分析确定了可持续化学生产的最佳微生物

对五种工业微生物的计算机分析确定了生产235种有价值化学品的最佳菌株和代谢工程策略

气候变化和化石燃料的枯竭增加了全球对可持续化学品生产的需求。为了应对这些环境挑战，微生物细胞工厂作为使用可再生资源生产化学品的环保平台越来越受到关注，而增强这些细胞工厂的代谢工程技术正成为最大限度提高生产效率的关键工具

然而，选择合适的微生物菌株和优化复杂代谢途径的困难仍然是实际工业应用的重大障碍

化学与生物分子工程系的Sang-Yup Lee教授的研究团队使用计算机模拟全面评估了各种工业微生物细胞工厂的生产能力，并根据这些发现确定了生产特定化学品的最合适微生物菌株以及最佳代谢工程策略

此前，研究人员试图通过广泛的生物实验和细致的验证过程，在众多微生物候选者中确定最佳菌株和有效的代谢工程策略。然而，这种方法需要大量的时间和成本

最近，基于整个基因组信息重建生物体内代谢网络的基因组尺度代谢模型（GEM）的引入，使得通过计算机模拟对代谢通量进行系统分析成为可能。这一发展提供了一种克服传统实验方法局限性的新方法，彻底改变了菌株选择和代谢途径设计

研究人员使用GEM计算了每种化学物质在工业条件下的最大理论产量和最大可实现产量，从而建立了确定每种目标化合物最合适菌株的标准

该团队特别提出了引入源自其他生物体的异源酶反应和交换微生物用于扩展代谢途径的辅因子等策略。这些策略被证明可以提高产量，超过微生物的固有代谢能力，从而提高工业上重要化学物质的产量，如甲羟戊酸、丙醇、脂肪酸和类异戊二烯

此外，通过应用计算方法在计算机上分析代谢通量，研究人员提出了改善微生物菌株的策略，以最大限度地提高各种化学物质的产量。他们定量地确定了特定酶反应和靶化学产物之间的关系，以及酶和代谢物之间的关系。通过这种方式，该团队不仅提出了实现高理论产量的策略，还提出了最大限度地提高实际生产能力的策略

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韩国科学技术院生物过程工程研究中心的第一作者Gi-Bae Kim博士解释说：“通过引入来自其他生物体的代谢途径并交换辅因子，可以设计出超越现有限制的新微生物细胞工厂。本研究中提出的策略将在使基于微生物的生产过程更经济高效方面发挥关键作用。”，如生物燃料、生物塑料和功能性食品材料。”

研究结果发表在《自然通讯》杂志上 More information: Gi Bae Kim et al, Comprehensive evaluation of the capacities of microbial cell factories, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58227-1 , www.nature.com/articles/s41467-025-58227-1