生物工程師的致富之路：微生物細胞工廠打造指南丨微生物“智”造

文章來自“科學大院”公眾號

作者： 李輝

開篇詞：

放線菌能產生抗生素，釀酒酵母能釀出美酒、藻類還能生產被譽為腦黃金的DHA……小小的微生物，能夠生產出各種各樣化合物，變成人類社會中的健康守護者（藥品）、能量之源（燃料）、情緒催化劑（酒精）……而如果有了生物工程師的介入，微生物可以變得更強，“變身”成“細胞工廠”，為人類謀求更大的福利，

先進的微生物細胞工廠，可以讓人類獲得更加廉價的化學品，而工程師的技術越先進，某種程度上代表國家在生物技術領域的競爭力越強。

那么，工程師是如何打造微生物細胞工廠呢？各個環節會使用到哪些新技術？現在真的已經有這樣的細胞工廠了嗎？大院er和生物工程師們推出了微生物“智”造專題，我們將為你講述這些“工廠”里的故事。

大陸科學院有一位“億元教授”，在國外完成學業后回國組建實驗室，他開發出一種比較先進的能夠產L-丙氨酸的“工廠”，技術轉讓后，企業迅速憑借他打造的“工廠”打敗諸多跨國大企業，將自己的市場占有率從18%提高到80%，也帶動形成一個全新的產業鏈。而隨著企業的上市，這位老師也順利跨入了“億元教授”俱樂部。同時，從生產者到消費者，很多人也因為這個工廠而受益（對此感興趣的小伙伴可以搜索第一條參考文獻~）。

上面說到的“工廠”是啥？

區別于我們一般認知中的工廠，這類“工廠”它其貌不揚，沒有大煙囪，也沒有機械化的流水線，“占地”僅僅在零點幾到幾百微米之間，但是它們的產品卻是千家萬戶生活中的必備之物，誰擁有了建造這些工廠的先進技術，誰就擁有了更強的造福社會的能力以及源源不斷的財源。

這里所說的“工廠”其實是微生物。微生物之所以能夠被當作“細胞工廠”，一是因為它們能夠產生各種各樣對人類有益的化學品，而這些化學品目前已被廣泛應用到了包括食品、藥品、農業及能源等眾多領域，二是因為存在一些可以被稱作生物工程師的人，這些人的工作就是去創造或強化微生物生產化學品的能力，正是他們的存在，才使得微生物對人類有益的特性能夠被無限放大，從而對人類社會產生實質性的影響，

微生物所產化學品的應用（從上到下依次為調味品、藥品、化妝品原料、能源丨圖片來源：海天、Veer圖庫）

既然微生物細胞工廠這么多金，那要靠它走上致富的道路需要經歷什么呢？以下的這六個階段是必經之路。

建造微生物細胞工廠，面對的第一個問題是用它產什么化合物？

單純從賺錢策略的角度來看，細胞工廠所產的化合物可以分為兩類，

一類是薄利多銷型化合物，又稱作大宗化學品，這類化學品的特點是結構簡單、價格低廉并且社會和市場對它們存在巨大的需求，比如能被用作燃料的乙醇和丁醇就是其中典型的例子。

另一類是“一單回本”型化合物，又稱作精細化學品，這類化學品結構復雜、價格昂貴，且一般沒有成熟的化學合成路線或合成成本太高，這類產品通常被應用于醫藥或者化妝品領域，來源于馬達加斯加長春花中的長春新堿就是一個典型的例子，長春新堿是一種潛在的抗癌化療藥物，從長春花中提取一盎司（28.3g）的量就需要一噸的長春花，花費將近100萬人民幣，

長春花及長春新堿（圖片來源：Veer圖庫、維基百科）

選好產品之后，接下來的第二個問題是把目標化合物放到哪種底盤微生物中去生產？其實挑底盤微生物這件事，優秀的工程師和優秀的教師的理念有相似之處，好的老師會對不同的學生因材施教，而好的工程師也懂得選擇合適的微生物去生產它所擅長生產的化合物，他們能夠憑借兩方面的經驗選出合適的底盤微生物。

一方面是對不同微生物先天優勢的了解，比如梭菌（Clostridium sp.）比較適合生產可以用作化工原料的丙酮和丁醇；棒桿菌屬（Corynebacterium sp.）的微生物比較適合生產氨基酸；不透明紅球菌（Rhodococcus opacus）和解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）適合生產脂類、脂肪酸和其衍生物；而放線菌（Actinomycetes）則適合生產抗生素和聚酮類化合物。

從上到下依次為梭菌、棒桿菌、解脂耶氏酵母、放線菌（圖片來源：Science Photo Library及Marizeth Groenewald et al., 2014）

