劉偉豐，陶勇

中國科學院微生物研究所，北京 100101

“蛋白質(zhì)預算”是指細胞為了維持正常的生理狀態(tài)對各種蛋白質(zhì)的“投入”，也即表達量上的分配。這既包括細胞表達的全部蛋白質(zhì)的總體水平，也包括不同蛋白質(zhì)表達量之間的相互比例。

正常細胞需要維持“蛋白質(zhì)預算”的平衡。通過對天然細胞蛋白質(zhì)組的二維電泳等分析可以看出，在特定生理條件下，無論是某種特定蛋白還是細胞的總蛋白，表達量都是處在一個相對恒定的水平。其中對維持生理狀態(tài)具有重要作用的蛋白質(zhì)往往具有更高的表達量。當細胞受到外界脅迫時，各種蛋白的表達量會迅速變化并建立新的平衡。部分蛋白表達量的增加會伴隨另一些蛋白表達量的減少。

在合成生物學中，功能模塊加載后往往會引起人工細胞發(fā)生一系列生理變化，造成模塊無法正常運行。一個重要原因就是在設計模塊時其中的部分酶、蛋白質(zhì)為了實現(xiàn)功能要求較高的表達量，從而使細胞的“蛋白質(zhì)預算”失衡。

1 蛋白質(zhì)與人工生命體系

天然生物體在長期的進化過程中，獲得了穩(wěn)定的生理遺傳狀態(tài)和極強的適應環(huán)境的能力。當周圍環(huán)境及自身生理情況發(fā)生變化時，天然生物體會迅速開啟應答機制，如對基因表達進行快速的開啟或關閉，從而有針對性地產(chǎn)生特定功能蛋白，并關閉不必要蛋白的表達。這種機制體現(xiàn)出了一種“最經(jīng)濟原則”，可以減少細胞不必要的生理負擔，是對自然界長期適應的結果。

在人們對生命現(xiàn)象有了深入的探索和認識后，創(chuàng)建自然界不存在的人工生命體系成為人們對自然改造的目標。在這一目標的驅(qū)動下，合成生物學已經(jīng)成為生命科學中最為活躍、發(fā)展最為迅速的研究領域之一[1-3]。2010年，美國科學家J.Craig Venter及其合作者研究將完全由人工設計、改造、組裝的一種蕈狀支原體Mycoplasma mycoides基因組轉(zhuǎn)入到另一種生物山羊支原體Mycoplasma capricolum的細胞中，最后獲得的合成細胞完全在人工基因組的控制下正常生長[4]。這標志著人工創(chuàng)建生命體獲得了巨大突破。然而合成生物學的最終目標是使人工生命體系比天然生物體具有明顯的優(yōu)越性，例如具有更強的目標產(chǎn)物的生產(chǎn)能力、轉(zhuǎn)化能力、環(huán)境適應與監(jiān)測能力等，從而使人類獲得更優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)方式。雖然以合成生物學手段設計、合成的人工元件、模塊可以賦予人工生命體系某種特定優(yōu)勢的生物學功能，但如何使人工生命體系在各種生理能力上達到乃至超過經(jīng)過長期自然進化形成的天然生物，仍然是亟待解決的科學問題。

蛋白質(zhì)是生物體執(zhí)行生理功能的核心分子。酶、信號分子、細胞通道以及各種水平的調(diào)控因子等絕大部分是由蛋白質(zhì)組成的。生物體之所以能夠有效地對各種環(huán)境變化進行精準的應答，根本上還是對細胞中各種功能蛋白質(zhì)的含量、定位、活性的控制。蛋白質(zhì)能夠在時間上和空間上進行準確地表達，有賴于轉(zhuǎn)錄、翻譯、折疊、修飾及細胞定位等多層次的精確調(diào)控。

