清华校友在细菌中成功利用生物合成途径造出卡宾前体，极大扩宽生物制造品类范围
来源：生辉 2023-07-04 18:00
日前，相关论文以《卡宾转移化学与生物合成的完全整合》（Complete integration of carbene-transfer chemistry into biosynthesis）为题发在
美国工程院院士、美国劳伦斯伯克利国家实验室生物科学首席科技官杰伊·D. 基斯林（Jay D. Keasling），被誉为“国际合成生物学产业化先驱”，他曾构建生产抗疟药物青蒿素的微生物，让中药提取青蒿素的传统手段得到变革。截止目前，其已发表 SCI 论文 400 多篇。
▲图 | 杰伊·D. 基斯林（Jay D. Keasling）（来源：课题组主页）
前不久，他和团队再次在 Nature 发文，由清华校友、目前在该课题组担任博士后的黄静担任论文一作。
研究中，他们在细菌之中完成了如下工作：在宿主微生物代谢网络中，完整嵌入了非天然卡宾转移反应，借此展示了一个全新的生物合成研究思路。
▲图 | 黄静（来源：黄静）
随着气候变暖和环境污染的加剧，人们的环保意识和环保要求愈发增强，绿色可持续的生产方式也越来越受欢迎。
其中，生物制造——便是这种生产方式的典型代表。生物制造可以通过特定生物过程来获取目标产品，并且在生产之中产生的污染物更少，能够排放数量更少、甚至数量为负的二氧化碳。基于这些优势，生物制造已被寄予厚望。
然而，相比传统的化学合成手段，目前生物制造能生产的产品种类相对较少。其中一个重要原因在于：在传统的化学合成中，可供选择的化学反应种类远远高出生物系统，而这些化学反应是合成各种化学产品的基础。
黄静和所在团队设想的是：能否把一些目前只存在于传统化学合成中的反应，引入到生物系统之中？借此来丰富细胞之内的反应种类，再将非天然化学反应与天然酶促反应串联起来，从而构建更多样、更宽广的代谢网络，进而扩宽生物制造产品的范围。
基于这一设想，课题组开展了一系列的研究。早期论文已于两年之前发表在 Nature Chemistry 上。
在那项研究中，他们实现了一项重要目标：即在生命系统之中，将人工金属酶及其催化的非天然反应，与天然代谢网络结合在一起，借此制造出非天然的产品。
而在本次 Nature 论文里，黄静等人将化学合成中的非天然卡宾转移反应，完整地嵌合到细胞代谢网络之中，为其潜在的大规模生物制造铺平了道路。
（来源：Nature）
另外，他们还建立了一个微生物平台，可用于引入更多的非天然卡宾转移反应。不过，整体来看本次工作隶属于一个全新的研究方向，目前处于刚刚起步阶段，更多在于展示了一个提升生物制造能力的新思路。
但是随着这一方向的持续发展，更多的非天然化学反应都将引入生命体系之中，从而在细胞之内与天然反应组成更大的代谢网络。
对于已有的生物合成产品来说，研究人员可以设计更加高效的合成路线。对于非天然产品来说，则可以通过在细胞内设计全新的合成途径来生产该类产品，从而提升绿色生物制造的能力。
另一方面，也可基于这些非天然化学反应来发展新的技术，进而用于基础生物学的科研领域。
▲图 | 相关论文（来源：Nature）
如前所述，在本次论文之前，黄静等人已经在 Nature Chemistry 发过一篇相关论文。在那次研究里，他们把人工金属酶及其催化的非天然反应引入到微生物中，将其与天然生物合成路径进行结合，借此来生产非天然的产物。
但在当时需要额外添加化学合成的人工金属辅因子和卡宾前体化合物，对于人工金属酶及其催化的非天然反应在大规模生物制造中的应用来说，这会带来一定的限制。
那么，是否可以利用生物合成途径来制造卡宾前体？同时通过改造天然的金属酶来催化非天然反应？如若成行，就能让非天然反应中的所有组分（包括底物和催化反应的酶），都能通过微生物的代谢网络，将其从简单的培养基成分转化而来，从而为更广阔的应用奠定基础。
