酶分子設(shè)計與工業(yè)生產(chǎn)的跨層次結(jié)合與技術(shù)互融現(xiàn)狀簡介

近年來，合成生物學(xué)的基礎(chǔ)理論研究及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，如基因組測序技術(shù)、計算機設(shè)計技術(shù)等以指數(shù)增長的速率發(fā)展。值得注意的是發(fā)達國家在合成生物學(xué)知識產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域十分活躍，連續(xù)申請了一系列覆蓋領(lǐng)域很寬的專利，阻止他人進入相關(guān)領(lǐng)域。而我國在合成生物學(xué)方面的研究還處于起步階段，待解決的核心問題體現(xiàn)在先進的實驗室前沿技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)對接能力相對滯后，技術(shù)融合過程緩慢。諾維信公司作為工業(yè)用酶巨頭，在?2014?年占據(jù)了?44%?的市場份額，是全球工業(yè)酶制劑和微生物制劑市場的絕對領(lǐng)導(dǎo)者；而美國杜邦公司和荷蘭?DSM?公司分別占有?20%?和?6%?的市場份額。全球各地區(qū)對工業(yè)酶的需求也呈現(xiàn)巨大差異，歐洲和北美地區(qū)需求量最大，共占據(jù)?80%?市場份額；而中國僅占?9.4%。隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，生物工業(yè)發(fā)展面臨重要發(fā)展機遇和投資前景。如何建立以合成生物學(xué)技術(shù)和生物-化學(xué)聯(lián)合技術(shù)為核心的低成本生物制造工藝路線，同時建立促進工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)體系，將研究機構(gòu)的研究成果與工業(yè)生物過程同時兼顧是亟待解決的核心問題。

隨著先進制造產(chǎn)業(yè)涵蓋領(lǐng)域與發(fā)展規(guī)模日益擴大，生物及交叉應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出顛覆性創(chuàng)新應(yīng)用，逐漸形成了產(chǎn)品多樣化、產(chǎn)出能力強、市場轉(zhuǎn)化活躍的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系。例如，β-?氨基酸具備多樣的特殊生物活性，被應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、農(nóng)牧業(yè)等多個產(chǎn)業(yè)。β-內(nèi)酰胺抗生素、重磅藥物紫杉醇（重磅抗癌藥物）、西格列汀（糖尿病藥物）及維生素?B5?等多種具有巨大市場銷售額的明星分子均需要?β-?氨基酸作為合成單元。長期以來，β-?氨基酸的合成一直依賴于過渡金屬催化的化學(xué)途徑，需要昂貴的催化劑、繁瑣的保護與去保護步驟以及苛刻的反應(yīng)條件。而不對稱氫胺化反應(yīng)具備極高的原子經(jīng)濟性，無須附加其他輔劑，是美國化學(xué)會提出的最具“綠色化學(xué)和綠色工業(yè)”特性的十大反應(yīng)之一。然而，無論是人工設(shè)計的化學(xué)催化劑或是天然存在的生物催化劑都不能直接催化該反應(yīng)。

中國科學(xué)院微生物研究所研究團隊通過?Rosetta Design?以及高通量?MD?模擬方法對天冬氨酸酶進行了分子重設(shè)計，成功獲得了一系列具有絕對位置選擇性與立體選擇性的人工?β-?氨基酸合成酶。該人工設(shè)計的反應(yīng)體系體現(xiàn)了高效率、高原子經(jīng)濟性等巨大優(yōu)勢，底物濃度達到?300?g/L，實現(xiàn)了?99%?的轉(zhuǎn)化率，99%?區(qū)域選擇性，以及?99%?立體選擇性，相關(guān)指標達到了工業(yè)化生產(chǎn)的標準。該項研究成果為人工智能技術(shù)在工業(yè)菌株設(shè)計方向的成功案例。除了在科學(xué)層面取得的重要進展，該團隊還積極推進科研成果的落地轉(zhuǎn)化，通過與企業(yè)的合作，該項技術(shù)已經(jīng)通過中試與全尺寸生產(chǎn)工藝驗證，在近期完成了千噸級的生產(chǎn)線建設(shè)。相關(guān)產(chǎn)品有望在紫杉醇、度魯特韋與馬拉維若等抗癌，以及艾滋病治療藥物的生產(chǎn)過程中大幅降低生產(chǎn)成本。

通過世界各國多個研究團隊的共同推動努力，催化元件設(shè)計已經(jīng)從簡單的模式化學(xué)反應(yīng)設(shè)計逐步向具有工業(yè)應(yīng)用前景的催化途徑設(shè)計發(fā)展。除了可用于單一催化反應(yīng)之外，通過將計算設(shè)計的酶整合入復(fù)雜途徑中，還可以創(chuàng)造出全新的代謝途徑，并生產(chǎn)出新型的化學(xué)分子。尤其是由計算推動的催化設(shè)計領(lǐng)域先導(dǎo)研究，可為合成生物學(xué)的發(fā)展提供自然界中本不存在的全新元件，進而極大擴展生命的可設(shè)計性，同時也為回答酶催化的本質(zhì)機理以及蛋白質(zhì)的基本折疊規(guī)律等重要基礎(chǔ)科學(xué)問題提供相應(yīng)的支持。（作者：崔穎璐 吳邊，中國科學(xué)院微生物研究所 微生物資源前期開發(fā)國家重點實驗室 生理與代謝工程重點實驗。《中國科學(xué)院院刊》供稿）