蛋白質(zhì)同樣是合成生物學創(chuàng)建的人工生命體系的基礎。人工生命體系或稱人工細胞，是建立在一系列特定功能生物元件和生物模塊的基礎上的。相關功能元件、模塊包括了各種酶催化反應、調(diào)控通路。在這些反應和通路中，執(zhí)行具體功能的絕大多數(shù)是酶、調(diào)控蛋白等蛋白質(zhì)分子。因此，元件、模塊功能的實現(xiàn)仍然依賴于蛋白質(zhì)的精確表達。使元件、模塊中功能蛋白質(zhì)的表達能夠在時間上和空間上得到精確控制，不僅是合成生物學研究和核心內(nèi)容，而且對實現(xiàn)人工生命體系的優(yōu)越性具有重要意義。

2 合成生物學中的蛋白質(zhì)預算

生物元件、模塊中包括大量的異源基因表達，采用了各種非天然啟動子。因此生物元件和模塊本質(zhì)上仍然是建立在各種蛋白質(zhì)重組表達單元的基礎上。但與基因工程中蛋白質(zhì)重組表達系統(tǒng)相比，合成生物學中的蛋白質(zhì)重組表達的調(diào)控更為復雜，模塊中蛋白質(zhì)重組表達遵循著特殊的規(guī)律，并且需要采用不同的研究、優(yōu)化策略。

2.1 生物元件、模塊與蛋白質(zhì)重組表達系統(tǒng)的區(qū)別

合成生物學的研究方式是以工程學理論為依據(jù)，把生命系統(tǒng)作為工程系統(tǒng)來處理。與傳統(tǒng)生物學從“整體-細胞-分子”的自上而下“分解式”的研究方式不同，合成生物學按“元件 (Part)-模塊 (Module)-系統(tǒng) (System)”的“自下而上”的方式對生命系統(tǒng)進行設計。合成生物學將具有特定功能的調(diào)控、代謝途徑抽提、模塊化，設計標準化和具有通用性特征的基本生物元件，進而組裝成大的整合系統(tǒng)。

根據(jù)合成生物學的研究過程可以看出，生物元件是合成生物學的基石。合成生物學的首要工作就是對生物元件的挖掘、改造和標準化。生物元件按功能包括啟動子、質(zhì)粒骨架、調(diào)控序列、酶等功能蛋白基因編碼區(qū)等。這些元件本質(zhì)上都是蛋白質(zhì)重組表達系統(tǒng)的基本單元。

模塊是通過元件有序組裝獲得的具有特定功能的更高層次的單元，包括合成模塊、催化模塊、調(diào)控模塊等。模塊的功能最終也是通過對酶、調(diào)控蛋白等蛋白質(zhì)的有序表達實現(xiàn)。為了使模塊的功能實現(xiàn)最優(yōu)化，人們常常需要引入異源基因，例如在合成模塊中利用異源基因去獲得新的合成途徑。在滿足通量需求等前提下，這些基因的功能通常需要通過過量表達實現(xiàn)。

蛋白重組表達是合成生物學的重要環(huán)節(jié)，但元件、模塊中的蛋白質(zhì)表達同以蛋白質(zhì)獲得為目的的重組表達系統(tǒng)還是具有明顯的區(qū)別。蛋白質(zhì)重組表達系統(tǒng)以獲得高水平蛋白為目的。通過重組表達系統(tǒng)表達目的蛋白，既是科學研究中獲得蛋白質(zhì)的主要手段，也是實現(xiàn)功能性蛋白質(zhì)產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)的重要途徑。蛋白質(zhì)重組表達系統(tǒng)通常以目的蛋白表達水平最大化為目標，以適應科學研究及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得足夠功能蛋白的要求。重組蛋白在細胞總蛋白的比例往往很高，例如大腸桿菌重組表達系統(tǒng)中的外源蛋白可以超過總蛋白的50%[5]。

蛋白重組表達系統(tǒng)包括載體骨架、啟動子、終止子等基本組件。為了提高外源蛋白質(zhì)的表達水平，通常會強化這些組件的功能以有利于增加細胞中目標蛋白的表達滴度。例如在大腸桿菌表達系統(tǒng)中，商業(yè)化的載體質(zhì)粒絕大多數(shù)采用松弛型高拷貝復制起始位點ColE，高拷貝質(zhì)?？梢酝ㄟ^增加模板的相對數(shù)量提高目的蛋白的表達水平[6]。轉(zhuǎn)錄方面則通過采用T7等強啟動子來增加目標蛋白的模板mRNA水平。針對結構基因編碼區(qū)，通常是通過對外源蛋白編碼序列密碼子的優(yōu)化，將稀有密碼子替換為富有密碼子以提高翻譯效率[7]。

