转自：凯莱英Asymchem
细胞工厂是指通过基因工程技术将人工合成的基因序列导入到细胞中，通过改变细胞内的基因表达方式，并利用细胞自身的代谢活性和生物合成机制来生产所需的特定的蛋白质或其他化学物质。细胞工厂可以实现对目标产物的高效生产，并提高产量和纯度，可广泛应用于生物制药、医药化学、农业、食品科学等领域。这些细胞可以是动物细胞，植物细胞或微生物。其中，微生物如大肠杆菌，酵母，谷氨酸棒杆菌和放线菌等，由于高效的遗传操作技术，生长速度快等特点，处于绿色生物制造的核心环节。
图1. 微生物细胞工厂生产流程
来源：中金公司
微生物可利用自身强大且多样的生化反应网络，并通过对代谢路径的重塑和工程化，以低价值可再生资源为原料生产各类产品。迄今为止，微生物细胞工厂已能够生产各种天然产物、抗生素、氨基酸、重组蛋白、生物能源、生物塑料等，被广泛应用于制药、食品、能源和农业等领域。
据麦肯锡预测，全球70%的产品可以用生物法生产。而生物制造的核心技术是构建高效的微生物细胞工厂。自然状态下，微生物合成途径中各个酶的催化效率很难达到非常协调的状态，而不平衡的催化效率会使得中间代谢物累积导致细胞“中毒”或者目标产品的前体供应不足导致较低的生产速率。因此，细胞工厂的构建需要重构微生物的基因组代谢网络，使目标化学品的合成途径在热力学上可行。在此基础上，进一步设计出目标化学品的最优合成途径，通过在基因组、转录组和蛋白组等水平来调控途径中的各个酶的表达和催化效率使整个代谢网络的酶催化反应更平衡，避免其他副产物的竞争和中间代谢产物的积累，且能量供给充足，并有利于朝目标产物合成的方向进行。目前，主要通过基因组编辑，酶工程，基因的精细调控等技术来提升微细胞工厂的催化效率。
图2.微生物细胞工厂设计构建的发展历程
来源：国信证券经济研究所整理
目前，微细胞工厂在制药领域的应用主要在原料药 (如抗生素、阿片类药物吗啡、大麻素)、医药中间体（如抗疟疾药物青蒿素前体青蒿酸、紫杉醇合成前体紫衫二烯）、重组蛋白和多肽类药物以及重组疫苗的生产等。微生物细胞工厂合成高活性植物天然产物是目前的研究热点之一。例如，利用重组大肠杆菌细胞工厂合成紫杉二烯、重组酵母细胞工厂生产青蒿酸和人参皂苷等，都已经打通合成路线或即将达到产业化水平。
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原料药
抗生素是由细菌或真菌生产的一大类医药化学品。此前已有报道，中国科学院天津工业生物技术研究所通过人工酶设计与人工途径重构，成功构建酿酒酵母细胞工厂，实现头孢菌素C（CPC）、7-氨基头孢烷酸（7-ACA）、6-氨基青霉烷酸（6-APA）和7-氨基去乙酰氧基头孢烷酸（7-ADCA）在酿酒酵母中的从头合成。该研究有助于利用酿酒酵母作为细胞工厂合成β-内酰胺类抗生素。
来自罂粟的吗啡属于苄基异喹啉类生物碱，其生物合成L-酪氨酸衍生物多巴胺和4-羟苯乙酯缩合成去甲乌药碱，经一系列甲基转移、羟化、异构化生成 (R)-牛心果碱，再经过若干步反应生成可待因和吗啡的前体蒂巴因。牛心果碱的生物合成途径在大肠杆菌和酵母中都已经构建成功，产量在50 mg/L左右。在酵母中已经实现蒂巴因和氢可酮等阿片类化合物μg/L 级的从头合成，并且在酵母中也已经可以将蒂巴因转化为吗啡、可待因、氢吗啡酮、羟考酮等苄基异喹啉类生物碱，总产量可以达到 130 mg/L。
植物大麻素是由脂肪酸和异戊二烯为前体，经过混合生物合成途径合成的一系列次生代谢产物。大麻素的生物合成主要包括3个阶段：聚酮合成、异戊烯化和氧化环化。途径优化的大肠杆菌工程菌可以合成 80 mg/L 橄榄酸；工程酵母中的大麻萜酚酸可以达到 136 mg/L，Δ9 -四氢大麻酚酸水平 达到 8.0 mg/L，大麻二酚酸的水平为 4.2 μg/L，为大麻素的从头生物合成奠定了基础。
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医药中间体
创制生产植物天然产物的微生物细胞工厂，可以突破植物资源限制，促使植物天然产物走出种植提取路线。目前，研究人员已经实现青蒿素、大麻素、莨菪碱等一批代表性天然化合物的微生物合成，萜类香精、人参皂苷、三萜酸、类胡萝卜素等萜类化合物，灯盏乙素、虎杖苷、根皮素、黄芩素等黄酮类化合物，天麻素、红景天苷、络塞维、迷迭香酸、复杂苯乙醇苷等苯丙素类化合物，以及生物碱类等典型的植物天然产物的生物合成都取得了很大的进展。
青蒿素和棉酚是两种具有代表性的杜松烷型倍半萜化合物，它们的生物合成途径已经被阐明。紫穗槐二烯合酶催化FPP环化生成紫穗槐二烯，随后在CYP450 酶催化下逐次生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸，再通过化学半合成生成青蒿素。目前紫穗槐二烯的产量可以达到40g/L，青蒿酸的产量可以达到25g/L。天然的青蒿素合成过程，是通过青蒿醛还原酶生成双氢青蒿醛，再由醛脱氢酶生成青蒿素的直接前体双氢青蒿酸，最后经过一步非酶促的光氧化步骤生成青蒿素。
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重组蛋白药物的生产
重组蛋白药物是生物药物中的核心产品，主要是通过基因工程菌来生产功能蛋白或其突变体，用于弥补体内蛋白的缺失，从而对疾病的治疗发挥关键作用。目前在生产重组蛋白药物中，主要应用大肠杆菌、酵母和哺乳动物 CHO 细胞系3 种表达系统。其中大肠杆菌系统最为简单，主要用于多肽类药物的生产，如重组人胰岛素和重组甲状旁腺激素等。2022年美国和欧洲已批准9款利用大肠杆菌微生物细胞工厂生产的重组蛋白药物。
酵母系统主要包括酿酒酵母和毕赤酵母，酿酒酵母是广泛研究的酵母表达系统之一，用于生物制药合成的宿主。目前美国和欧洲也已批准也有多款利用酿酒酵母和酵母菌生产的药物上市， 2018年以后批准的有8款。
尽管细胞工厂有很多优点，但同时也存在一些挑战和限制。其中一个主要问题是产量的控制，由于细胞的生长和生产速度相对较慢，很难达到高产量的要求。同时，细胞内部也会发生一些质量控制问题，这可能导致产物的不稳定性或低纯度。另一个挑战是如何确保产品的安全性和合规性。在生产过程中，需要遵守许多相关的法规和标准，以确保产品的质量、安全和可靠性。
此外，细胞工厂也可应用于基础科学研究领域，例如探索新的蛋白质结构、研究蛋白质交互作用等。细胞工厂的应用前景广阔。多家企业积极布局细胞工厂业务，其中凯莱英已完成微生物细胞工厂技术平台搭建，并进行了多个生物基小分子的可行性验证。
参考资料：
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