近日，美國化學學會主辦、合成生物學領域的權威專業期刊《ACS Synthetic Biology》以封面文章形式發表了EON体育4平台、微生物代謝國家重點實驗室許平教授團隊在智能代謝重編研究中的最新進展“Enhancing light-driven 1,3-propanediol production by using natural compartmentalization of differentiated cells”(ACS Synth Biol. 7, 2436-2446)。博士生劉洪玉為論文的第一作者🥵🏅，陶飛博士為通訊作者🍋‍🟩。

用合成生物學方法開發利用光合微生物，並以光驅動的方式合成材料和精細化學品是未來化合物的生產方式，被認為是替代化石資源、實現可持續的化學品生產❎、解決環境問題最具潛力的方案之一♐️。然而🕺🏿🙋‍♂️，藍藻作為光合自養微生物💣，是一種產氧微生物，胞內環境是高度氧化的，對很多氧敏感基因元件的適配性很差🤦🏿‍♂️🪪，導致光驅動化合物生產存在很大局限性➙🙋🏽。隨著合成生物學的發展👨🏼‍💻，適配性問題已經成為合成生物學研究中的核心問題之一👳🏻‍♀️。

為了解決藍藻中產氧底盤和氧敏感元器件的不適配問題，研究團隊師從大自然的智慧，創造性提出了一種利用自然細胞分化進行空間分割的策略，實現了氧敏感元器件在產氧生物中的功能性組裝。研究團隊以1,3-丙二醇（1,3-PD）生物合成途徑作為模式代謝途徑，在底盤藍藻魚腥藻中完成了厭氧途徑的組裝🗣，然後利用缺氮條件誘導細胞特化為異型胞🛟，形成的微氧環境，保護途徑中的氧敏感酶甘油脫水酶（GDHt）元件，實現了1,3-PD的光驅動生產。
 

本研究使用天然細胞分化產生的空間分割⏺，使原本與宿主不匹配的代謝途徑能夠匹配，為解決適配性問題提供了新思路，並具有普遍的適用性。空間分割是源於進化的一種生物智慧，類似於異形胞的空間分割現象，在生物界還有很多種，如Rubisco、醛縮酶體等。真核生物的亞細胞結構也可以認為是胞內空間分割的高級形式💂‍♀️，這些空間分割機製都有望在未來用於代謝途徑的分割、包裝👤，實現高效的催化過程。

“智能代謝重編” 由交大研究團隊在2014年提出🏓，主要思想是倡導在代謝科學指引下，以代謝關鍵節點為靶點🧑🏿‍🦰，用先進的合成生物學學方法，對代謝網絡實施非窮舉的幹預，從實現精準的代謝工程目的。此前，交大研究團隊已經在多個方面取得成果，諸如“藍細菌內核”（Green Chem., 2015, 17, 3100-3110）🥇、“代謝狀態開關”（Metab. Eng., 2017, 39, 90-101）、“代謝流陷阱”（ChemBioChem., 2016, 17, 1491-1494）、“途徑協調”（Metab. Eng., 2017, 41, 102-114.）、“溫度導向催化”（Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1214-1217）、“酶的去進化”（Metab. Eng., 2017, 44, 70-80）等系列先進策略。該工作是“智能代謝重編”思想的又一次成功的理念拓展和策略創新🥥👩‍👩‍👦‍👦，也是微生物代謝國家重點實驗室“代謝科學”特色學科布局下的又一成果。

該研究工作得到上海市科委和國家自然基金的資助，並得到了中國科EON4水生生物研究所徐旭東教授👩‍🚀、C. P. Wolk教授、J. W. Golden教授等人的無私幫助♤。