而在本次工作中，黄静和所在团队成功将非天然卡宾转移反应完整地嵌合到微生物代谢网络之中。在此次研究的卡宾转移反应之中，针对两个底物以及催化它们进行非天然反应的酶来说，相关研究工作可被分为三个部分：
第一个部分，要实现生物合成卡宾前体底物。研究中，课题组从天然产物中找到可被作为卡宾前体的化合物，然后借助生物信息的方法，找到负责合成这一化合物的基因簇，再把找到的基因簇异源表达在微生物宿主之中，以产出卡宾前体化合物，从而将其用于反应。其中，异源表达是最难的一个操作。微生物中的许多合成基因簇处于沉默状态，因此只有找到合适的条件才能激活它们的表达，从而得到对应的产物。
第二个部分，通过改造酶来催化非天然的反应。目前，自然界并不存在可以高效、高选择性地催化非天然卡宾转移反应的酶，这就需要对天然酶进行筛选和改造。尽管借助一些软件和算法，可以辅助蛋白质的工程化改造，甚至能够设计全新的蛋白质。但是在酶的工程化改造中，依旧需要开展大量的实验。在这项工作中，课题组依旧采取比较常规的定向进化手段：即在得到具备微弱催化活性的酶之后，根据酶的结构进行半理性的突变筛选，从而获得更加优良的工程酶。
第三个部分，则要对第二个底物进行异源生物合成，并将其生物合成路径、与底物一的生物合成路径，以及与改造好的酶整合在一起，从而实现既定的研究目标。
（来源：Nature）
黄静表示，本次 Nature 论文涉及到一个很重要的天然分子。课题组需要利用它作为卡宾前体来与其它物质进行反应。在一次讨论会的展示环节，一位参会者说他所在的实验室恰好也在研究同一个天然分子。
于是，黄静等人联系对方实验室的负责人，通过视频会议进行交流。结果发现：黄静这边的侧重点是使用这个分子作为底物来进行非天然反应，而对方的侧重点在于解析该分子的生物合成路径以及表征合成路径中的酶。
因此，双方所在团队决定开展合作。就这样两项研究相辅相成、齐头并进，对方的论文也于近期发表在另一个很好的期刊上，黄静也是那篇论文的共同作者之一。
而在黄静的这篇 Nature 论文中，涉及到化学、生物信息学、结构生物学、微生物遗传学、蛋白质组学等不同学科和技术，单凭一个人很难同时精通这些。
在课题的推进中，每逢遇到超出自身专业知识之外的难题时，黄静都能快速在实验室内部找到相应的同事来帮忙。在他眼中，这也是优秀科研机构的优势和吸引力。
尽管在世界名校做博士后，但他却表示：“从大学本科至今我觉得自己的经历非常普通。一路走来，身边有太多优秀的同学或同事。印象里唯一拿得出手的，可能就是经过努力在本科毕业的时候，获得了推免资格去清华读博的机会。但是考虑到清华每年都有不少研究生入学，这一点其实也很普通。”
不过，他所研究的合成生物学，也在最近几年成为一条热门研究赛道，这也让他格外感受到机会的确永远垂青有准备的人。
本科时黄静学习生物技术专业，博士期间主修表观遗传学，同时略微涉及到合成生物学。博后期间，主要从事合成生物学与合成化学。
他表示：“坦白说，我在本科期间储备的些许化学知识，给我的博后研究带来了很大帮助。虽然本科期间主修的是生物技术，但由于我本科学校的强势学科是化工方向。因此，相比其它学校的同专业本科生，我稍微多学了一些化学知识，再加上我的本科毕设也更加偏重化学，这让我拥有了一定的化学知识储备。”
这些化学知识看似没有在读博期间发挥作用，但由于他在博后期间的研究方向是合成生物学与合成化学，因此只有同时拥有生物和化学的知识才更有利于课题的开展。
而这时，他在本科期间的化学知识积累恰好发挥作用。这也让黄静感慨称：“先不管当下有没有用，该学的时候还是要认真地学，说不定哪天就用上了。”
另据悉，不久之后他即将结束博后研究并回到国内。其表示：“在寻找教职这方面，我已经接触了国内高校，目前在等进一步消息。”
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