但在合成生物學中，雖然元件設計和模塊組裝仍然包括大量的重組蛋白表達單元，但其最終的功能并非以獲得較高蛋白表達水平為目標。合成生物學中的表達單元需要有精確的調(diào)控能力，其最終目標是實現(xiàn)一個或多個生物學功能，這需要保證底盤細胞中多個模塊間蛋白表達水平的平衡，而非重組蛋白本身的最大化。

2.2 蛋白質(zhì)預算 (Protein budget)是合成生物學的“成本標尺”

大量的研究表明，在合成生物學中模塊組裝時，采用強啟動子、高拷貝復制起始位點等蛋白質(zhì)重組表達常用的元件往往不能實現(xiàn)模塊功能的最優(yōu)狀態(tài)[8-9]。例如，我們在大腸桿菌底盤細胞中加載了類胡蘿卜素合成的功能模塊。我們研究了模塊中蛋白質(zhì)表達水平對最終產(chǎn)物的影響。結果表明，當功能模塊中多個酶通過強化蛋白表達的調(diào)控元件獲得較高可溶性表達水平時，類胡蘿卜素的合成水平反而明顯低于低水平表達相關酶的情況，后者是通過弱化表達的調(diào)控元件實現(xiàn)的。

因此，在合成生物學研究中，模塊間的不同蛋白質(zhì)重組表達水平需要處于相對平衡的狀態(tài)，才能使模塊功能以及模塊間或模塊與底盤細胞間的適配性達到最優(yōu)的狀態(tài)。這種情況可以類比于工廠中，一個整體生產(chǎn)計劃內(nèi)部需要對不同環(huán)節(jié)的投入進行總體預算。良好的預算可以最大限度地降低計劃的成本。當計劃中某一環(huán)節(jié)的預算過高時，就會影響計劃中其他環(huán)節(jié)的投入和實施，造成成本過高、工廠負擔過重。只有整體計劃中的各環(huán)節(jié)間實現(xiàn)預算的平衡，才有利于計劃的實施。“蛋白質(zhì)預算”則是細胞工廠發(fā)揮功能的“成本標尺”。在細胞表達各模塊的蛋白時，只有模塊中異源蛋白之間，以及模塊蛋白與底盤細胞自身蛋白之間的蛋白質(zhì)預算分配實現(xiàn)最優(yōu)時，合成生物學構建的人工生命體系 (人造細胞工廠)才能良好地運行。

合成生物學中的模塊的簡單與復雜常常取決于其功能的復雜程度。在合成模塊中，通常需要引入多個乃至十余個異源基因去獲得新的合成途徑，這些基因編碼的酶在原來的系統(tǒng)能夠滿足細胞的代謝需要，但為了滿足合成模塊的適配性及最大通量，這些基因必須過量表達。

酶的催化活性與其催化的反應及酶的來源緊密相關，比活的相差倍數(shù)可能達到百倍至百萬倍，為了保證代謝通量平衡并且最大化，有些代謝合成的酶可能需要表達至細胞總量的20%以上，如果合成途徑中存在兩個以上的限速酶，如何合理地預算這些蛋白質(zhì)表達，不影響其他合成模塊中基因的表達，以及人工合成細胞的正常生長和維持是蛋白質(zhì)預算的核心問題。

2.3 蛋白質(zhì)表達水平對模塊的影響機制

蛋白質(zhì)的表達水平會對模塊的功能，以及模塊之間、模塊與底盤細胞的適配性產(chǎn)生重要影響。蛋白質(zhì)重組表達系統(tǒng)中的過表達(Overexpression)往往不適用于合成生物學中元件、模塊中的蛋白質(zhì)重組表達。蛋白質(zhì)表達水平過高對細胞造成的副作用有多種原因，主要會從如下幾個方面對細胞產(chǎn)生干擾。

