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在構(gòu)建高效細(xì)胞工廠的過程中，代謝途徑的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。一般情況下，在微生物宿主中引入異源途徑是代謝工程和合成生物學(xué)的常用策略。這一策略可以擴(kuò)展微生物的代謝潛能，實(shí)現(xiàn)從無到有的產(chǎn)品合成，并能夠優(yōu)化代謝通量，提高產(chǎn)品得率，實(shí)現(xiàn)從有到優(yōu)的轉(zhuǎn)變。然而，現(xiàn)有的異源途徑設(shè)計(jì)方法聚焦于產(chǎn)品合成的可行性即定性地從無到有進(jìn)行途徑設(shè)計(jì)，而缺乏系統(tǒng)性的定量地從有到優(yōu)的異源途徑設(shè)計(jì)研究，限制了對(duì)大規(guī)模生化產(chǎn)品得率提升策略的研究。

近日，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所開發(fā)了定量異源途徑設(shè)計(jì)方法QHEPath。利用這一方法，該研究系統(tǒng)評(píng)估了5種常用工業(yè)微生物在4種底物下合成300種生化產(chǎn)品的12,000個(gè)生物合成場(chǎng)景。結(jié)果表明，超過70%產(chǎn)品途徑的理論得率有潛力通過引入合適的異源反應(yīng)得以提升。同時(shí)，研究總結(jié)了13種通用的途徑優(yōu)化策略。這些策略分為碳節(jié)約類和能量節(jié)約類。其中，5種策略對(duì)100多種產(chǎn)品的得率提升均有效。進(jìn)而，為了使生物學(xué)家能夠更便捷地應(yīng)用這一方法，該團(tuán)隊(duì)搭建了在線異源途徑設(shè)計(jì)平臺(tái)QHEPath（https://qhepath.biodesign.ac.cn/）。該平臺(tái)能夠定量計(jì)算并可視化35種微生物宿主中產(chǎn)品的高得率合成途徑，并預(yù)測(cè)了文獻(xiàn)中多種產(chǎn)品的途徑優(yōu)化策略。

相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Advanced Science上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動(dòng)專項(xiàng)等的支持。

論文鏈接

定量途徑設(shè)計(jì)工具QHEPath框架圖