TK生物基材料报道：2022年8月10日，合成生物学领域知名学者、韩国科学技术院（KAIST）化学与生物分子工程学特聘教授 Sang Yup Lee 在 Trends in Biotechnology 发表论文，报道上线了一张最新的 “生物基化学品交互式代谢全图”。
生物基化学品代谢全图概
这是一份包罗了微生物可参与合成的化学品的清单，其汇编了目前所有可用的生物和化学反应途径。Sang Yup Lee 领导团队长期进行该方向上的整理和发布，在此之前的 2019 年，其便曾在 Nature Catalysis 发布过一版生物基化学品生产的综合代谢图。
越来越多成功的代谢工程实例推动着生物基化学品生产成为现实，因此，拥有一个交互式图谱将是非常具有必要的。图谱的存在将有助于研究人员对目标分子的代谢途径进行可视化扫描和分析，以实现快速的原型设计，即初始的代谢工程路径。
生物基化学品代谢全图更新（来源：Trends in Biotechnology）
这次所更新的代谢图共包含有着 532 种化合物和 580 个反应，这其中生物反应和化学反应分别为 438 个和 142 个。相较于之前版本，此次更新在分子和生物反应在数量上有着明显的增加，特别是其新增了多种天然化合物，如萜类、大麻素、苯丙烷等等。
两个例子：大麻素和托烷生物碱
大麻素及其类似物已被广泛研究用于医疗应用。在最近的一项研究中，包括四氢大麻酚在内的主要大麻素是大麻（大麻）中的主要精神活性化合物，是在代谢工程酵母中产生的。为了构建工程酵母，从细菌（粪肠球菌、Cupriavidus necator、丙酮丁醇梭菌和密螺旋体）和大麻植物中引入了几个基因。大麻二酚酸是大麻素的前体，由橄榄酸和香叶基焦磷酸酯制成，甲羟戊酸途径的中间体。为了提供高通量的香叶基焦磷酸盐，甲羟戊酸途径是通过引入来自粪肠球菌的异源基因和过表达天然基因来设计的。
将编码用于生物合成己酰辅酶A的酶的几个细菌基因与用于生物合成橄榄酸的两个大麻基因一起引入酵母中。通过引入编码香叶基焦磷酸：橄榄香叶基香叶基转移酶和大麻素合酶的大麻基因实现了大麻二酚酸和大麻素的生产是新发现的。工程酵母首次从半乳糖中产生8.0 mg/l的四氢大麻酚酸和4.2 μg/l的大麻二酚酸，通过加热分别脱羧成四氢大麻酚和大麻二酚。
托烷生物碱是由茄属植物产生的一类植物化学物质，用于治疗神经肌肉疾病。最近，莨菪碱和东莨菪碱是由代谢工程酵母使用单糖和氨基酸生产的。酵母菌株被设计为具有合成托品和苯乳酸糖苷（托烷生物碱的前体）的功能模块，用于合成石蕊碱以获得托烷生物碱支架，以及通过修饰支架来合成药用生物碱。用苯乳酸葡糖苷、littorine 合酶 (A bLS) 来自植物Atropa belladonna。
然而，由于微生物宿主中亚细胞运输的困难， Ab LS 没有功能表达。Ab LS 在酵母中的功能表达是通过与可溶性结构域（例如荧光蛋白）融合来改造酶的N 末端来实现的。
此外，筛选了与颠茄中的托烷生物碱生物合成基因共表达的基因，以鉴定缺失的途径酶，莨菪碱脱氢酶，其催化还原转化莨菪碱醛为莨菪碱。最终的工程菌株结合了来自酵母、细菌、植物和动物的 20 多种蛋白质，跨越六个亚细胞区室，构建了第一个从头开始的莨菪碱和东莨菪碱生物合成途径。构建的菌株能够产生80μg/l的莨菪碱和30μg/l的东莨菪碱。
在交互式代谢图中进行检索
结束语和未来展望：
与依赖化石资源或植物提取的传统化学合成相比，通过生物、化学和组合方法进行的基于生物的化学品生产可以提供竞争优势。尽管多年来代谢工程在生产各种化学品方面已被证明是成功的，但仍有更多的化学品等待制定其生物基生产策略。我们的生物基化学品交互式代谢图可以帮助设计和优化目标化学品生物合成的代谢途径以及可用的化学转化策略。
生物基生产多样化化学品的一个主要瓶颈是我们对许多化学品的生物合成途径或化学转化策略的不完全理解。在未知生物合成途径的情况下，最近开发了计算途径设计工具来识别天然产物及其衍生物生物合成的途径和酶。然而，这些工具仍然需要繁琐的步骤来对预测的途径进行排序、选择特定的酶、优化酶的溶解度和活性等。
未来，人工智能（AI）辅助的通路设计将促进微生物细胞工厂的建立。随着生物大数据的普及，人工智能正被应用于各种生物和生物技术应用中。预计人工智能将有助于构建生物合成途径和从头设计用于预测途径的特定生物反应的酶 。将基于人工智能的设计策略与此处展示的交互式生物基化学品地图相结合，将有助于制定基于生物的可持续生产多样化化学品的战略。
