让“辅因子”助力工业生物催化

 
 
让“辅因子”助力工业生物催化  
 

天津大学教授元英进（左）团队在开展研究。

编者按

作为生物体基本的结构和功能单位，细胞以各类化学反应展现生命活动的过程。过去上百年里，尽管科学家已经对细胞代谢、生命过程各种表征方法开展了深入研究，并让这些科学研究成果造福人类，但是，科学家感到，距离真正打开细胞“黑箱”，仍有很长的路要走。

2014年前后，国家自然科学基金委员会化学科学部设立重大项目“工业生物催化剂的代谢反应机制与相关构建的研究”和“单细胞多组分时空分析”。

5年来，科学家以创新为导向、以需求牵引，分别围绕微生物细胞“辅因子”代谢过程、单细胞中多种生物活性分子时空分辨的荧光分析新方法开展研究，并积极推进基础研究成果的产业化应用。

本期自然科学基金版将回顾上述两个重大项目的研究历程，展示其取得的成绩。

■本报记者 甘晓

作为一种厌氧原核生物，大肠杆菌具有由肽聚糖组成的细胞壁，只含有核糖体简单的细胞器，因导致腹泻被人熟知。这种大小只有微米级、结构简单的生物，却蕴含着不可想象的能量——只要把一些具有特殊功能的基因导入大肠杆菌中表达，通过物质代谢和辅因子代谢，就能合成出我们想要的化合物。

近20年来，这些不起眼的细菌扮演了工业生物催化中“细胞工厂”这一重要角色，为生物制造翻开了新的一页。

不久前，国家自然科学基金委员会（以下简称“自然科学基金委”）重大项目“工业生物催化剂的代谢反应机制与相关构建的研究”顺利结题。项目执行5年来，科学家着眼于与物质代谢同时进行的辅因子代谢过程，不仅推进了基于辅因子催化剂调控机制的科学认识，还实现了多项产业化应用。

“科技创新的选题要从产业中来。”回顾该重大项目的历程，项目首席科学家、南京工业大学原校长、中国工程院院士欧阳平凯告诉《中国科学报》。

瞄准“三低”掣肘

依靠大肠杆菌、酵母菌、丙酮丁醇梭杆菌等微生物自复制、自组装、自调控的智能化特点，一些相对廉价易得的原料可以接近理论转化率的水平，高效地合成出大量人们所需的产品。科学家们把它们称为“工业生物催化剂”。

进入21世纪，化工领域中常用化合物的生物制造线路均已被打通，这主要依赖物质合成基因的导入。但越来越多的科学家发现，删除或导入外源基因、转录因子等后，许多代谢途径的结果具有不确定性。如果仅靠物质代谢，高效率、高收率、高浓度的工业催化过程往往难以实现。

“糖酵解途径就是一个典型的例子。”欧阳平凯介绍说。糖的无氧氧化称为糖酵解，指的是葡萄糖或糖原在无氧或缺氧条件下，分解为乳酸的同时产生少量三磷酸腺苷（ATP）的过程。但目前无论是单独还是联合强化表达糖酵解关键酶的编码基因，糖酵解的产物浓度、转化率和速率始终无法提高。

科学家发现，一些被称为“辅因子”的物质，可能在其中发挥了重要作用。

“辅因子的作用不容忽视。”欧阳平凯强调。自2011年起，他带领南京工业大学研究团队，与北京化工大学和天津大学的研究人员一起探讨工业生物催化领域存在的科学问题。

多场讨论会中，科学家分析了工业生产中“转化率低、浓度低、反应速率慢”的“三低”现象。他们认为，在科学层面对“辅因子代谢”认知不足，掣肘当前工业生物催化发展。