目标分子，例如生物燃料、商用化学品或药物，”Bowie说。“不过，这是非常困难的，因为细胞会抵抗这个过程。它可能会用糖去做其他你不希望它做的事情，比如构建细胞壁、蛋白质和RNA分子等，细胞会总是与我们做斗争。”5 A0 e1 R, j3 [9 E- d9 ]
为了提高产物收率，Bowie的研究小组决定摆脱活细胞的限制，在体外环境中实现高效率的合成生物化学。“我们希望实现一组我们想要的特定化学转化，所以我们决定扔掉细胞，在烧瓶中建立这些生化步骤，”Bowie说，“这样就完全摆脱了那些让人崩溃的细胞。”  B# u" e( ~% {, B
细胞内维持生物合成中辅助因子（cofactor）的循环和平衡的体系非常复杂，如何在合成生物化学方法中代替这一体系是研究人员所面临的一大挑战。通过精巧的设计，研究人员组合了三种代谢途径（(pentose、bifido和glycolysis），形成了一个包括超过二十种酶的循环（见下图）。这些酶被置于一个烧瓶中，添加葡萄糖，最终以较高收率得到乙酰辅酶A，可以进一步生产塑料、生物燃料和新药。实验结果证明，他们在生产一种可生物降解塑料聚羟基丁酸酯（polyhydroxybutyrate，PHB）的过程中已经取得了约90％的产率。
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Bowie实验室创建的这些酶和反应途径，并不都存在于自然界中。“如果酶不够好（不够快或不够稳定），那么我们就可以重新设计它们，”而不用像以前那样还要考虑是否会影响细胞生存，该文作者之一Tyler Korman说。
% w3 |6 }( `' X; h这项研究表明科学家可以在细胞外生成复杂的复合酶系统，并足以生产生物燃料和商用化学品。该研究小组正在努力克服剩余的挑战，“我们必须使合成生物化学足够强大，以使其适用于大规模工业化生产，”Bowie说。" @0 i1 P2 h" \; r7 X( |, D
1. http://www.nature.com/nchembio/journal/vaop/ncurrent/full/nchembio.2062.html
/ L. k! Y; u, H: G) R- G2. http://newsroom.ucla.edu/releases/major-advance-in-synthetic-biochemistry-holds-promise-for-industrial-products-and-biofuels
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