微生物細(xì)胞工廠示意圖

微生物細(xì)胞工廠是指經(jīng)過(guò)基因組工程或代謝工程改造的微生物菌株，通常是細(xì)菌或酵母等單細(xì)胞生物。它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中經(jīng)過(guò)人工精確設(shè)計(jì)和改造，使其具備特定的功能或產(chǎn)生特定的產(chǎn)物。科學(xué)家們通過(guò)定制化設(shè)計(jì)微生物，使其成為高效的生產(chǎn)工具，應(yīng)用于藥物生產(chǎn)、化學(xué)品合成、能源生產(chǎn)、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域。

微生物細(xì)胞工廠示意圖

構(gòu)建微生物細(xì)胞工廠不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以降低生產(chǎn)成本，為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)革命性的變革。以下是微生物細(xì)胞工廠構(gòu)建的全流程：

1. 路線設(shè)計(jì)：根據(jù)期望獲得的功能或產(chǎn)物設(shè)計(jì)生產(chǎn)路線。

2. 底盤細(xì)胞選擇 ：確定需要改造的微生物，選擇一個(gè)性狀優(yōu)良的底盤細(xì)胞，也就是用于改造的宿主細(xì)胞。

3. 代謝途徑重建：通過(guò)設(shè)計(jì)、構(gòu)建、驗(yàn)證策略來(lái)設(shè)計(jì)代謝途徑。新興基因編輯、合成工具加速生產(chǎn)宿主中代謝途徑的構(gòu)建。

4. 耐受性增強(qiáng)：對(duì)初次得到的菌種進(jìn)行持續(xù)的篩選、優(yōu)化，通過(guò)理性或適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化 （Adaptive laboratory evolution ,ALE）來(lái)增強(qiáng)菌種的耐受性。

5. 代謝通量?jī)?yōu)化：運(yùn)用DNA測(cè)序、基因合成與組裝及基因編輯等技術(shù)加速代謝通量和代謝載量的優(yōu)化，使目標(biāo)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率最大化。

6. 發(fā)酵：發(fā)酵過(guò)程與菌種開(kāi)發(fā)同步進(jìn)行 提供數(shù)據(jù)反饋 。

7. 產(chǎn)品回收和純化：根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)選擇合適的純化路徑，并且優(yōu)化純化條件。

8. 放大：根據(jù)回收和純化的數(shù)據(jù)對(duì)代謝通量進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到商業(yè)化生產(chǎn)的放大。

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

微生物細(xì)胞工廠構(gòu)建過(guò)程中涉及多種常用的技術(shù)方法，主要包括基因合成、基因編輯、代謝工程和蛋白工程等技術(shù)：

基因合成

基因合成技術(shù)可用于構(gòu)建合成新的代謝通路、調(diào)控元件或功能模塊，為微生物的功能增強(qiáng)和新功能引入提供基礎(chǔ)。

基因編輯

利用CRISPR-Cas9、TALENs、ZFNs等基因組編輯工具，對(duì)微生物的基因組進(jìn)行精準(zhǔn)編輯，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基因的敲入、敲除或修飾。可用于改變目標(biāo)菌株的性狀、代謝途徑或生物學(xué)功能。

代謝工程

通過(guò)調(diào)控菌株的代謝途徑或代謝通路，可提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)量、改變代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)或選擇性合成特定代謝產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物的功能優(yōu)化和產(chǎn)物生產(chǎn)的調(diào)控。

蛋白工程

通過(guò)改變目標(biāo)蛋白的結(jié)構(gòu)或功能，以提高其活性、穩(wěn)定性或特異性，從而增強(qiáng)目標(biāo)產(chǎn)物的合成能力。這涉及到蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)、蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、蛋白進(jìn)化等技術(shù)。

高通量篩選

利用高通量的篩選方法，如微流控技術(shù)、高通量測(cè)序等，快速篩選和鑒定具有目標(biāo)性狀的菌株。

系統(tǒng)生物學(xué)分析

利用系統(tǒng)生物學(xué)的方法，對(duì)微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和分析，揭示微生物工程改造的規(guī)律和原理。

構(gòu)建微生物細(xì)胞工廠相關(guān)技術(shù)

這些技術(shù)方法相互結(jié)合，構(gòu)成了微生物細(xì)胞工廠構(gòu)建的核心技術(shù)體系，為微生物工程應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。同時(shí)，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，還會(huì)涌現(xiàn)出更多新技術(shù)和方法，為微生物細(xì)胞工廠提供更多的可能。

微生物細(xì)胞工廠在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的實(shí)際應(yīng)用，以下列舉了幾個(gè)典型的應(yīng)用領(lǐng)域：

藥物生產(chǎn)：微生物細(xì)胞工廠可被用來(lái)生產(chǎn)各種藥物，如抗生素、生物素等，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)藥物的高效合成，降低生產(chǎn)成本并提高產(chǎn)量和純度。

生物燃料生產(chǎn)：微生物細(xì)胞工廠可以將廉價(jià)的生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為高效的生物燃料，如生物柴油、生物乙醇等，有望解決傳統(tǒng)燃料資源的短缺和環(huán)境污染問(wèn)題。

化學(xué)品合成：微生物細(xì)胞工廠可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)化學(xué)品的高效生產(chǎn)，如有機(jī)酸、氨基酸、醇類等，具有潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。

食品工業(yè)：微生物細(xì)胞工廠可以合成具有特定功能和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的食品成分，如有機(jī)酸、醇類等，為食品工業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的途徑。

環(huán)境修復(fù)：微生物細(xì)胞工廠可以被用來(lái)處理污水、降解有機(jī)廢物等，有望解決環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問(wèn)題。

微生物細(xì)胞工廠在藥物生產(chǎn)、生物燃料生產(chǎn)、化學(xué)品合成、食品工業(yè)和環(huán)境修復(fù)等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有實(shí)際應(yīng)用，為解決人類面臨的各種挑戰(zhàn)提供了新的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

作為微生物細(xì)胞工廠構(gòu)建領(lǐng)域的重要合作伙伴，泓迅生物擁有獨(dú)特的“GPS”平臺(tái)，為您提供基因“讀-寫-編”一體化服務(wù)。我們的Syno?GS基因合成平臺(tái)具備強(qiáng)大的長(zhǎng)片段DNA組裝能力，可為您定制設(shè)計(jì)和合成復(fù)雜的代謝通路。優(yōu)秀的技術(shù)團(tuán)隊(duì)為您提供專業(yè)的代謝通路設(shè)計(jì)與合成服務(wù)，高質(zhì)量交付定制化的代謝通路與文庫(kù)，助力您在微生物細(xì)胞工廠構(gòu)建領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

我們已在大腸桿菌細(xì)胞和酵母細(xì)胞中建立基因編輯系統(tǒng)并擁有豐富成功經(jīng)驗(yàn)，為您提供高效率、低成本的菌種設(shè)計(jì)、構(gòu)建和改造解決方案，助力生物制造產(chǎn)業(yè)化落地。

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