武汉大学刘天罡课题组在MetabolicEngineering上发表放线菌的天然产物合理生产方面的综述。放线菌相比于E.coli和S.cerevisiae模式菌株，除传统的代谢工程改造之外，在天然产物合成途径的重构方面仍然有一些限制。放线菌属能够产生多种抗生素，针对这些天然产物的合成途径的研究不胜枚举。然而对放线菌的基因组挖掘和异源表达通常难以做到合理地、系统地工程化改造以达到最大的生物合成效率通常是有困难的。随着代谢工程学科的新工具和新方法的出现，在模式生物中，比如E.coli和S.cerevisiae，很多类似于脂肪酸、生物燃料的化学产品，其产量可以精细地、自由地进行调控了。而刘天罡教授课题组的这篇综述则是讨论被认为是最有潜力产天然产物的放线菌作为细胞工厂产天然产物的方法和展望。
首先，文章讨论了放线菌属最为细胞工厂的优缺点。见下表：
随后，文章对放线菌中天然产物的产出目前的一些方法进行了概述。文章对传统的通过代谢工程提高放线菌的天然产物产量的几个途径进行了简要的介绍：
过表达正向调剂因子或者使抑制因子失活提高天然产物的产量。在放线菌中，整体的多向的从头涉及到初级代谢途径的和与基因簇相关的次级代谢途径都参与了天然产物合成。对这些相关的调剂因子进行调控可以提高天然产物的产量；
提高过表达合适的生物合成基因增加细胞内前体物质的供应或者减弱甚至消除竞争途径；
提高增加天然产物合成基因的拷贝数或者异源表达提高产量。
虽然上述的方法可以提高放线菌的天然产物产量，但是这也存在一些问题：通过blast预测的某些调控因子，通过代谢工程的调控，最终产量并没有得到提升。通常，这些代谢途径所涉及的一些基因、酶是非常复杂的，并不能完完全全地理解，存在的级联调节的情况更是模棱两可，要搞清楚这些代谢相关的调节因子的作用是极其困难的。另一个问题是天然产物的转录调节机制和代谢调控机制是否可以根据目标产物的合成途径而进行精细地自由地进行调控。最后一个问题是怎样合理地设计才能使天然产物高效表达。而为了解决这些问题，被称为“生物合成途径地合理重构”这一术语的被下面的几个部分提出来了。
文章对“生物合成途径地合理重构”提到了两点，第一点是体外重构指导体内合成途径的编辑，第二点是组学分析指导体内合成途径的重构。
体外重构指导体内合成途径的编辑
由于体内系统的复杂性、合成途径相关的编辑效率相对较低等原因，限制了测试生物合成自由发挥。因此，在体外针对酶学进行的一系列测试可以克服这一障碍。体外的系统可以提供足够空前的自由度对各种生物化学系统进行控制和修饰，这样对一些代谢回路有更深入的理解。这也不需要构建一系列的突变基因、测试限速步骤以及目标产物的生物合成潜力，只需要在体外进行酶催化分析即可。简而言之，通过以下四步：
将目标产物合成途径涉及的蛋白过表达并纯化。将整个代谢途径重构，然后将这些成分在体外进行系统性地分析；
根据体外分析结果构建工程菌株；
在蛋白水平和中间体水平分析工程菌的代谢状态；
最后纠正最优条件与观测数值之间的偏差。
文章对这种方法举了一个例子，大概的流程图如下：
组学分析指导体内合成途径的重构
由于测序技术的发展，组学分析得到了极大进展。文章从四个方面对组学分析进行了叙述：
模块优化在天然产物合成进程中，合成模块或者酶的催化活性低下可能导致中间产物的积累或者目标产物的产量降低。而一些非正常的代谢中间产物的积累和蛋白的转录和翻译水平的降低可以被组学分析检测，一旦检测到合成模块的表达低，可以利用各种各样的启动子进行优化表达。当然，也可以运用前面提到的体外分析进行指导研究。
合成途径的优化或删除通过对天然产物代谢途径进行组学分析，相关的转录、翻译、相应代谢中间产物的每个基因和蛋白、限速基因或蛋白都可以被检测到。在组学分析的基础之上可以进行基因的删除或者过表达、蛋白的优化、利用异源基因将限速步骤的相关基因进行代替。此外，酶的多种催化活性和对多种底物的耐受性会产生很多不期望得到的副产物和类似物，而通过代谢组学的分析，这些副产物和类似物的结构可以被证明和分析。然后根据代谢组学的结果对酶和一些组合（比如PKS）进行优化和再编辑。
基因回路的设计与运用微生物细胞系统是微妙的，随意地过表达或者抑制推测的正向调节或者抑制调节基因可能破坏有序序列的激活并抑制异常的代谢事件。但是大多数时候，我们需要对天然产物的合成途径进行精确和自由地调控。而正如我们所知道的，一些代谢酶并不只是次级代谢产物所必须的，一些初级代谢同样需要。在这种情况下，这些代谢开关对天然产物合成的效率起着至关重要的角色。在放线菌中，在组学特别是代谢组学的指导下，设计适当的遗传基因回路，利用各种各样的传感器系统，可以精确并自由地对天然产物的生物合成进行控制。
宿主改进根据组学分析宿主的前体供应，辅因子水平，氧化还原潜力和能量代谢特征，可以将天然产物的生物合成途径根据宿主和合成途径进行系统性地优化。值得注意的是天然产物的合成途径可以重复优化，这种重复优化改进天然产物代谢通路以其工业应用中实现更高的产率。
组学分析优化的流程图如下：
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