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Synthetic biology and metabolic engineering.
文献信息
| DOI | 10.1021/sb300094q |
|---|---|
| PMID | 23656228 |
| 期刊 | ACS synthetic biology |
| 影响因子 | 3.9 |
| JCR 分区 | Q1 |
| 发表年份 | 2012 |
| 被引次数 | 72 |
| 关键词 | 代谢工程, 合成生物学, 代谢途径, 生物制造, 合成DNA |
| 文献类型 | Journal Article, Review |
| ISSN | 2161-5063 |
| 页码 | 514-25 |
| 期号 | 1(11) |
| 作者 | Gregory Stephanopoulos |
一句话小结
代谢工程自20年前兴起，旨在通过改造微生物的代谢途径来合成各种产品，而合成生物学则通过合成DNA和遗传电路支持基础生物研究。本文回顾了这两个领域的起源，提出了代谢工程的单元操作和合成生物学的电子电路两种范式，强调了它们在细胞工厂和生物研究中的不同关注点。
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代谢工程 · 合成生物学 · 代谢途径 · 生物制造 · 合成DNA
摘要
代谢工程作为一门学科，20年前开始兴起，专注于为微生物合成各种产品而有针对性地改造代谢途径。因此，它涉及到对天然及非天然产物合成途径的工程化（设计、构建和优化），这一过程得益于合成DNA的可用性，而合成DNA正是合成生物学的核心赋能技术。然而，这两个领域在途径工程方面的兴趣仅部分重叠。尽管生物砖、合成细胞、遗传电路以及非线性细胞动态的构建与途径工程一起吸引了合成生物学领域的研究者，但这些领域的总和并未构成一个具有明确知识基础和清晰应用领域的合成生物学的统一定义。本文回顾了这两个领域的起源，并为它们各自提出了两个不同的范式：代谢工程的单元操作和合成生物学的电子电路。在这个背景下，代谢工程关注的是为化学和药物产品的生物制造而工程化的细胞工厂，而合成生物学的主要关注点则是借助合成DNA和遗传电路促进的基础生物研究。
英文摘要
Metabolic engineering emerged 20 years ago as the discipline occupied with the directed modification of metabolic pathways for the microbial synthesis of various products. As such, it deals with the engineering (design, construction, and optimization) of native as well as non-natural routes of product synthesis, aided in this task by the availability of synthetic DNA, the core enabling technology of synthetic biology. The two fields, however, only partially overlap in their interest in pathway engineering. While fabrication of biobricks, synthetic cells, genetic circuits, and nonlinear cell dynamics, along with pathway engineering, have occupied researchers in the field of synthetic biology, the sum total of these areas does not constitute a coherent definition of synthetic biology with a distinct intellectual foundation and well-defined areas of application. This paper reviews the origins of the two fields and advances two distinct paradigms for each of them: that of unit operations for metabolic engineering and electronic circuits for synthetic biology. In this context, metabolic engineering is about engineering cell factories for the biological manufacturing of chemical and pharmaceutical products, whereas the main focus of synthetic biology is fundamental biological research facilitated by the use of synthetic DNA and genetic circuits.
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主要研究问题
- 合成生物学如何在代谢工程中应用合成DNA技术以优化代谢途径？
- 在合成生物学和代谢工程的交叉领域中，哪些新兴技术可能会推动这两个领域的发展？
- 代谢工程的单元操作范式如何与合成生物学的电子电路范式相互补充？
- 在合成生物学的研究中，如何评估合成基因电路的效率和稳定性？
- 代谢工程如何应对生物制造过程中可能出现的代谢瓶颈问题？
核心洞察
研究背景和目的： 代谢工程在过去20年中迅速发展，致力于通过定向修改代谢途径，实现微生物合成各种产品。随着合成生物学的兴起，代谢工程与合成生物学的交集逐渐显现，尤其是在代谢途径的工程化方面。然而，尽管两者有部分重叠，它们在研究重点和方法上仍存在显著差异。本文旨在回顾代谢工程与合成生物学的起源，阐明两者的不同范式，探讨它们在生物制造和基础生命研究中的应用。
主要方法和发现： 研究通过文献综述和比较分析的方法，深入探讨了代谢工程和合成生物学的定义及其核心概念。代谢工程侧重于利用合成DNA技术，设计、构建和优化原生及非自然的产品合成途径，着重于工程化细胞工厂以实现化学和药物产品的生物制造。而合成生物学则侧重于基础生物学研究，利用合成DNA和遗传电路来探索生物系统的复杂性。研究发现，代谢工程的范式可类比于单元操作，而合成生物学则可类比于电子电路。
核心结论： 代谢工程与合成生物学在目标和方法上存在根本差异。代谢工程的重点是生物制造过程的优化与实现，而合成生物学则更关注于通过合成工具推动基础生物学的探索与理解。这一差异使得两者在研究方法、应用领域及理论框架上各具特色，互为补充，但又不完全相同。
研究意义和影响： 本研究为理解代谢工程与合成生物学的关系提供了新的视角，对科研人员在选择研究路径时有重要指导意义。通过明确两者的不同范式，研究者可以更有效地在各自领域中开展工作，同时推动生物制造和基础生物学的发展。特别是在生物技术、医药开发及可持续生产等领域，清晰的理论框架将有助于加速技术转化和应用，推动创新进程。
引用本文的文献
- Microbial production of isoprenoids enabled by synthetic biology. - Cheryl M Immethun;Allison G Hoynes-O'Connor;Andrea Balassy;Tae Seok Moon - Frontiers in microbiology (2013)
- Semi-synthetic artemisinin: a model for the use of synthetic biology in pharmaceutical development. - Chris J Paddon;Jay D Keasling - Nature reviews. Microbiology (2014)
- Improving industrial yeast strains: exploiting natural and artificial diversity. - Jan Steensels;Tim Snoek;Esther Meersman;Martina Picca Nicolino;Karin Voordeckers;Kevin J Verstrepen - FEMS microbiology reviews (2014)
- Engineering synergy in biotechnology. - Jens Nielsen;Martin Fussenegger;Jay Keasling;Sang Yup Lee;James C Liao;Kristala Prather;Bernhard Palsson - Nature chemical biology (2014)
- Improving fatty acids production by engineering dynamic pathway regulation and metabolic control. - Peng Xu;Lingyun Li;Fuming Zhang;Gregory Stephanopoulos;Mattheos Koffas - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (2014)
- Cofactor engineering for enhancing the flux of metabolic pathways. - M Kalim Akhtar;Patrik R Jones - Frontiers in bioengineering and biotechnology (2014)
- 2-Keto acids based biosynthesis pathways for renewable fuels and chemicals. - Yohei Tashiro;Gabriel M Rodriguez;Shota Atsumi - Journal of industrial microbiology & biotechnology (2015)
- In vivo evolution of metabolic pathways: Assembling old parts to build novel and functional structures. - Alejandro Luque;Sarra C Sebai;Vincent Sauveplane;Odile Ramaen;Rudy Pandjaitan - Bioengineered (2014)
- When plants produce not enough or at all: metabolic engineering of flavonoids in microbial hosts. - Emmanouil A Trantas;Mattheos A G Koffas;Peng Xu;Filippos Ververidis - Frontiers in plant science (2015)
- Optimization of the heme biosynthesis pathway for the production of 5-aminolevulinic acid in Escherichia coli. - Junli Zhang;Zhen Kang;Jian Chen;Guocheng Du - Scientific reports (2015)
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