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來源：生輝 2023-07-04 14:00
日前，相關(guān)論文以《卡賓轉(zhuǎn)移化學(xué)與生物合成的完全整合》（Complete integration of carbene-transfer chemistry into biosynthesis）為題發(fā)在
美國工程院院士、美國勞倫斯伯克利國家實驗室生物科學(xué)首席科技官杰伊·D. 基斯林（Jay D. Keasling），被譽為“國際合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)化先驅(qū)”，他曾構(gòu)建生產(chǎn)抗瘧藥物青蒿素的微生物，讓中藥提取青蒿素的傳統(tǒng)手段得到變革。截止目前，其已發(fā)表 SCI 論文 400 多篇。
▲圖 | 杰伊·D. 基斯林（Jay D. Keasling）（來源：課題組主頁）
前不久，他和團(tuán)隊再次在 Nature 發(fā)文，由清華校友、目前在該課題組擔(dān)任博士后的黃靜擔(dān)任論文一作。
研究中，他們在細(xì)菌之中完成了如下工作：在宿主微生物代謝網(wǎng)絡(luò)中，完整嵌入了非天然卡賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)，借此展示了一個全新的生物合成研究思路。
▲圖 | 黃靜（來源：黃靜）
隨著氣候變暖和環(huán)境污染的加劇，人們的環(huán)保意識和環(huán)保要求愈發(fā)增強，綠色可持續(xù)的生產(chǎn)方式也越來越受歡迎。
其中，生物制造——便是這種生產(chǎn)方式的典型代表。生物制造可以通過特定生物過程來獲取目標(biāo)產(chǎn)品，并且在生產(chǎn)之中產(chǎn)生的污染物更少，能夠排放數(shù)量更少、甚至數(shù)量為負(fù)的二氧化碳?；谶@些優(yōu)勢，生物制造已被寄予厚望。
然而，相比傳統(tǒng)的化學(xué)合成手段，目前生物制造能生產(chǎn)的產(chǎn)品種類相對較少。其中一個重要原因在于：在傳統(tǒng)的化學(xué)合成中，可供選擇的化學(xué)反應(yīng)種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出生物系統(tǒng)，而這些化學(xué)反應(yīng)是合成各種化學(xué)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。
黃靜和所在團(tuán)隊設(shè)想的是：能否把一些目前只存在于傳統(tǒng)化學(xué)合成中的反應(yīng)，引入到生物系統(tǒng)之中？借此來豐富細(xì)胞之內(nèi)的反應(yīng)種類，再將非天然化學(xué)反應(yīng)與天然酶促反應(yīng)串聯(lián)起來，從而構(gòu)建更多樣、更寬廣的代謝網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而擴寬生物制造產(chǎn)品的范圍。
基于這一設(shè)想，課題組開展了一系列的研究。早期論文已于兩年之前發(fā)表在 Nature Chemistry 上。
在那項研究中，他們實現(xiàn)了一項重要目標(biāo)：即在生命系統(tǒng)之中，將人工金屬酶及其催化的非天然反應(yīng)，與天然代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，借此制造出非天然的產(chǎn)品。
而在本次 Nature 論文里，黃靜等人將化學(xué)合成中的非天然卡賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)，完整地嵌合到細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)之中，為其潛在的大規(guī)模生物制造鋪平了道路。
（來源：Nature）
另外，他們還建立了一個微生物平臺，可用于引入更多的非天然卡賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)。不過，整體來看本次工作隸屬于一個全新的研究方向，目前處于剛剛起步階段，更多在于展示了一個提升生物制造能力的新思路。
但是隨著這一方向的持續(xù)發(fā)展，更多的非天然化學(xué)反應(yīng)都將引入生命體系之中，從而在細(xì)胞之內(nèi)與天然反應(yīng)組成更大的代謝網(wǎng)絡(luò)。
對于已有的生物合成產(chǎn)品來說，研究人員可以設(shè)計更加高效的合成路線。對于非天然產(chǎn)品來說，則可以通過在細(xì)胞內(nèi)設(shè)計全新的合成途徑來生產(chǎn)該類產(chǎn)品，從而提升綠色生物制造的能力。
另一方面，也可基于這些非天然化學(xué)反應(yīng)來發(fā)展新的技術(shù)，進(jìn)而用于基礎(chǔ)生物學(xué)的科研領(lǐng)域。
▲圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature）
如前所述，在本次論文之前，黃靜等人已經(jīng)在 Nature Chemistry 發(fā)過一篇相關(guān)論文。在那次研究里，他們把人工金屬酶及其催化的非天然反應(yīng)引入到微生物中，將其與天然生物合成路徑進(jìn)行結(jié)合，借此來生產(chǎn)非天然的產(chǎn)物。
但在當(dāng)時需要額外添加化學(xué)合成的人工金屬輔因子和卡賓前體化合物，對于人工金屬酶及其催化的非天然反應(yīng)在大規(guī)模生物制造中的應(yīng)用來說，這會帶來一定的限制。
