天然產(chǎn)物及其衍生物是藥物、農(nóng)藥、香料、食品配料等領(lǐng)域重要的產(chǎn)品及原料，獲取這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜分子的工業(yè)技術(shù)包括自然資源提取、化學(xué)方式合成、生物催化制備，以及上述方式的各類組合技術(shù)。隨著基因工具的出現(xiàn)，極大推動(dòng)了對(duì)天然產(chǎn)物生物合成工程的發(fā)展，加上遺傳方法、分析技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等一系列技術(shù)的迅速發(fā)展，生物合成工程已然成為天然產(chǎn)物生產(chǎn)的重要方式之一。而作為生物合成工程中最重要的生產(chǎn)者——酶，它的發(fā)展也非常值得我們關(guān)注。

            生物酶在天然產(chǎn)物工業(yè)工程上的應(yīng)用有兩個(gè)主要的目標(biāo):一是生產(chǎn)其他合成方法無(wú)法獲得的有價(jià)值的產(chǎn)品；二是通過(guò)提高過(guò)程生產(chǎn)率、效價(jià)和產(chǎn)量來(lái)降低成本。
     目前天然存在的野生型酶并不一定適合在我們目前的一些工業(yè)條件，諸如標(biāo)準(zhǔn)微生物宿主生物、特定酸堿度、高溫或高有機(jī)助溶劑等，這些極端的工業(yè)條件都會(huì)導(dǎo)致野生酶的活性降低甚至于喪失，從而令生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行；拋開(kāi)工業(yè)條件的影響，原料底物本身也會(huì)影響到野生酶的活性，不論是底物種類、輔因子再循環(huán)，還是高底物/產(chǎn)物濃度的耐受性等，都是我們?cè)诠I(yè)工程上更好地利用酶所必須要需要解決的問(wèn)題。因此為了解決上述一系列問(wèn)題，使野生酶在工業(yè)工程中能更好地發(fā)揮它們的作用，研究人員必須對(duì)它們進(jìn)行必要的改造，以減輕這些限制，達(dá)到工業(yè)可行性所需生產(chǎn)率的目的。
部分工程酶類的開(kāi)發(fā)情況（圖表譯自：Natural Product Reports期刊）             幾十年來(lái)，生物工程技術(shù)的進(jìn)步顯著地縮短了天然產(chǎn)物的開(kāi)發(fā)時(shí)間，比如通過(guò)經(jīng)典的非定向誘變和篩選，生產(chǎn)抗生素和其他天然產(chǎn)物的微生物菌株得到了發(fā)展。除了經(jīng)典的非定向誘變和篩選，現(xiàn)階段研究人員還可以操縱原生或重組宿主中的單個(gè)基因并進(jìn)行定向突變，從而發(fā)掘生物工程在工業(yè)上的的更多應(yīng)用，尤其是生物酶在該領(lǐng)域的應(yīng)用。
酶工程關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展
     （圖表譯自：Natural Product Reports期刊）
    21世紀(jì)中期，生化研究領(lǐng)域產(chǎn)生了諸多重大技術(shù)進(jìn)步，直接推動(dòng)了生物工程領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，顛覆了酶庫(kù)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、篩選、測(cè)序、分析和重組的方式。這些變化進(jìn)一步加快了定向進(jìn)化技術(shù)發(fā)展的步伐，特別是在酶的性能改善方面提供了多因素交叉研究等思路，使越來(lái)越多的酶類得以進(jìn)化，推動(dòng)工業(yè)工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。因此設(shè)計(jì)和構(gòu)建工程酶的文庫(kù)對(duì)于其應(yīng)用開(kāi)發(fā)是至關(guān)重要的，這不僅有助于發(fā)掘生物酶類的潛在應(yīng)用價(jià)值，還能夠?qū)⒃趹?yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題反饋回文庫(kù)，進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化，得到更好的解決方案。研究人員對(duì)于文庫(kù)創(chuàng)建的技術(shù)則是在生物酶定向進(jìn)化的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中得到的啟發(fā)。
生物酶定向進(jìn)化的工作流程
（圖源：Natural Product Reports期刊）