另一面是對不同微生物安全性的了解，有些由微生物產生的化學品是會直接被人類食用或者使用的，比如日常生活中的調味品和會直接涂抹到肌膚表面的化妝品，如果要生產這類化合物，工程師一般則會選擇所謂的公認安全（GRAS：generally recognized as safe）的微生物作為底盤：釀酒酵母（S. cerevisiae）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、谷棒桿菌 (Corynebacterium glutamicum)、 乳酸菌（Lactic acid bacteria）和惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida KT2440）都是比較有名氣的GRAS微生物，

三種明星GRAS微生物（從上到下依次為釀酒酵母、芽孢桿菌、乳酸菌丨圖片來源：維基百科、American Biosystems、2018 Dr.Horst Neve）

底盤選好就可以設計針對目標化合物的生產線了，所謂生產線，就是生產原料經微生物代謝后轉化成目標化合物的途徑，這些代謝途徑的設計，根據難易程度的不同可以分成三個級別：

入門級設計的理念是沒有設計，在這種情況下所選的底盤中恰好就有能產目標化合物的代謝途徑，比如釀酒酵母本來就能將葡萄糖轉化成乙醇，用它產乙醇，在開始階段就不用費太多精力，

中級設計的理念是“移花接木”，其實也就是從其它物種中“抄答案”，借鑒得越多，對工程師的技術要求越高。

前兩年，首爾大學部的工程師們想用釀酒酵母去生產一種能吸收紫外線的化合物-類菌孢素氨基酸（MAA），釀酒酵母自己本身不能生產MAA，但藍細菌可以。于是她們利用基因編輯技術，把藍細菌中的四個基因人為的在釀酒酵母中表達，就和釀酒酵母中已有的代謝途徑一起搭建起了完整的MAA合成途徑，

而困難版的“移花接木”，往往需要更廣泛的借鑒，比如斯坦福的工程師們曾經在釀酒酵母中設計并搭建出了本來只存在罌粟中的阿片類藥物生產線，在搭建的過程中，她們總共向釀酒酵母中表達了多達20多個來源于植物、哺乳動物、細菌以及酵母菌本身的基因，

用7個物種來源的基因在釀酒酵母體內設計并搭建的阿片類藥物合成途徑（圖片來源：中科院植物所北京植物園、 Science Photo Library、維基百科、Stephanie Galanie et al.,2015）

高級的設計理念是“無中生有”，專業化的表述叫做“反向合成”，這個策略適合那些結構復雜，生物合成途徑不清楚的化合物，

其大致過程是將復雜化合物可能的前體通過枚舉的方式列出來，再將其前體的前體列出來，重復這個步驟，直到列出的化合物是一個足夠簡單的化合物，此時會得到很多條從簡單到復雜的合成途徑，接下來就是尋找最優途徑，找到后設計就算是完成了。

反向合成原理（圖片來源：Centre for Molecular and Biomolecular informatics）

微生物細胞工廠作為有生命的個體，由于需要承受來自工程師的厚望，一般工程師會希望它們能夠“皮實”一些，對環境中的抑制因子不要過于敏感，比如希望它們在高效生產目標化學品的同時，還能夠抵抗生產過程中濃度產物對微生物的毒性等影響。

為了讓微生物變得更皮實，工程師一般會采用兩種手段：

如果對目標化合物產生毒性的分子機制很了解，工程師一般會對底盤微生物進行針對性的改造。比如：如果微生物分泌到細胞外的化合物再次回到細胞內會對微生物有毒性時，工程師可以通過改造微生物，來堵死這種有毒化合物進入細胞的途徑；再比如目標產物在細胞內濃度過高也會抑制微生物的生長時，增強微生物的對該化合物的轉出能力就是一種很好的解決策略；

如果對化合物毒性產生的機制不甚了解，工程師往往會采取簡單粗暴的篩選加改造。

這種方法叫做實驗室適應性進化，就是把微生物放到含有毒性化合物的培養基中不斷的傳代，傳代過程中同時也逐漸增加毒性產物的濃度，最后在毒性化合物濃度最高的培養基中存活下來的微生物會被選擇出來，然后從基因組水平上去檢查它與之前有什么不同，找到能夠賦予抵抗毒性的關鍵突變，然后再對正常的微生物定向改造，即可獲得具有抗性的微生物，

不同條件下對微生物進行連續的馴化（圖片來源：Choi, K.R., et al., 2019）

評價一個微生物細胞工廠產化合物的過程是否有競爭力主要看三個參數，分別是：滴度（Titer），即目標產物的濃度；收率（Yield），即所得到每克目標化合物和所投入每克原料的比值；生產率（Productivity），即單位時間、體積或者單位細胞所生產目標產物量的比率，一般而言，這三個參數是越高越好，所以如果想要足夠高的效率和利潤，光有目標產物的代謝途徑是不夠的，還需要對“生產線”也就是代謝途徑進行優化，確保生產目標產品的生產線能在微生物中更高效的運行，

