基因回路可以在特定的時(shí)間和細(xì)胞密度下關(guān)閉或開啟基因表達(dá)，實(shí)現(xiàn)代謝流向在細(xì)胞生長的內(nèi)源代謝途徑和化學(xué)品生產(chǎn)的異源途徑之間的切換。切換控制主要集中在生長必需基因上，因?yàn)橥ㄟ^它們可以實(shí)現(xiàn)生物量形成和產(chǎn)品生物合成之間最直接的控制?；蚧芈烦丝梢杂糜诳刂泼傅暮铣伤俣?，還可以精細(xì)調(diào)節(jié)酶的降解速度。例如，葡萄糖-6-磷酸（G6P）是一個(gè)代謝流控制的重要節(jié)點(diǎn)，既可以通過磷酸果糖激酶-1（Pfk-1）進(jìn)入糖酵解途徑從而進(jìn)入內(nèi)源代謝，也可以通過合成途徑進(jìn)入異源代謝。通過基因回路控制?Pfk-1?的活性就可能將碳代謝流的流向從“生長模式”切換到“生產(chǎn)模式”。為實(shí)現(xiàn)這一目的，Brockman?和?Prather設(shè)計(jì)了一種蛋白質(zhì)降解回路，將?Pfk-1與?SsrA?降解標(biāo)簽融合，SsrA?標(biāo)簽?zāi)軌蚩刂七m配蛋白?SspB?的結(jié)合、ClpXP?蛋白酶招募和蛋白水解降解，從而實(shí)現(xiàn)?Pfk-1?降解速度的動態(tài)控制。將該回路用于大腸桿菌生產(chǎn)肌醇，與靜態(tài)控制相比，肌醇的積累量提高了?2?倍?；蚧芈吠ㄟ^控制必需基因的表達(dá)水平實(shí)現(xiàn)代謝途徑的動態(tài)調(diào)控，成為工業(yè)菌株代謝工程設(shè)計(jì)改造的有效手段：通過對內(nèi)源代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新布線，替代傳統(tǒng)靜態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的時(shí)間依賴性控制以及多個(gè)基因或途徑的平衡互作等，擁有廣泛的應(yīng)用前景。

代謝中間產(chǎn)物的過量積累可能引發(fā)副反應(yīng)，占據(jù)重要細(xì)胞資源（如磷酸鹽、輔因子），以及產(chǎn)生直接或間接的細(xì)胞毒性，對細(xì)胞生長或產(chǎn)物合成不利。基因回路可以借助對中間產(chǎn)物濃度響應(yīng)的生物傳感器，激活代謝途徑下游酶，阻遏代謝途徑上游酶，實(shí)現(xiàn)中間代謝物合成和利用速度適配，提高整個(gè)代謝途徑的合成效率。例如，莽草酸是芳香族氨基酸代謝途徑的中間體，莽草酸的積累會與芳香族氨基酸的代謝產(chǎn)生競爭?？梢酝ㄟ^響應(yīng)莽草酸的基因回路控制莽草酸代謝途徑關(guān)鍵酶——莽草酸激酶（AroK）實(shí)現(xiàn)代謝途徑各分支的平衡，實(shí)現(xiàn)碳代謝流在莽草酸積累與芳香族氨基酸代謝之間的平衡。Mahr?等通過篩選和組裝適當(dāng)?shù)纳飩鞲衅髟?，包括半乳糖響?yīng)啟動子和苯丙氨酸響應(yīng)啟動子，構(gòu)建了代謝產(chǎn)物響應(yīng)回路網(wǎng)絡(luò)。該回路的應(yīng)用使得工程菌株?E.?coli K-12 MG1655/pJC1-mtrsensor-type1?的苯丙氨酸產(chǎn)量與出發(fā)菌株?E.?coli K-12 MG1655?相比提高了?4.3?倍。除了直接響應(yīng)中間代謝物濃度以外，細(xì)胞生長狀態(tài)、輔因子失衡程度等都可以用于構(gòu)建生物傳感器。

生物合成速度的最大化取決于單位菌體生產(chǎn)能力和菌體總量。通常情況下，生長和生產(chǎn)競爭使用同樣的細(xì)胞資源，需要進(jìn)行合理的安排和均衡，才能實(shí)現(xiàn)生物合成速度整體的最大化。能夠?qū)?xì)胞密度進(jìn)行響應(yīng)的基因回路——群體感應(yīng)系統(tǒng)（quorum sensing，QS）為調(diào)控生長和生產(chǎn)的關(guān)系提供了新的手段。例如，科研人員借助特征性啟動子和不同強(qiáng)度核糖體結(jié)合位點(diǎn)，組裝源自?Pantoea stewartii?的部分量子感應(yīng)元件，實(shí)現(xiàn)了在特定時(shí)間和細(xì)胞密度下?pfk-1?等基因表達(dá)的開與關(guān)，工程菌株E.?coli L19S?的肌醇產(chǎn)量與靜態(tài)控制相比提高了?5.5?倍。借助QS回路控制aroK表達(dá)的工程菌株E. coli L19SA，其莽草酸的產(chǎn)量由?0提高到?105?mg/L。

代謝網(wǎng)絡(luò)模型及基于代謝網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算設(shè)計(jì)方法為代謝工程菌株改造提供了新的方法和策略。通過這些計(jì)算設(shè)計(jì)方法，人們可以選擇合適的外源基因構(gòu)建新途徑實(shí)現(xiàn)從無到有的新產(chǎn)品合成，也可以確定改造靶點(diǎn)優(yōu)化已有產(chǎn)品的得率，或者通過基因回路將細(xì)胞發(fā)酵培養(yǎng)過程中的狀態(tài)環(huán)境變化與特定基因的表達(dá)相關(guān)聯(lián)，使細(xì)胞適應(yīng)不同的目標(biāo)而始終保持最優(yōu)狀態(tài)，最大化目標(biāo)產(chǎn)物的生成。隨著人們對細(xì)胞機(jī)理和相關(guān)調(diào)控機(jī)制的了解不斷深入，有可能建立全細(xì)胞模型對細(xì)胞內(nèi)代謝物、蛋白和基因表達(dá)水平的變化進(jìn)行精確描述和準(zhǔn)確預(yù)測，實(shí)現(xiàn)完全模型指導(dǎo)下的代謝工程策略設(shè)計(jì)。（作者：馬紅武，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所；陳修來，江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；袁倩倩，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所；劉立明，江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室；孫際賓，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所。《中國科學(xué)院院刊》供稿）

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