清華校友在細菌中成功利用生物合成途徑造出卡賓前體

　　美國工程院院士、美國勞倫斯伯克利國家實驗室生物科學首席科技官杰伊·D. 基斯林（Jay D. Keasling），被譽為“國際合成生物學產業化先驅”，他曾構建生產抗瘧藥物青蒿素的微生物，讓中藥提取青蒿素的傳統手段得到變革。截止目前，其已發表 SCI 論文 400 多篇。

　　前不久，他和團隊再次在 Nature 發文，由清華校友、目前在該課題組擔任博士后的黃靜擔任論文一作。

　　研究中，他們在細菌之中完成了如下工作：在宿主微生物代謝網絡中，完整嵌入了非天然卡賓轉移反應，借此展示了一個全新的生物合成研究思路。

　　隨著氣候變暖和環境污染的加劇，人們的環保意識和環保要求愈發增強，綠色可持續的生產方式也越來越受歡迎。

　　其中，生物制造——便是這種生產方式的典型代表。生物制造可以通過特定生物過程來獲取目標產品，并且在生產之中產生的污染物更少，能夠排放數量更少、甚至數量為負的二氧化碳。基于這些優勢，生物制造已被寄予厚望。

　　然而，相比傳統的化學合成手段，目前生物制造能生產的產品種類相對較少。其中一個重要原因在于：在傳統的化學合成中，可供選擇的化學反應種類遠遠高出生物系統，而這些化學反應是合成各種化學產品的基礎。

　　黃靜和所在團隊設想的是：能否把一些目前只存在于傳統化學合成中的反應，引入到生物系統之中？借此來豐富細胞之內的反應種類，再將非天然化學反應與天然酶促反應串聯起來，從而構建更多樣、更寬廣的代謝網絡，進而擴寬生物制造產品的范圍。

　　基于這一設想，課題組開展了一系列的研究。早期論文已于兩年之前發表在 Nature Chemistry 上。

　　在那項研究中，他們實現了一項重要目標：即在生命系統之中，將人工金屬酶及其催化的非天然反應，與天然代謝網絡結合在一起，借此制造出非天然的產品。

　　而在本次 Nature 論文里，黃靜等人將化學合成中的非天然卡賓轉移反應，完整地嵌合到細胞代謝網絡之中，為其潛在的大規模生物制造鋪平了道路。

　　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移反應。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發展，更多的非天然化學反應都將引入生命體系之中，從而在細胞之內與天然反應組成更大的代謝網絡。

　　對于已有的生物合成產品來說，研究人員可以設計更加高效的合成路線。對于非天然產品來說，則可以通過在細胞內設計全新的合成途徑來生產該類產品，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反應來發展新的技術，進而用于基礎生物學的科研領域。

　　日前，相關論文以《卡賓轉移化學與生物合成的完全整合》（Complete integration of carbene-transfer chemistry into biosynthesis）為題發在 Nature 上 。

　　黃靜是第一作者，加州大學伯克利分校和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的杰伊·D. 基斯林（Jay D. Keasling）、艾因德里拉·穆克帕迪亞（Aindrila Mukhopadhyay）、約翰·F. 哈特維格（John F. Hartwig）、道格拉斯·S. 克拉克（Douglas S. Clark）四位學者共同擔任通訊作者。

　　如前所述，在本次論文之前，黃靜等人已經在 Nature Chemistry 發過一篇相關論文。在那次研究里，他們把人工金屬酶及其催化的非天然反應引入到微生物中，將其與天然生物合成路徑進行結合，借此來生產非天然的產物。

　　但在當時需要額外添加化學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在大規模生物制造中的應用來說，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？如若成行，就能讓非天然反應中的所有組分（包括底物和催化反應的酶），都能通過微生物的代謝網絡，將其從簡單的培養基成分轉化而來，從而為更廣闊的應用奠定基礎。

　　而在本次工作中，黃靜和所在團隊成功將非天然卡賓轉移反應完整地嵌合到微生物代謝網絡之中。在此次研究的卡賓轉移反應之中，針對兩個底物以及催化它們進行非天然反應的酶來說，相關研究工作可被分為三個部分：

　　第一個部分，要實現生物合成卡賓前體底物。研究中，課題組從天然產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，找到負責合成這一化合物的基因簇，再把找到的基因簇異源表達在微生物宿主之中，以產出卡賓前體化合物，從而將其用于反應。其中，異源表達是最難的一個操作。微生物中的許多合成基因簇處于沉默狀態，因此只有找到合適的條件才能激活它們的表達，從而得到對應的產物。

　　第二個部分，通過改造酶來催化非天然的反應。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移反應的酶，這就需要對天然酶進行篩選和改造。盡管借助一些軟件和算法，可以輔助蛋白質的工程化改造，甚至能夠設計全新的蛋白質。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的定向進化手段：即在得到具備微弱催化活性的酶之后，根據酶的結構進行半理性的突變篩選，從而獲得更加優良的工程酶。

　　第三個部分，則要對第二個底物進行異源生物合成，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，從而實現既定的研究目標。

　　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進行反應。在一次討論會的展示環節，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，黃靜等人聯系對方實驗室的負責人，通過視頻會議進行交流。結果發現：黃靜這邊的側重點是使用這個分子作為底物來進行非天然反應，而對方的側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，雙方所在團隊決定開展合作。就這樣兩項研究相輔相成、齊頭并進，對方的論文也于近期發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、生物信息學、結構生物學、微生物遺傳學、蛋白質組學等不同學科和技術，單憑一個人很難同時精通這些。

　　在課題的推進中，每逢遇到超出自身專業知識之外的難題時，黃靜都能快速在實驗室內部找到相應的同事來幫忙。在他眼中，這也是優秀科研機構的優勢和吸引力。

　　盡管在世界名校做博士后，但他卻表示：“從大學本科至今我覺得自己的經歷非常普通。一路走來，身邊有太多優秀的同學或同事。印象里唯一拿得出手的，可能就是經過努力在本科畢業的時候，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，這一點其實也很普通。”

　　不過，他所研究的合成生物學，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垂青有準備的人。

　　本科時黃靜學習生物技術專業，博士期間主修表觀遺傳學，同時略微涉及到合成生物學。博后期間，主要從事合成生物學與合成化學。

　　他表示：“坦白說，我在本科期間儲備的些許化學知識，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，但由于我本科學校的強勢學科是化工方向。因此，相比其它學校的同專業本科生，我稍微多學了一些化學知識，再加上我的本科畢設也更加偏重化學，這讓我擁有了一定的化學知識儲備。”

　　這些化學知識看似沒有在讀博期間發揮作用，但由于他在博后期間的研究方向是合成生物學與合成化學，因此只有同時擁有生物和化學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知識積累恰好發揮作用。這也讓黃靜感慨稱：“先不管當下有沒有用，該學的時候還是要認真地學，說不定哪天就用上了。”

　　另據悉，不久之后他即將結束博后研究并回到國內。其表示：“在尋找教職這方面，我已經接觸了國內高校，目前在等進一步消息。”