2.3.1 蛋白質(zhì)過表達增加細胞的負擔

碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞后，一方面需要維持細胞自身的生長和繁殖，為細胞壁、細胞膜等結構的合成提供前體，另一方面要為細胞的正常代謝提供輔酶、能量等。在這種情況下，蛋白質(zhì)的過量重組表達會分流原來處于平衡狀態(tài)的碳代謝、氮代謝以及能量代謝流，從而增加細胞的生理負擔。蛋白質(zhì)高水平表達本身要求有大量的氨基酸前體供應，當培養(yǎng)基沒有足夠的氨基酸補充時會造成代謝流的比例大量進入到氨基酸前體合成途徑。另一方面，正常生長狀態(tài)下細胞內(nèi)總蛋白的水平會在一定范圍內(nèi)處于穩(wěn)定的水平，從而使細胞在最為有利的狀態(tài)下生長。過量的蛋白質(zhì)重組表達會打破了胞內(nèi)蛋白質(zhì)的平衡，從而影響了其他正常蛋白質(zhì)的表達，使代謝失衡[10-11]。

2.3.2 多種蛋白表達間的相互干擾

為了實現(xiàn)特定生物學功能，合成生物學構建的人工生命體系通常含有多個模塊，而一個功能模塊往往涉及多于一個蛋白的表達。如一個代謝物的合成模塊往往涉及幾種乃至十幾種酶。為了模塊穩(wěn)定性以及有利于遺傳操作和調(diào)控，這些酶往往分布在多個質(zhì)粒中，并且處于多個啟動子控制下。當多個酶蛋白分子同時表達時，會引起多質(zhì)粒系統(tǒng)的穩(wěn)定性失衡，以及啟動子在多種個誘導物條件下出現(xiàn)相互干擾。例如JD Keasling的研究表明，在多質(zhì)粒、多啟動子系統(tǒng)中，蛋白質(zhì)表達滴度會受到明顯的影響[8]。

2.3.3 異源蛋白質(zhì)表達的毒性

在合成生物學研究中，元件、模塊中往往包含了大量的具有優(yōu)良性狀的異源基因。而異源基因在非天然宿主中進行蛋白表達本身就會對宿主細胞產(chǎn)生影響。因為宿主細胞中分子伴侶體系、密碼子偏好性等通常與基因的原始生物具有很大差異，從而造成部分包涵體積累等情況，從而對宿主細胞產(chǎn)生毒性[12-13]。

2.3.4 蛋白質(zhì)表達代謝網(wǎng)絡的影響

在過表達酶等蛋白質(zhì)時，蛋白質(zhì)自身的功能往往會對細胞的代謝網(wǎng)絡產(chǎn)生影響。蛋白質(zhì)表達水平過高會造成代謝中間產(chǎn)物積累、影響輔酶循環(huán)等，從而使細胞的代謝網(wǎng)絡失衡[10-11,14]。

3 蛋白質(zhì)預算的控制手段

把人工設計的模塊加載到底盤細胞后，雖然賦予了細胞新的功能，但所獲得的新生命體系往往并非是最優(yōu)的。人工生命體系的優(yōu)化和調(diào)試(Debugging)是合成生物學研究的關鍵問題。這涉及到各模塊之間以及模塊與底盤細胞之間的適配性優(yōu)化。以蛋白質(zhì)預算為依據(jù)，衡量并指導對人工生命體系的優(yōu)化，是合成生物學研究的一個有效手段。通過控制模塊中各種酶、功能蛋白質(zhì)的表達水平，可以減少細胞不必要的生理負擔，使各種蛋白質(zhì)功能以及細胞的整體代謝網(wǎng)絡處于一個相對平衡的狀態(tài)，從而為創(chuàng)建具有優(yōu)勢的人工生命體系打下基礎。目前已經(jīng)有各種手段和工具對蛋白質(zhì)的表達水平進行控制，實現(xiàn)對蛋白質(zhì)預算進行有效干預。