     從上圖中我們可以看出，生物酶定向進(jìn)化的工作流程一般遵循“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)”的循環(huán)原則。研究人員一般會(huì)先從文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)中鑒定潛在的起始基因，然后對(duì)該基因進(jìn)行表達(dá)并檢測(cè)分析所產(chǎn)生蛋白質(zhì)的活性，從中篩選出具有最高期望活性的蛋白質(zhì)，將對(duì)應(yīng)的基因作為構(gòu)建文庫(kù)的模板。當(dāng)文庫(kù)中存在相應(yīng)的模板后，研究人員就會(huì)采用各種策略進(jìn)行文庫(kù)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)，如繼續(xù)構(gòu)建、轉(zhuǎn)換、表達(dá)、分析和測(cè)序等相關(guān)操作，以此獲得更多的數(shù)據(jù)，然后再以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建序列結(jié)構(gòu)功能模型。序列結(jié)構(gòu)功能模型的建立為后續(xù)工作奠定了重要的基礎(chǔ)，因?yàn)檫@些模型可以通過(guò)大數(shù)據(jù)分析對(duì)突變的有益有害性、序列的合適與否進(jìn)行學(xué)習(xí)判斷，并對(duì)相應(yīng)的功能進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于其中有益的突變、合適的序列，該模型又會(huì)將其整合到隨后的文庫(kù)信息中。通過(guò)上述循環(huán)流程的不斷優(yōu)化，最終篩選出性能達(dá)到所追求最高期望目標(biāo)的序列突變體，那么該生物酶的進(jìn)化才算完成。
     生物酶定向進(jìn)化的工作流程看似一種流水線的生產(chǎn)方式，但實(shí)際上涵蓋了多種技術(shù)和學(xué)科的交叉與融合，比如基因誘變、重組、剪輯、高通量篩選分析、底盤細(xì)胞的適配等；當(dāng)研究人員成功設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一種新型工程酶，還需要對(duì)該酶的適用條件進(jìn)行研究，這就涉及到對(duì)溫度、酸堿度、底物種類等各方面的研究?jī)?nèi)容。
（圖源：網(wǎng)絡(luò)）          合成生物學(xué)作為當(dāng)下的前沿技術(shù)，綜合囊括了物理、化學(xué)、生物、工程學(xué)等多學(xué)科及技術(shù)領(lǐng)域。從生物酶定向進(jìn)化的循環(huán)原則可以看出，任何一項(xiàng)研究都是在踐行“實(shí)踐出真知”的理念，將文庫(kù)理論信息作為指導(dǎo)，同時(shí)完善并發(fā)展自身的技術(shù)水平，以此為支撐，才能做到酶的定向進(jìn)化，甚至可以以這一文庫(kù)的方式為原型，發(fā)掘其他如原料衍生物等方面的應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)      天然產(chǎn)物在不斷發(fā)展的生物經(jīng)濟(jì)中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)于生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)這一領(lǐng)域而言，發(fā)掘更多有益于環(huán)境可持續(xù)、性能增強(qiáng)且具有成本效益等“綠色功能”的分子。不僅如此，我們還需要在生產(chǎn)過(guò)程中堅(jiān)持開(kāi)發(fā)和應(yīng)用“綠色技術(shù)”，生物酶相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程也印證了這一理念?，F(xiàn)階段的DNA合成和測(cè)序技術(shù)、HTS分析方法、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面技術(shù)飛速發(fā)展中，推動(dòng)了酶工程平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，提供了更多對(duì)工程化生物酶具有前瞻性的大數(shù)據(jù)信息 ，增長(zhǎng)了生物技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)力。

本文內(nèi)容譯自Natural Product Reports期刊，原文請(qǐng)參考：Galanie Stephanie, Entwistle David, Lalonde James.《Engineering biosynthetic enzymes for industrial natural product synthesis》.[J].Natural product reports,2020.
封面圖源：https://www.sohu.com/a/136988803_405142