那么，是否可以利用生物合成途徑來制造卡賓前體？同時通過改造天然的金屬酶來催化非天然反應(yīng)？如若成行，就能讓非天然反應(yīng)中的所有組分（包括底物和催化反應(yīng)的酶），都能通過微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)，將其從簡單的培養(yǎng)基成分轉(zhuǎn)化而來，從而為更廣闊的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
而在本次工作中，黃靜和所在團(tuán)隊成功將非天然卡賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)完整地嵌合到微生物代謝網(wǎng)絡(luò)之中。在此次研究的卡賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)之中，針對兩個底物以及催化它們進(jìn)行非天然反應(yīng)的酶來說，相關(guān)研究工作可被分為三個部分：
第一個部分，要實現(xiàn)生物合成卡賓前體底物。研究中，課題組從天然產(chǎn)物中找到可被作為卡賓前體的化合物，然后借助生物信息的方法，找到負(fù)責(zé)合成這一化合物的基因簇，再把找到的基因簇異源表達(dá)在微生物宿主之中，以產(chǎn)出卡賓前體化合物，從而將其用于反應(yīng)。其中，異源表達(dá)是最難的一個操作。微生物中的許多合成基因簇處于沉默狀態(tài)，因此只有找到合適的條件才能激活它們的表達(dá)，從而得到對應(yīng)的產(chǎn)物。
第二個部分，通過改造酶來催化非天然的反應(yīng)。目前，自然界并不存在可以高效、高選擇性地催化非天然卡賓轉(zhuǎn)移反應(yīng)的酶，這就需要對天然酶進(jìn)行篩選和改造。盡管借助一些軟件和算法，可以輔助蛋白質(zhì)的工程化改造，甚至能夠設(shè)計全新的蛋白質(zhì)。但是在酶的工程化改造中，依舊需要開展大量的實驗。在這項工作中，課題組依舊采取比較常規(guī)的定向進(jìn)化手段：即在得到具備微弱催化活性的酶之后，根據(jù)酶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行半理性的突變篩選，從而獲得更加優(yōu)良的工程酶。
第三個部分，則要對第二個底物進(jìn)行異源生物合成，并將其生物合成路徑、與底物一的生物合成路徑，以及與改造好的酶整合在一起，從而實現(xiàn)既定的研究目標(biāo)。
（來源：Nature）
黃靜表示，本次 Nature 論文涉及到一個很重要的天然分子。課題組需要利用它作為卡賓前體來與其它物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。在一次討論會的展示環(huán)節(jié)，一位參會者說他所在的實驗室恰好也在研究同一個天然分子。
于是，黃靜等人聯(lián)系對方實驗室的負(fù)責(zé)人，通過視頻會議進(jìn)行交流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：黃靜這邊的側(cè)重點是使用這個分子作為底物來進(jìn)行非天然反應(yīng)，而對方的側(cè)重點在于解析該分子的生物合成路徑以及表征合成路徑中的酶。
因此，雙方所在團(tuán)隊決定開展合作。就這樣兩項研究相輔相成、齊頭并進(jìn)，對方的論文也于近期發(fā)表在另一個很好的期刊上，黃靜也是那篇論文的共同作者之一。
而在黃靜的這篇 Nature 論文中，涉及到化學(xué)、生物信息學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、微生物遺傳學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等不同學(xué)科和技術(shù)，單憑一個人很難同時精通這些。
在課題的推進(jìn)中，每逢遇到超出自身專業(yè)知識之外的難題時，黃靜都能快速在實驗室內(nèi)部找到相應(yīng)的同事來幫忙。在他眼中，這也是優(yōu)秀科研機構(gòu)的優(yōu)勢和吸引力。
盡管在世界名校做博士后，但他卻表示：“從大學(xué)本科至今我覺得自己的經(jīng)歷非常普通。一路走來，身邊有太多優(yōu)秀的同學(xué)或同事。印象里唯一拿得出手的，可能就是經(jīng)過努力在本科畢業(yè)的時候，獲得了推免資格去清華讀博的機會。但是考慮到清華每年都有不少研究生入學(xué)，這一點其實也很普通。”
不過，他所研究的合成生物學(xué)，也在最近幾年成為一條熱門研究賽道，這也讓他格外感受到機會的確永遠(yuǎn)垂青有準(zhǔn)備的人。
本科時黃靜學(xué)習(xí)生物技術(shù)專業(yè)，博士期間主修表觀遺傳學(xué)，同時略微涉及到合成生物學(xué)。博后期間，主要從事合成生物學(xué)與合成化學(xué)。
他表示：“坦白說，我在本科期間儲備的些許化學(xué)知識，給我的博后研究帶來了很大幫助。雖然本科期間主修的是生物技術(shù)，但由于我本科學(xué)校的強勢學(xué)科是化工方向。因此，相比其它學(xué)校的同專業(yè)本科生，我稍微多學(xué)了一些化學(xué)知識，再加上我的本科畢設(shè)也更加偏重化學(xué)，這讓我擁有了一定的化學(xué)知識儲備?！?/section>
這些化學(xué)知識看似沒有在讀博期間發(fā)揮作用，但由于他在博后期間的研究方向是合成生物學(xué)與合成化學(xué)，因此只有同時擁有生物和化學(xué)的知識才更有利于課題的開展。
而這時，他在本科期間的化學(xué)知識積累恰好發(fā)揮作用。這也讓黃靜感慨稱：“先不管當(dāng)下有沒有用，該學(xué)的時候還是要認(rèn)真地學(xué)，說不定哪天就用上了。”
另據(jù)悉，不久之后他即將結(jié)束博后研究并回到國內(nèi)。其表示：“在尋找教職這方面，我已經(jīng)接觸了國內(nèi)高校，目前在等進(jìn)一步消息?！?/section>
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