3.1 蛋白質(zhì)表達水平的微調(diào)控

合成生物學的理想情況是能夠?qū)崿F(xiàn)對蛋白質(zhì)的表達水平的定量控制。但由于蛋白質(zhì)表達過程涉及轉(zhuǎn)錄、翻譯、翻譯后折疊等多個環(huán)節(jié)，蛋白質(zhì)表達水平受到多種因素的影響，因此完全實現(xiàn)蛋白質(zhì)表達水平的人為精確控制還很困難。一個常用的辦法是采用一系列調(diào)控元件庫，對蛋白質(zhì)表達水平進行控制。目前已經(jīng)報道了多種研究手段，實現(xiàn)對蛋白質(zhì)表達水平的微調(diào)控。

3.1.1 啟動子工程

啟動子是影響蛋白質(zhì)表達水平最主要的因素之一。通過人為改變啟動子強度，也是對蛋白質(zhì)表達水平進行微調(diào)控的有效方法。目前已經(jīng)有大量的研究集中在對啟動子的改造、優(yōu)化上，包括獲得不同強度的啟動子，構建啟動子突變庫，以及通過高通量手段獲得最佳蛋白質(zhì)表達水平。理論上，保持調(diào)控蛋白結合位點序列不變，通過改造啟動子?10區(qū)和?35區(qū)的序列，以及其間的16個堿基即可構建一系列具有不同啟動強度的啟動子，形成滿足不同表達強度需求的啟動子庫。2005年，Stephanopoulos等通過易錯突變獲得了具有不同強度的啟動子文庫。篩選得到近200個不同強度的啟動子，mRNA水平啟動強度范圍相差325倍[15]。利用這一文庫研究者對ppc以及dxs兩種番茄紅素合成途徑中關鍵酶的表達水平進行了優(yōu)化。結果顯示采用適當?shù)膯幼訌姸饶軌蝻@著提高目標產(chǎn)物的合成水平。張學禮等構建了以啟動子為核心的人工調(diào)控元件文庫，并成功地應用于大腸桿菌葡萄糖轉(zhuǎn)運及胡蘿卜素的生產(chǎn)中[16-17]。

3.1.2 mRNA的穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)

mRNA是影響蛋白質(zhì)表達水平的另一個關鍵因素。任何mRNA都有一定的半衰期，延長mRNA半衰期能夠增強目的基因的翻譯從而提高蛋白質(zhì)的表達水平。mRNA的半衰期與mRNA的UTR序列、二級結構等因素有關。例如，UTR中的頸環(huán)結構可以避免mRNA被細胞中的各種RNA酶 (RNase)降解，從而能夠提高mRNA穩(wěn)定性，加強蛋白質(zhì)的翻譯。JD Keasling利用mRNA中非編碼位置的頸環(huán)結構設計了具有不同mRNA穩(wěn)定性的調(diào)控元件，即tunable intergenic regions(TIRS)[18-19]。TIRS利用 mRNA穩(wěn)定性的差異，使功能模塊中各酶蛋白的表達得到微調(diào)控。JD Keasling成功地將mRNA頸環(huán)結構控制蛋白表達的策略應用在青蒿素的人工合成中[19]。

3.1.3 通過RBS人工設計進行調(diào)節(jié)

核糖體結合位點 (RBS)是原核細胞中翻譯起始的控制位點。RBS序列對翻譯的起始效率具有重要影響，而翻譯起始效率的改變能夠進而改變蛋白質(zhì)的翻譯及表達水平。因此，可以通過對RBS的序列進行人為的改造，從而實現(xiàn)進行蛋白質(zhì)表達水平的控制。目前已經(jīng)報道的RBS人工設計包括兩個方面：一是通過建立突變文庫獲得不同功能的RBS序列；另一種是通過理性設計獲得具有不同翻譯起始強度的RBS[20-21]。Salis等以理論預測為基礎，成功獲得了一系列具有不同翻譯起始強度的RBS，并能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)表達水平進行精確的控制[21]。

