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构建高效的细胞工厂需要合理设计代谢途径，但定量预测突破宿主化学计量产量限制的潜在途径仍具有挑战性。这使得不确定是否可以提高各种产品的途径产量以超越化学计量产量限制以及是否存在共同的策略。
2024年10月16日，中国科学院马红武、袁倩倩共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Unveiling Metabolic Engineering Strategies by Quantitative Heterologous Pathway Design”的研究论文。该研究开发了一个高质量的跨物种代谢网络模型（CSMN）和一个定量异源途径设计算法（QHEPath）来应对这一挑战。
通过使用CSMN和QHEPath进行系统计算，对5种工业生物中的300种产品和4种底物的12,000种生物合成场景进行了评估，发现通过引入适当的异源反应可以提高70％以上的产品途径产量。确定了13种归类为碳节约和节能的工程策略，其中5种策略对100多种产品有效。开发了一个用户友好的网络服务器，用于定量计算和可视化产品产量和途径，成功预测了文献中验证的多种产品的生物学上可行的策略。
具有高效生物合成途径的微生物细胞工厂能够从可再生碳源中生产各种化学物质。在过去的几十年里，这些细胞工厂已经成功生产了各种各样的化合物，包括生物燃料、平台化学品、药物和食品添加剂。途径产量(YP)是从底物中形成的产物的量，基于宿主的化学计量计算。YP是设计高效且原子经济的细胞工厂的关键指标。先前的报告表明，引入异源途径可有效增强YP以突破宿主的产量限制。例如，通过添加异源非氧化糖酵解(NOG)途径，最终工程菌株中法呢烯的YP突破了天然网络化学计量的产量限制。此外，作者实验室报告称，引入NOG途径可有效提高聚（3-羟基丁酸酯）(PHB)产量，使其超过大肠杆菌的产量极限。然而，这些研究侧重于特定产品，主要依靠经验来确定异源反应，而没有开发计算方法和总结共同策略。因此，需要开发一种合理的计算方法并进行广泛的研究，以确定是否可以提高各种产品的YP以突破宿主的产量限制，以及是否存在对各种产品和宿主都有效的共同策略。基因组规模代谢模型(GEM)全面代表生物体的代谢，整合了从其基因组注释的所有代谢反应。可以使用菌株的GEM通过通量平衡分析(FBA)计算YP。单个物种的GEM仅包含物种特异性反应，限制了无法自然合成的产品途径的计算。例如，番茄红素不能由大肠杆菌自然合成，所以不能用大肠杆菌的GEM直接计算其合成途径和产量。此外，单个物种GEM中的反应多样性有限，限制了通过引入异源途径来增强YP的探索。构建一个涵盖多个物种的各种生化反应的广阔代谢空间变得势在必行。先前的研究试图通过整合跨物种生化反应数据库中的反应来构建集成模型，从而扩展单个物种的GEM。例如，一些研究将大肠杆菌和酿酒酵母的GEM与KEGG数据库整合在一起，构建集成模型。这些模型被用来计算非天然产品合成所需的最少异源反应数量。同样，Chatsurachai等人通过依次添加来自代谢数据库的异源反应来扩展三种生物的GEM。在集成模型的指导下，可以确定任何非天然产物在三种宿主中的可生产途径。这些研究仅仅利用集成模型来识别异源反应以获得非天然产物的可生产性，而没有考虑引入异源反应来进一步提高YP。在评估这些已发表的集成模型时，作者发现一个错误，即途径最大产量（YPm），考虑到集成模型的大规模化学计量网络，确定为从底物形成的产品的最大量，超过了通过底物和产物的还原程度计算的理论最大产量（YE）。这个错误是由于集成模型中还原当量的无限生成造成的。因此，为了获得正确的YPm，有必要对集成模型进行质量控制以消除这些错误。虽然已经开发了几种方法来测试（MEMOTE）和修复（GLOBALFIT）GEM中的错误，但它们无法自动识别和纠正大量错误，因为会无限生成还原当量、能量和代谢物（注S1，支持信息）。因此，迫切需要开发一种标准化的自动化质量控制工作流程来消除集成模型中的这些错误。重建跨物种代谢网络（CSMN）模型的工作流程（图源自Advanced Science ）除了高质量的集成模型之外，算法对于评估YP的增强和确定超过宿主产量限制所需的必要异源反应也至关重要。作者使用可生产性产量（YP0）作为宿主中底物产物的产量极限，除了对非天然产物可生产性至关重要的最小异源反应集之外，不引入任何异源反应。通过比较YPm相对于YP0的增加，可以评估是否可以通过在宿主中引入异源反应来超越YP0。现有的异源途径设计算法，例如OptStrain，旨在计算达到YPm所需引入宿主模型的最少异源反应。然而，对于非天然产品，OptStrain无法区分达到YP0的反应和有助于达到YP0的反应。这使得很难识别有助于突破宿主产量限制的特定异源反应。此外，为了突破产量限制YPmYP0，引入异源反应可能有多种潜在策略。然而，OptStrain没有考虑在次优产量下引入较少异源反应的可能性。因此，开发一种新的定量异源途径设计算法至关重要。本研究创建了一个质量控制工作流程来完善BiGG数据库中的所有反应，通过自动消除各种类型的错误，构建了高质量的跨物种代谢模型（CSMN）。然后，设计了一种定量异源途径设计算法（QHEPath）来探索提高YP的异源反应，以突破产量限制YP0。利用模型CSMN和算法QHEPath，研究了多种工业微生物物种中15个不同类别的300种增值化学品的YP增强。通过对各种产品的多种异源途径的分析，总结了各种突破产量限制的工程策略，并对其中一些策略进行了文献验证。深入研究了合成前体和剩余还原当量，以了解这些策略的特点和选择。为了提高生物学家的可访问性，开发了第一个用户友好的定量异源途径设计网络服务器QHEPath(https://qhepath.biodesign.ac.cn/)。它有效地预测了已在文献中验证过的用于各种产品的生物学上可行的策略。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202404632![]()
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