智能细胞改善了原料药生产

这项研究是新能源和工业技术开发组织(NEDO)项目的一部分，由神户大学研究小组Christopher Vavricka助理教授，访问教授Michihiro Araki，Tomohisa Hasunuma教授和Akihiko Kondo教授领导。与副教授Hiromichi Minami(石川县立大学生物资源与生物技术研究所)领导的研究团队密切合作也是该项目的核心。

合作研究团队正在参与NEDO研究和开发项目，主题是“利用植物和其他生物的智能细胞开发高功能生物材料的生产技术(智能细胞项目)”。智能细胞项目的目标是通过将编码改良途径的基因导入宿主微生物来实现高价值目标材料的大规模生产。该过程在很大程度上依赖于信息分析技术来重新设计可以增加产量和生产效率的代谢系统和途径。

选择生物碱生产作为优化的主要实例，因为生物碱是药物生产中的关键中间体，包括阿片类止痛药。最近，使用微生物已经实现了生物碱衍生的止痛药的生产，但是为了使这种商业上可行的生产产率必须提高。关键的生物碱中间体四氢罂粟碱(THP)先前使用两种酶的组合产生：芳族L-氨基酸脱羧酶(AAAD)和单胺氧化酶(MAO)。然而，松弛的特异性MAO已经成为有效THP产生的障碍。

为了改进这一过程，一项名为M-path的代谢设计程序进行了测试。该预测软件由神户大学Araki教授开发，用于鉴定可以绕过MAO的新型酶，以改善通向关键生物碱中间体THP的途径。M-路径分析导致在家蚕中发现了一种有前途的天然酶，称为3,4-二羟基苯乙醛合成酶(DHPAAS)，作为MAO的替代品。DHPAAS是新颖的，因为除了常规的脱羧活性外，它还具有胺氧化能力。该团队随后开发了基于结构的酶工程方法，以确定参与确定DHPAAS酶活性的关键氨基酸。这使他们能够创造出可以调节脱羧酶和胺氧化酶活性比例的人工DHPAAS酶，

当研究小组将新设计的代谢途径(包括工程酶)引入常规实验室细菌大肠杆菌时，他们能够精确控制关键中间体多巴胺(脱羧产生)和DHPAA(氧化产物)的比例。平衡多巴胺和DHPAA水平可以改善重新设计的“智能细胞”中生物碱的产生。为了进一步优化微生物生产系统，使用Shimadzu质量分析系统分析了100多种代谢物，使团队能够识别瓶颈反应和副产物形成副反应。通过将代谢物信息作为学习数据结合以推动新的DBTL循环，进一步改善了下游生物碱中间体的产生。

这些研究结果表明，结合先进的生物技术和计算机科学是快速发展可以生产许多不同种类有价值材料的细胞工厂的有效策略。此外，设计人工酶功能的能力有助于扩大可能的生产目标范围。展望未来，作者相信DBTL工作流程将能够更有效地生产各种有用的材料，包括药品，精细化学品，生物化学品和生物燃料。这种合成生物学工作流程有望为下一代智能电池行业做出重大贡献，用于生产复杂的药物和化学品以及新发现的材料。

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