細胞內主要的代謝途徑（圖片來源：2003 International Union of Biochemistry and Molecular Biology）

對微生物有一些了解的人會知道，它們細胞內部的代謝途徑其實是由很多條代謝途徑組成的復雜代謝網路，只有對代謝網路的復雜性具有足夠的認識，改造起來才事半功倍，

目前，工程師可以方便的從基因組、轉錄組和代謝組等多種組學水平去理解細胞內的代謝網路。對細胞內代謝網路有了全貌性的了解之后，工程師就有底氣對內源的代謝途徑做修改了，修改這些內源的代謝途徑的指導原則主要是“開源節流”，即為增加目標化合物前體的供應并避免目標化合物轉化成其它化合物。

對于工程師而言，前五個階段如果都能順利完成，也不一定能拿到錢，還需要一個從實驗室走向生產的關鍵過程——微生物細胞工廠的放大。

微生物細胞工廠的放大過程（來源：Yoo-Sung Ko et al., 2020）

工程師構建好微生物細胞工廠后往往只會在實驗室對它進行性能測試，實驗室培養細胞工廠的規模往往在數百毫升到30升之間，測試性能達標后，還會在中試規模繼續進行驗證，中試規模培養微生物的反應器容積往往在30到3000升之間，但這樣的規模相對于實際需求還是太小。

更大規模的實驗一般會由企業來做，先經歷一個規模在3000到20000升的工藝驗證階段，仍然沒有問題后，就可以在20000到2000000升的運行規模中正式上崗，發光發熱了，

這六個階段都結束后，短期來看，開發工廠的工程師和企業可能會在大賺一筆，能夠填補由于前期研發“砸錢”消耗的元氣；長期來看，如果工程師和企業聯手能創造出更好、更有意義的的微生物細胞工廠，那么同樣的成本，產物供應量相應上升，最終消費者購買的價格則會有所降低，所以打造微生物細胞工廠，無論對生產者（工程師、企業）還是消費者（社會）都是具有重大意義的。不過就成本來看，目前要建這樣的“工廠”還是有很大的挑戰，新的技術是降低成本和縮短周期的關鍵，接下來的文章里會對一些先進生物技術進行深度解讀，

有些小伙伴看到生物工程師靠微生物細胞工廠走上致富之路，就也想效仿？

等等，你可千萬別急著入行，不妨再來看看你個人需要經歷些什么才能靠這種模式賺錢吧！

首先需要經歷系統、專業的訓練，至少獲得一個與生物學相關的博士學位，成為一個優秀的博士，對以上六個階段了然于胸的同時還得是某個細分領域的專家，在經過調研確定下來一個有市場前景自己也能做的來的化合物之后，你還得能組織起一個擁有在這六個階段都有所長的研究人員的團隊，之后你的團隊可能還需要幾年的時間去攻關從微生物細胞工廠構建到大規模應用所面臨的所有問題，整個過程中你還需要充足的資金作為物質基礎，這筆錢的數額大概會超過千萬美元，以上人力、物力及時間的成本是目前構建出一個在經濟上有競爭力，能滿足工業化生產需求的微生物細胞工廠所需成本的平均水平，

親愛的讀者朋友們，了解完生物工程師建造微生物細胞工廠的過程，你有什么的期待和擔心，不妨在評論區告訴我們吧！

參考文獻：

[1] 孫玉松，馮國梧，2017，《“億元教授”張學禮的背后》，科技日報

[2] Casini, A., et al., 2018. A Pressure Test to Make 10 Molecules in 90 Days: External Evaluation of Methods to Engineer Biology. J. Am. Chem. Soc. 140, 4302–4316.

[3] Choi, K.R., et al., 2019. Systems Metabolic Engineering Strategies: Integrating Systems and Synthetic Biology with Metabolic Engineering. Trends Biotechnol.

[4] Galanie, S., et al., 2015. Complete biosynthesis of opioids in yeast. Science (80-. ). 349, 1095 LP – 1100.

[5] Park, S.-H., et al., 2018. Metabolic Engineering of Saccharomyces cerevisiae for Production of Shinorine, a Sunscreen Material, from Xylose. ACS Synth. Biol.

[6] Ko, Y.-S., et al., 2020. Tools and strategies of systems metabolic engineering for the development of microbial cell factories for chemical production. Chem. Soc. Rev. 49, 4615–4636.

[7] Jens, Nielsen, Jay D, Engineering Cellular Metabolism. Cell, 2016.

策劃：李輝 呂雪峰

作者單位：大陸科學院青島生物能源與過程研究所 微生物制造工程中心

科學大院是中科院官方科普微平臺，由中科院科學傳播局主辦、大陸科普博覽團隊運營，致力于最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學發聲。