近日，美国化学学会主办、合成生物学领域的权威专业期刊《ACS Synthetic Biology》以封面文章形式发表了上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室许平教授团队在智能代谢重编研究中的最新进展“Enhancing light-driven 1,3-propanediol production by using natural compartmentalization of differentiated cells”(ACS Synth Biol. 7, 2436-2446)。博士生刘洪玉为论文的第一作者，陶飞博士为通讯作者。

用合成生物学方法开发利用光合微生物，并以光驱动的方式合成材料和精细化学品是未来化合物的生产方式，被认为是替代化石资源、实现可持续的化学品生产、解决环境问题最具潜力的方案之一。然而，蓝藻作为光合自养微生物，是一种产氧微生物，胞内环境是高度氧化的，对很多氧敏感基因元件的适配性很差，导致光驱动化合物生产存在很大局限性。随着合成生物学的发展，适配性问题已经成为合成生物学研究中的核心问题之一。

为了解决蓝藻中产氧底盘和氧敏感元器件的不适配问题，研究团队师从大自然的智慧，创造性提出了一种利用自然细胞分化进行空间分割的策略，实现了氧敏感元器件在产氧生物中的功能性组装。研究团队以1,3-丙二醇（1,3-PD）生物合成途径作为模式代谢途径，在底盘蓝藻鱼腥藻中完成了厌氧途径的组装，然后利用缺氮条件诱导细胞特化为异型胞，形成的微氧环境，保护途径中的氧敏感酶甘油脱水酶（GDHt）元件，实现了1,3-PD的光驱动生产。
 

本研究使用天然细胞分化产生的空间分割，使原本与宿主不匹配的代谢途径能够匹配，为解决适配性问题提供了新思路，并具有普遍的适用性。空间分割是源于进化的一种生物智慧，类似于异形胞的空间分割现象，在生物界还有很多种，如Rubisco、醛缩酶体等。真核生物的亚细胞结构也可以认为是胞内空间分割的高级形式，这些空间分割机制都有望在未来用于代谢途径的分割、包装，实现高效的催化过程。

“智能代谢重编” 由交大研究团队在2014年提出，主要思想是倡导在代谢科学指引下，以代谢关键节点为靶点，用先进的合成生物学学方法，对代谢网络实施非穷举的干预，从实现精准的代谢工程目的。此前，交大研究团队已经在多个方面取得成果，诸如“蓝细菌内核”（Green Chem., 2015, 17, 3100-3110）、“代谢状态开关”（Metab. Eng., 2017, 39, 90-101）、“代谢流陷阱”（ChemBioChem., 2016, 17, 1491-1494）、“途径协调”（Metab. Eng., 2017, 41, 102-114.）、“温度导向催化”（Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1214-1217）、“酶的去进化”（Metab. Eng., 2017, 44, 70-80）等系列先进策略。该工作是“智能代谢重编”思想的又一次成功的理念拓展和策略创新，也是微生物代谢国家重点实验室“代谢科学”特色学科布局下的又一成果。

该研究工作得到上海市科委和国家自然基金的资助，并得到了中国科学院水生生物研究所徐旭东教授、C. P. Wolk教授、J. W. Golden教授等人的无私帮助。