微生物细胞工厂构建作为一种颠覆性的技术，正在崭露头角，成为生命科学研究领域的焦点之一。通过对微生物基因组、代谢通路和生物功能进行精准的调控和优化，微生物细胞工厂不仅为我们提供了生物学上的新视角，也为解决人类面临的各种挑战带来了新的解决方案。

微生物细胞工厂示意图

01 微生物细胞工厂的基础概念

微生物细胞工厂是指经过基因组工程或代谢工程改造的微生物菌株，通常是细菌或酵母等单细胞生物。它们在实验室中经过人工精确设计和改造，使其具备特定的功能或产生特定的产物。科学家们通过定制化设计微生物，使其成为高效的生产工具，应用于药物生产、化学品合成、能源生产、环境修复等领域。

微生物细胞工厂示意图

02 微生物细胞工厂构建全流程

构建微生物细胞工厂不仅可以提高生产效率，还可以降低生产成本，为工业生产带来革命性的变革。以下是微生物细胞工厂构建的全流程：

1. 路线设计：根据期望获得的功能或产物设计生产路线。

2. 底盘细胞选择 ：确定需要改造的微生物，选择一个性状优良的底盘细胞，也就是用于改造的宿主细胞。

3. 代谢途径重建：通过设计、构建、验证策略来设计代谢途径。新兴基因编辑、合成工具加速生产宿主中代谢途径的构建。

4. 耐受性增强：对初次得到的菌种进行持续的筛选、优化，通过理性或适应性实验室进化 （Adaptive laboratory evolution ,ALE）来增强菌种的耐受性。

5. 代谢通量优化：运用DNA测序、基因合成与组装及基因编辑等技术加速代谢通量和代谢载量的优化，使目标产品的生产效率最大化。

6. 发酵：发酵过程与菌种开发同步进行 提供数据反馈 。

7. 产品回收和纯化：根据产品特点选择合适的纯化路径，并且优化纯化条件。

8. 放大：根据回收和纯化的数据对代谢通量进行反复优化，以实现从实验室规模到商业化生产的放大。

Systems Metabolic Engineering Strategies: Integrating Systems and Synthetic Biology with Metabolic Engineering

03 微生物细胞工厂构建的技术方法

微生物细胞工厂构建过程中涉及多种常用的技术方法，主要包括基因合成、基因编辑、代谢工程和蛋白工程等技术：

基因合成

基因合成技术可用于构建合成新的代谢通路、调控元件或功能模块，为微生物的功能增强和新功能引入提供基础。

基因编辑

利用CRISPR-Cas9、TALENs、ZFNs等基因组编辑工具，对微生物的基因组进行精准编辑，实现目标基因的敲入、敲除或修饰。可用于改变目标菌株的性状、代谢途径或生物学功能。

代谢工程

通过调控菌株的代谢途径或代谢通路，可提高目标产物的产量、改变代谢产物的结构或选择性合成特定代谢产物，从而实现对微生物的功能优化和产物生产的调控。

蛋白工程

通过改变目标蛋白的结构或功能，以提高其活性、稳定性或特异性，从而增强目标产物的合成能力。这涉及到蛋白质设计、蛋白结构预测、蛋白进化等技术。

高通量筛选

利用高通量的筛选方法，如微流控技术、高通量测序等，快速筛选和鉴定具有目标性状的菌株。

系统生物学分析

利用系统生物学的方法，对微生物的代谢网络和调控网络进行建模和分析，揭示微生物工程改造的规律和原理。

构建微生物细胞工厂相关技术

这些技术方法相互结合，构成了微生物细胞工厂构建的核心技术体系，为微生物工程应用领域的发展提供了重要的技术支持。同时，随着生物技术的不断发展和创新，还会涌现出更多新技术和方法，为微生物细胞工厂提供更多的可能。

04 微生物细胞工厂的应用领域

微生物细胞工厂在各个领域都有广泛的实际应用，以下列举了几个典型的应用领域：

药物生产：微生物细胞工厂可被用来生产各种药物，如抗生素、生物素等，实现对目标药物的高效合成，降低生产成本并提高产量和纯度。

生物燃料生产：微生物细胞工厂可以将廉价的生物质原料转化为高效的生物燃料，如生物柴油、生物乙醇等，有望解决传统燃料资源的短缺和环境污染问题。

化学品合成：微生物细胞工厂可以实现对目标化学品的高效生产，如有机酸、氨基酸、醇类等，具有潜在的工业应用前景。

食品工业：微生物细胞工厂可以合成具有特定功能和营养价值的食品成分，如有机酸、醇类等，为食品工业的创新和发展提供了新的途径。

环境修复：微生物细胞工厂可以被用来处理污水、降解有机废物等，有望解决环境污染和资源浪费等问题。

微生物细胞工厂在药物生产、生物燃料生产、化学品合成、食品工业和环境修复等各个应用领域都有实际应用，为解决人类面临的各种挑战提供了新的解决方案，具有广阔的应用前景和社会经济效益。

Synbio Technology

合成生物学赋能技术平台

作为微生物细胞工厂构建领域的重要合作伙伴，泓迅生物拥有独特的“GPS”平台，为您提供基因“读-写-编”一体化服务。我们的Syno®GS基因合成平台具备强大的长片段DNA组装能力，可为您定制设计和合成复杂的代谢通路。优秀的技术团队为您提供专业的代谢通路设计与合成服务，高质量交付定制化的代谢通路与文库，助力您在微生物细胞工厂构建领域取得突破性进展。

我们已在大肠杆菌细胞和酵母细胞中建立基因编辑系统并拥有丰富成功经验，为您提供高效率、低成本的菌种设计、构建和改造解决方案，助力生物制造产业化落地。

服务详情  

泓迅生物—案例分享

研究背景:结肠炎是一种常见且具有挑战性的胃肠道疾病。利用基因工程改变代谢途径，使大肠杆菌能够可持续地合成3-羟基丁酸（3-HB），成为治疗结肠炎的有效策略。

研究目的：野生型大肠杆菌益生菌Nissle1917缺乏自主合成3-HB的能力，因此需要在其代谢途径中进行精确的基因工程，以建立3-HB合成的新途径。

结果展示:在大肠杆菌中成功构建了3-羟基丁酸的合成途径，并获得了高表达的敲除菌株。

最终成功交付了满足客户要求的完美菌株。

References

[1] Choi KR, Jang WD, Yang D, Cho JS, Park D, Lee SY. Systems Metabolic Engineering Strategies: Integrating Systems and Synthetic Biology with Metabolic Engineering. Trends Biotechnol. 2019 Aug;37(8):817-837.

[2] Park, S.Y. et al. (2018) Metabolic engineering of microorganisms for the production of natural compounds. Adv. Biosyst. 2, 1700190.

[3] Rottinghaus AG, Amrofell MB, Moon TS. Biosensing in smart engineered probiotics. Biotechnol J. 2020;15:10.

[4] Hong KK, Nielsen J. Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae: a key cell factory platform for future biorefineries. Cell Mol Life Sci. 2012 Aug;69(16):2671-90.

[5] Tong, Y. et al. (2015) CRISPR-Cas9 based engineering of actinomycetal genomes. ACS Synth. Biol. 4, 1020–1029.

[6] Choi, K.R. et al. (2016) Systems metabolic engineering of Escherichia coli. EcoSal Plus 7, 1–56.