3.1.4 密碼子偏好性的作用

遺傳信息在由mRNA到蛋白質(zhì)的傳遞過程中是以三聯(lián)體密碼子的形式傳遞的。每種氨基酸至少對應一個密碼子，編碼同一種氨基酸的密碼子稱為同義密碼子。在蛋白質(zhì)的合成過程中，同義密碼子的使用概率并不相同，這與細胞中tRNA的豐度有關。相應tRNA豐富的密碼子，正確的氨基酸會很快連接上，而相應tRNA稀少的密碼子，要經(jīng)過多次相互辨認才能找到正確的tRNA，進而外源蛋白的合成將停頓。如果相同的稀有密碼子連續(xù)出現(xiàn)，就會抑制蛋白質(zhì)合成。有報道發(fā)現(xiàn)外源蛋白中含有較多的精氨酸密碼子AGA/AGG會限制降低蛋白質(zhì)的表達水平[22]。本研究組從加入稀有密碼子降低翻譯速度來降低蛋白表達量的角度入手，對稀有密碼子在翻譯水平的影響進行分析，篩選得到一套可按不同梯度下調(diào)蛋白表達量的密碼子調(diào)控元件。利用密碼子調(diào)控元件，我們成功地實現(xiàn)了對大腸桿菌中類胡蘿卜素合成模塊關鍵酶蛋白表達的微調(diào)控，進而顯著提高了目標產(chǎn)物的合成水平。

3.2 蛋白質(zhì)分子的改造和替換

模塊中某一個蛋白質(zhì)過量表達，常常是設計和載體選擇不當，可以通過系統(tǒng)優(yōu)化和選擇去解決。而為達到代謝通量平衡并且最大化而人為過量表達某一個或兩個基因引起的蛋白質(zhì)預算問題，則需要酶工程或篩選大量的異源基因。通過酶工程、蛋白質(zhì)工程等手段獲得更優(yōu)的蛋白質(zhì)分子，可以在蛋白質(zhì)表達水平較低的情況下實現(xiàn)功能，從而減少蛋白質(zhì)預算的投入。因此通過酶基因的替換、酶工程以及蛋白質(zhì)工程的改造實現(xiàn)蛋白質(zhì)預算優(yōu)化，是合成生物學優(yōu)化中的重要手段。

3.2.1 蛋白質(zhì)工程

蛋白質(zhì)分子不僅要能實現(xiàn)生物元件和生物模塊的基本催化、調(diào)控功能， 而且要使生物元件和模塊之間、生物模塊與底盤細胞之間具有完善的適配能力，在復雜的代謝和調(diào)控網(wǎng)絡中充分發(fā)揮功能，才能使新生命體系比天然生物體具有更大的功能優(yōu)勢。蛋白質(zhì)工程以蛋白質(zhì)的結構為依據(jù)，結合生物信息學、生物化學等手段進行設計、改造，從基因水平上改變蛋白質(zhì)的序列和結構，獲得具有新功能的蛋白質(zhì)分子[23]。

蛋白質(zhì)工程通常采用理性設計與高通量人工進化與篩選這兩種方式獲得新功能的蛋白質(zhì)[24]。這要求在晶體結構、生物信息學等方面要對靶蛋白具有充分的認識，或是需要針對靶蛋白建立高效的進化與篩選平臺。蛋白質(zhì)工程在合成生物學中的應用包括多個方面：如設計改造高效的催化元件；根據(jù)代謝網(wǎng)絡需求建立具有邏輯門功能的分子開關或新的調(diào)控元件；幫助提高元件、模塊對極端pH、極端溫度、高鹽等環(huán)境的適應能力等 (抗逆元件)。

