合成生物学前沿 | 功能性靶向代谢组学助力高效合成途径构建

合成生物学正在医药、食品、材料等不同领域崛起为颠覆性技术，其主要目标是利用工程方法和设计原理来构建合成途径和优化生物系统，以实现特定功能和产物的合成。然而，生命过程异常复杂，合成生物学在设计和改造生物系统方面面临着许多挑战，目前的设计-构建-测试-学习工程循环仍然需要多次的试错迭代，深入研究目标代谢通路及其调控机制对于实现高效的生物合成途径和底盘构建至关重要。在此背景下，功能性靶向代谢组学成为一种不可或缺的分析策略。

在合成生物学途径构建中，能量代谢通路如糖酵解、三羧酸循环、戊糖磷酸途径等是高频选用的改造模块，另一方面，能量代谢是生物体维持生命所必需的过程。

在合成生物学研究中，对能量代谢途径进行功能性靶向代谢组深入研究具有重要意义。通过功能性靶向代谢组学，研究人员可以获得关键信息，促进代谢工程和能量合成的优化：

• 优化资源利用效率：通过监测能量代谢，可以评估生物体对底物和能量的利用效率，帮助确定合成途径的效能，并指导优化策略。

• 支持代谢工程：功能性靶向代谢组学提供了评估和调整代谢工程效果的手段，通过监测能量代谢通路中的关键代谢物浓度和变化，确保生物体获得足够的能量来支持目标产物的合成过程。

• 动态建模和优化：监测能量代谢提供了代谢网络动力学行为的重要信息，对于建立数学模型和预测生物系统行为至关重要。

然而，能量代谢途径的分析也面临着许多挑战，例如化合物极性高、常规反相分离色谱保留困难；同分异构体难以分离、特定基团的系统吸附导致峰形变差等。为了应对这些挑战，安捷伦开发了功能性靶向代谢组学整体解决方案，该方案覆盖样品前处理、仪器分析方法及数据处理标准化流程，采用一个分析方法就能覆盖重 点关注的 5 大能量相关代谢通路和超过 140 种功能性代谢物，为合成生物学对能量代谢的深入研究提供强有力的支持。

安捷伦功能性靶向代谢整体方案

解决分析方法三大挑战

克服磷酸糖同分异构体分离难

通过采用 HILIC 柱、高 pH 值分析方法，能可靠定量同分异构的磷酸糖，如 F6P 和 G6P，从而评价通路改造的效果。

解决核苷酸类化合物吸附问题

通过添加专用的去活试剂，改善峰形的同时保证 22 种核苷酸类化合物的有效分离，确保其定量准确性。

提供系统稳定性确认依据

利用内源性氨基酸亮氨酸和异亮氨酸确认色谱柱的分离效果，也可使用氨基酸混合标准品进行系统确认，解决能量代谢通路上极性代谢物种类多样性和样品来源多样性导致的分析困难。

安捷伦功能性靶向代谢组学整体解决方案具备以下三个关注点，快速实现可直接应用的特点，为客户在合成生物学中理清和阐述生物机理问题提供协助：

1、单一通路代谢物覆盖度高

该方案能够高度覆盖各个代谢通路上的小分子代谢物，例如糖酵解通路的覆盖率可达 100%。通过深入了解代谢物的变化，能够更精 准地阐释生物学问题。

2、重要功能性代谢通路覆盖广

该方案不仅覆盖了合成生物学中的五个重要功能代谢通路，包括三羧酸循环、糖酵解、磷酸戊糖途径、氨基酸代谢和能量代谢，并不断扩充覆盖更多通路。结合多组学和细胞分析，方案能够对生物作用进行深入研究，提供全面的代谢信息支持。

3、能量代谢通路覆盖全

除了覆盖 NAD+、NADH、NADP+、NADPH 等重要能量代谢物之外，该方案还涵盖其他关键能量代谢物，如 GSH、GSNO、GSSG 以及多种辅酶 A。此外，方案的结果还可以与 Seahorse 得到的活细胞状态相结合，深入研究代谢工程中改造步骤与细胞代谢的时间相关性，从而进一步优化代谢工程的设计。

结 语

综上所述，安捷伦功能性靶向代谢组学整体解决方案具有单一通路代谢物覆盖度高、重要功能性代谢通路覆盖广和能量代谢通路覆盖全的特点，可为合成生物学研究提供全面的代谢信息支持，助力高效合成途径构建。同时，该方案也可在疾病机理、药物作用机制等其他生命科学领域广泛应用。