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　　乎友们，你们好。这篇文章主要介绍微生物代谢工程动态调控的一些背景知识，主要是通过看文献的总结以及一丢丢自己的理解，与大家分享，望多多批评指正。

　　相信大家对微生物代谢的调控应该不陌生，但是大家印象中微生物代谢的调控无非就是基因表达的up regulaAG九游会官方平台tion，down regulation,可能通过对基因本身做delete,copy,nucleotide substitution,也可能是对核糖体结合位点，启动子的强度等做改变，这些调控在这里我们认为是静态调控，那微生物代谢的动态调控是什么呢，它与静态调控有哪些区别呢？

　　微生物代谢的动态调控的灵感来源于微生物自身进化而来的天然调控系统，它可以像nativesensor一样允许生物体随着宿主自身或其环境条件的变化实时调节代谢通量，最终实现微生物体内的代谢平衡。

　　俗话说的好，时势造英雄。微生物代谢工程的动态调控的出现少不了天时地利与人和。这里的天时我们认为是微生物代谢的静态调控的不足，对微生物基因组的一些改变往往会导致其生长速度减慢，代谢失衡，生产延时。众所周知，人的基因组的大小是30亿个碱基对，而微生物就要小的多，其中模式菌株大肠杆菌的基因组的大小是470万个碱基对，远比人类小的多，且其自身修复能力差得多，所以对其基因组的改造难免会引起很多问题；地利我们可以认为是合成生物学的发展，既然我们希望微生物模拟天然的代谢调节系统，那麽就要构建类似于天然的sensor的元件，现在我们又把合成天然系统中不存在的东西成为合成生物学，早在2008年，Venter实验室就合成了第一个独立生存的最小基因组，58万Bp的生殖支原体基因组，而近些年来，合成生物学快速发展，已经越发超乎我们的想象，所以通过合成生物学来推动代谢工程的动态调控来合成更多我们想要的东西指日可待；人和即人类社会对于产品需要的日益增强，比如化石燃料，医药品，营养品等的微生物生产相对工业生产较清洁，且成本较低，所以人们将目光放在了代谢工程的动态调控上。

　　代谢工程最关注的三个点是：titer,productivity,yield.那是否微生物代谢的动态调控确实要优于静态调控呢？通过下面这张图片我们可以分析一下这个问题。

　　左图展示的是静态AG九游会官方平台调控在产品通量和产率上的情况，产品通量与生长速率是反比的关系，说明我们对菌株的改造影响了菌株的生长。而动态调控则是生长阶段全部的通量都用来生长，生产阶段全部的通量都用来生产，这样所得到的产率是静态调控的1.8x左右。现在我们已经通过科学的方法证明了动态调控在某些方面确实要优于静态调控，那怎样去实现一种化学品生产的动态调控呢？

　　动态控制在不同的发展阶段有不同的理解，最开始，科学家们认为动态控制首先要将生产阶段与生长阶段区分开来，即两步发酵过程，这就需要我们对发酵条件进行控制；后来通过不断地实验研究，我们希望菌株能在合适的时间开启产品生产过程，即基因通路控制两步发酵过程的产品生产的开关；产品生产阶段又是一个会受前体的量的多少，周围环境等的影响的阶段，所以我们希望菌株在产品生产阶段也能对体内的代谢环境作出应答，从而保持代谢流量的动态平衡。下面我们从这三个发展阶段一起来了解一下动态调控的发展。

　　对发酵条件的控制只要是通过控制发酵中的参数来转换生长与生产的状态。如通过控制氧气浓度使得菌株在有氧的条件下进行生长，在无氧的条件进行生产，通过控制PH也可控制生长于生产。但是我们知道并不是所有的产品通路都有一个过程参数可以控制，且这种策略在一些低价值的产品中并未研究都使得这种策略的应用范围狭窄。

　　所以既然第一种策略的应用范围比较窄，科学家们就想能不能通过在基因水平的改造产生一些基因开关的调控元件，根据菌株的特点整合不同类型或许可以扩大其应用范围。于是就有了一下类型的基因通路的开关：1.群体感应系统依赖的基因通路开关 2.温度或者诱导物作为开关的诱导剂调控基因的表达 3.设计反义RNA等。下面我们分别来看一下这几种类型的特点：

　　我们可以把一个动态调控系统分为三部分，sensor,interface,output..群体感应的开关的关键中间代谢物是AHL（高丝氨酸内酯）,sensor是转录因子LuxR，interface是受LuxR调控的启动子Plux，output是与生长相关的基因的表达。当菌体细胞浓度达到一定的值时，Plux激活，luxl基因表达产生AHL，AHL去激活Plux,从而使与生长相关的基因表达关闭。

　　温度作为诱导剂的基因通路的开关的控制的三部分分别为：1.sensor为温敏蛋白erface为Pl 3.output为与乳糖合成相关基因的表达。33度时，idhA的表达受抑制，乳糖生产受阻碍，代谢流大部分用于生物量的积累；42度时，温敏蛋白对Pl启动子的抑制解除，idhA大量表达进行乳酸的生产。

　　在IPTG存在的情况下，gltA表达受到tetR的抑制，即竞争途径受到抑制；而与异丙醇生产相关的基因表达生产异丙醇。第二种策略就介绍这几种类型，我们再一起看一下第三种策略的特点。

　　在产品生产阶段，持续的控制可以使微生物对于环境变化做出实时改变，因此可以使微生物对于每个发酵罐的变化以及工业发酵条件的环境的不均一性做出改变。

　　如在脂肪酸乙酯的生产过程中，通过转录因子fadR分别对两个前体物质乙醇和脂酰辅酶A的调控作用，以及对于将这两个前体物质转化为脂肪酸乙酯的蜡脂酶的调控作用，使得脂肪酸乙酯的产量大大增加。

　　但是，相信随着合成生物学以及系统生物学的发展，微生物代谢工程的动态调控将应用到越来越多的产品的工业生产当中。