合成生物學的影響力自21世紀以來迅速上升，它被喻為認識生命的鑰匙、改變未來的顛覆性技術，利用合成生物學技術生產目的產物，具有高效、經濟、環(huán)境友好等一系列優(yōu)點，因此，運用該手段針對各種化學品、新型非天然藥物、天然產物等的研發(fā)與應用正在如火如荼地展開。
 

1、天然產物的合成生物學

天然產物的合成生物學主要被劃分為三個領域。

第一，對已知藥物進行研究，這種目標藥物的化學成分及其生物合成途徑是已知的，主要目標是改進生產過程，并在比天然藥物更容易控制的宿主體內進行。

第二，對存在的未知化合物進行研究，這些化合物存在于細菌基因組，但尚未被發(fā)現(xiàn)，合成生物學的主要目標是喚醒隱秘代謝物的生物合成，促進它們的化學和功能表征，并最終利用已知的方法實現(xiàn)生產。

第三，對 “未知的未知”進行篩選，基于當前基因組的發(fā)現(xiàn)，這類屬于新化學類別的分子暫時還無法被發(fā)現(xiàn)。

 
2、微生物天然產物

微生物天然產物一直都是新型生物藥物創(chuàng)新的主要源泉，是目前開發(fā)臨床抗菌、抗腫瘤、免疫抑制劑等藥物的重要資源。隨著臨床耐藥菌的日益增多，新型病原菌和病毒的不斷出現(xiàn)，以及新骨架天然產物挖掘難度的逐漸增加，新型微生物藥物的開發(fā)正面臨著巨大挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的微生物藥物開發(fā)，是通過微生物經大規(guī)模發(fā)酵培養(yǎng)和分離提取完成的，但是許多能產生有價值的活性化合物的天然菌株存在難以培養(yǎng)、生長速率慢、產量低等缺點，限制了相關的工業(yè)化生產。

作為21世紀生命科學、醫(yī)藥學領域內催動創(chuàng)新突破和學科交叉融合的前沿學科，合成生物學的崛起為解決藥物研發(fā)困境提供了新的思路和方法。在充分認識微生物藥物合成途徑的前提下，基于合成生物學原理，可以通過設計和改造優(yōu)勢微生物菌株成為異源高產的底盤細胞，用于更多活性天然產物的生產，來突破天然藥物的生產瓶頸。

 
3、工程菌高密度發(fā)酵

提高工程菌的培養(yǎng)密度，提高產物的比生產率。

通過對生物合成天然產物的研究，尋找到天然產物合成中所需要的酶，通過設計特異性引物，來擴增獲得目的DNA全長片段，然后用相應的限制性內切酶對其進行酶切，再用DNA 連接酶將其插入運載體獲得重組DNA分子，最后將重組DNA分子導入受體細胞，并使受體細胞進行擴增。常用的受體細胞有大腸桿菌，枯草桿菌，土壤農桿菌，酵母菌和動植物細胞等。（如圖1）
                                 
這種運用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類、細胞株系，一般被稱為“工程菌”（如圖2）。工程菌生長繁殖需要保證其生長代謝所需的各種營養(yǎng)物質的濃度、限制阻礙生長代謝的有害物質的濃度、維持發(fā)酵溫度、pH值、溶氧量等參數(shù)的適宜范圍等。
 
           
為了提高工程菌的培養(yǎng)密度，提高產物的比生產率（單位體積單位時間內產物的產量），通常會采用高密度發(fā)酵技術（即微生物在液體培養(yǎng)中細胞群體密度超過常規(guī)培養(yǎng)10倍以上時的生長狀態(tài)的培養(yǎng)技術），這種技術不僅可以減少培養(yǎng)體積、強化下游分離提取，還可以縮短生產周期、減少設備投資，從而降低生產成本，提高市場競爭力。

高密度培養(yǎng)的途徑主要有透析培養(yǎng)、細胞循環(huán)培養(yǎng)、補料分批培養(yǎng)等。這種高密度培養(yǎng)技術和重組DNA技術的有機結合,使得原來無法大量獲得的天然蛋白質能夠規(guī)模化生產。

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