利用工程菌大量地生产稀有且有商业价值的化合物

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利用先进的发酵技术，工业生物技术创业公司Manus Bio（以下简称Manus公司）希望让香精香料和其他产品制造更加绿化和更加低廉，而且可能在这个发酵过程中生产出新的产品。

这家由美国麻省理工学院（MIT）创办的创业公司开发出一种低成本的方法对细菌进行改造，使得它们具有借用自植物的复杂代谢通路，从而能够生产一系列稀有且昂贵的成分。这些成分可用于制造无热量的饮料、香料、牙膏、洗涤剂、杀虫剂，甚至治疗试剂和其他产品。再者，当鉴定和提取这种代谢通路中的化合物时，对这些接受改造的细菌施加更多的控制可能导致发现新的化合物成分。

最近，Manus公司在细菌中重建一种天然的植物代谢过程而能够廉价地大量产生一种梦寐以求的甜叶菊植物化合物用于制造零卡路里甜味剂。这种化合物被称作甜叶菊甙M（Rebaudioside M），比如今的商业替代物甜很多。实际上，从甜叶菊植物中仅能够提取出0.01%的这种化合物，因此许多公司提取一种更加丰富的但是味道更苦的化合物。

在另一方面，Manus公司对细菌进行改造来模拟甜叶菊植物的这种代谢通路。当在该公司的发酵过程中使用时，它们产生纯度在95%以上的甜叶菊甙M。

MIT教授Gregory Stephanopoulos说，生产这种新的调味剂展示了Manus公司的细菌改造技术如何能够被用来更加低廉地制造更加纯化的香料和其他的产品。Stephanopoulos与前博士后研究员Ajikumar Parayil共同创办这家公司，并且一起发明了这项核心技术。Parayil如今是这家公司的首席执行官。平均而言，Manus公司的这一方法的成本大约是任何植物提取方法的十分之一，而且显著降低土地资源的使用。

Stephanopoulos说，“如果你从甜叶菊植物中获取这种原始的化合物，那么它具有金属味。但是如果你分离出这种代谢通路的化合物组分，发现单个组分，那么你最终获得最为感兴趣的产品。”

Manus公司的商业发酵过程涉及对细菌进行改造，使得它们具有植物代谢通路，将它们放置在大型发酵罐中，然后往这种发酵罐中添加廉价的糖。在发酵时，这些细菌产生大量的化合物成分。今年，Manus公司计划在商业化水平上扩大这种生产规模和销售这些产品给它的行业合作伙伴。

Manus公司生产管线的另一种产品是一种稀有的被称作圆柚酮（nootkatone）的化合物。圆柚酮是一种在葡萄柚中发现的关键组分，作为一种环境友好的驱虫剂加以使用。当前，利用传统方法生产1千克圆柚酮的成本是几千美元。但是，如果能够更加廉价地和更加大量地生产这种化合物，那么它可能作为一种环境友好的方法有助抵抗莱姆病、疟疾、寨卡病毒和其他的虫媒病原体。

不只是“草率地将基因拼凑在一起”

近年来，利用工程菌进行发酵产生某些化合物已变得比较常见。不过，Stephanopoulos说，Manus公司的这种方法的关键在对这种通路进行改造以至于它能够大量地产生这些具有商业价值的化合物。他说，“将基因拼凑在一起生产一种产品是不错的方法，但是这不会给你提供一种制造有经济价值的东西的平台。在生产几毫克的一种化合物和生产几克的一种化合物之间存在着非常大的跳跃，你需要做的事情就是让它具有商业价值。”

这种核心技术追溯到Stephanopoulos和Parayil在MIT开始开展的新研究。在2000年代中期，这两名研究员在细菌中对产生类异戊二烯（isoprenoid）的复杂代谢通路进行修饰。类异戊二烯是一类由6万多种分子组成的化合物，被用来制造很多产品，如治疗试剂。Stephanopoulos说，为了商业目的对这一通路进行调整之前已开展过，“但是我们特别关注产生的产品数量”。