3.2.2 人工分子機器

在蛋白質(zhì)改造過程中，將不同功能的蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)的某一部分在空間上組合在一起，可以增強酶催化過程中底物有效濃度，減少蛋白質(zhì)的用量。天然細胞中最高效的酶催化方式是蛋白質(zhì)復合體，例如脂肪酸合成過程的復合體可以使脂肪酸的合成代謝以最有序高效的方式進行。人工分子機器模仿了天然蛋白質(zhì)復合體的組合方式。通過將酶基因與能夠介導蛋白質(zhì)相互作用的結構域進行融合表達。所獲得的融合蛋白既具有酶的催化功能，又可以通過融合結構域的介導定位到一起，進而組成大分子量的人工蛋白復合體。

人工分子機器在代謝工程等領域具有特殊的應用價值。將一條代謝途徑中相關聯(lián)的若干酶分子組裝到人工蛋白復合體中，可以加快酶分子對代謝中間物的捕捉和識別過程，從而使酶催化反應更為高效。人口分子機器包括兩部分，一是分子骨架，作為人工蛋白復合體的核。二是模塊中的各個酶，酶蛋白通過融合結構域以不同比例結合到分子骨架上，從而實現(xiàn)模塊的最優(yōu)化。JD Keasling在研究青蒿素前體的人工合成中，成功將人工分子機器用于模塊的優(yōu)化。Kealing分別將青蒿素合成上游模塊中的3個酶蛋白AtoB、HMGS、HMGR同GBD、S3H、PDZ三個結構域融合表達，并結合在分子骨架上。通過分子機器的優(yōu)化，使下游產(chǎn)物的合成水平提高了70倍[25]。

人工纖維小體是一種模仿天然大分子機器-纖維小體 (Cellulosome)的高效降解木質(zhì)纖維素的人工復合體。人工纖維小體以腳手架蛋白為基礎，通過蛋白質(zhì)相互作用聚集了纖維素底物結合模塊以及催化模塊，能夠顯著提高纖維素的降解效率。在人工合成細胞中加載纖維素水解的人工纖維小體已經(jīng)獲得成功[26-27]。但由于CBH催化活力的限制，要真正構建有實用價值的直接利用纖維素的人工合成細胞將是蛋白質(zhì)預算給合成生物學帶來的挑戰(zhàn)。

3.2.3 天然基因的篩選和替換

經(jīng)過酶工程、蛋白質(zhì)工程改造的酶分子等可以在一定程度上解決因需要過量表達導致的蛋白質(zhì)預算失衡。但當?shù)鞍追肿釉诮Y構、功能等方面研究不足，或沒有理想的篩選文庫時，通過改造蛋白質(zhì)分子則很難獲得理想的優(yōu)化結果。幸運的是自然界中動物、植物、微生物中蘊含了大量的基因資源?？梢詮奶烊簧镏蝎@得各種性狀優(yōu)良的蛋白質(zhì)基因，用于人工生命體系的組建中。這些基因由于具有更高催化活力而降低了蛋白量的需求，在合適的表達調(diào)控下就可以解決蛋白質(zhì)預算失衡的問題。海洋、熱泉、鹽湖中的微生物往往具有耐熱、耐鹽等特性，是良好的基因資源庫。近年來，人們已經(jīng)從海洋微生物等資源中獲得大量新功能的基因。

以上各種對蛋白質(zhì)預算進行控制的常用手段總結在表1中。

4 總結與展望

創(chuàng)建具有優(yōu)勢的人工生命體系，是合成生物學研究的最終目標。蛋白質(zhì)是生物體中起核心作用的分子。如何在蛋白質(zhì)表達水平上實現(xiàn)生命體系的最優(yōu)化，對合成生物學的研究具有重要的指導意義。蛋白質(zhì)預算的概念，將對分析影響人工生命體系功能的關鍵因素，指導元件設計、模塊組裝以及適配性優(yōu)化具有積極作用。

表1 蛋白質(zhì)預算的控制手段Table 1 Methods for the control of protein budget

致謝：本文內(nèi)容是作者的個人看法及觀點，在國際上尚未有類似的具體描述，作者要感謝過去杜邦公司的同事在工作中的討論，也感謝金城教授和林章凜教授在酶工程年會中的討論，并感謝陶勇實驗室多位工作人員和學生提供的未發(fā)表數(shù)據(jù)。

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