大宗化学品细胞工厂的构建与应用

于勇，朱欣娜，张学礼

（中国科学院天津工业生物技术研究所，天津 300308）

通过合成生物学技术构建微生物细胞工厂，能够将糖类等可再生的生物资源转化为多种大宗化学品，实现大宗化学品的绿色清洁生产，可以摆脱对石油资源的依赖，解决石化制造过程中的高耗能和高污染问题，对促进国民经济可持续发展至关重要［1］。本文对微生物细胞工厂构建技术、代谢调控机制及大宗化学品生物制造的典型案例进行了综述，并对细胞工厂的未来进行了展望。

1 微生物细胞工厂构建技术

1.1 基因组编辑技术

基因组编辑技术是细胞工厂代谢途径构建及优化的重要技术。通常的基因编辑技术有：Red同源重组技术［2-3］、锌指核酸酶技术（zinc-finger nuculeases，ZEN）［4］、转录激活因子效应物核酸酶技术（transcription activator-like effector nucleases，TALEN）［5］等。这些基因编辑技术在合成生物学的发展中具有“里程碑”式的意义，但存在耗时长、成本高及宿主局限性等缺陷，无法满足高效构建细胞工厂的需求。

CRⅠSPR/Cas （clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRⅠSPR-associated proteins）基因编辑技术具有操作简单、基因编辑效率高、成本低廉等优势，近年来得到了深入的开发，并广泛应用于生物及医药领域。在大宗化学品代谢途径构建和改造中，CRⅠSPR/Cas 基因编辑技术显示了广泛的适用范围，成功地应用于大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌、丙酮丁酸梭菌、链球菌、芽孢杆菌等原核微生物及酿酒酵母、曲霉等真核微生物细胞工厂的构建［6-7］。

首先，CRⅠSPR/Cas 技术可成功地应用于基因表达强度的调控。Heo 等［8］将该技术用于丁醇代谢途径的改造，通过高效编辑大肠杆菌柠檬酸合成酶基因（gltA）的启动子区域降低该基因的表达强度，将柠檬酸合成酶的活性调整为出发菌的55%，将丁醇的产量提高了1.3倍。……