2010年，Stephanopoulos、Parayil和其他的MIT研究员在Science期刊上发表了他们的第一篇论文。在这篇论文中，他们描述对细菌改造，使得它们具有一种由17个复杂的中间步骤组成的代谢通路，从而能够利用这些细菌大量地产生抗癌药物紫杉醇的至关重要的中间化合物。紫杉醇最初是从太平洋紫杉树皮中提取出来的。为了做到这一点，这些研究人员将酶和植物基因加入到这个通路中，从而有助催化这些中间步骤，消除了延缓这一通路的瓶颈。相比于传统的细菌改造方法，这种方法产生这些化合物的数量增加了1000倍。

Parayil说，这篇论文的一个主要特征是利用酶将这个线性通路划分为一个由独立的不同模块组成的网络，而且这些模块能够更加容易地接受控制和修饰，这一过程被称作为多元模块代谢工程（multivariate modular metabolic engineering, MMME）。他说，“从基本上而言，这个过程的核心思想就是对工程生物学进行简化。”

大约就在同时，来自香精香料行业的一家公司的一位代表当时通过产学合作计划（Industrial Liaison Program, ILP）正在访问MIT来了解当前的创新。在与Stephanopoulos和Parayil会面之后，这位代表说服她的公司为进一步开发这种技术提供资金支持。在2012年，这两名研究员在美国马萨诸塞州剑桥市成立Manus实验室来商业化这种技术。

Stephanopoulos指出通过ILP促进的这种初步的行业合作是Manus实验室取得成功的垫脚石。除了提供资金资助之外，这家未提及名字的公司针对产品生产和让其他的公司购买这种新技术提供新的见解。

Stephanopoulos说，“这是我们的竞争性优势之一。我们从第一天与这家公司合作开展研究中收获良多。”

最后，Parayil带着这一商业构想与MIT创新团队（Innovation Teams, i-Teams）、马丁信托MIT创业中心（Martin Trust Center for MIT Entrepreneurship）、ILP和15.366 (Energy Ventures)等公司进行接触，这有助他优化他的商业计划和联络客户等等。Parayil说，“这些独特的体验展示了如何将来自Manus实验室的技术推向市场。”

通向新发现之路

如今，Manus公司的技术已得到在包括Science和PNAS在内的学术期刊上发表的论文的验证。如今，这种技术将MMME、蛋白工程和多元组学分析（multivariate omics analysis）整合在一起。蛋白工程利用设计工具快速地和高效地对酶进行改造。多元组学分析是揭示代谢通路中的瓶颈的一套分析工具。

Parayil说，除了节省成本和土地资源使用之外，这一技术也代表着一种“能够有助发现新分子的”平台。比如，实际上，从植物中提取出的一种化合物代表着漫长的具有很多中间步骤的复杂代谢过程的最终产物。当前，还没有方法发现这个代谢过程产生的所有化合物。

然而，Manus公司能够监控整个代谢通路，鉴定、调整和潜在地提取出在任何一个步骤产生的之前未测试过的化合物。Stephanopoulos说，通过这样做，“你显著地增加可能具有非常重要性质的化学物（比如药物、香料和杀虫剂）的数量。”他补充道，不过，这仍有很长的路要走。

Stephanopoulos说，今年对Manus公司而言是“特别至关重要的”。这家公司当前正在商业化生产这种甜味剂和其他的产品。他说，“如果Manus公司在商业化水平上展现出生产化合物的能力，那么它将标志着该公司在生物技术、香精香料和调味剂制造领域上成为一名真正竞争者。”

原始出处：

Engineered bacteria produce rare and commercially useful compounds in large quantities

Parayil Kumaran Ajikumar, Wen-Hai Xiao, Keith E. J. Tyo et al. Isoprenoid Pathway Optimization for Taxol Precursor Overproduction in Escherichia coli. Science, 01 Oct 2010, 330(6000):70-74, doi:10.1126/science.1191652.