天然類胡蘿卜素的生物合成研究進(jìn)展

周琳 梁軒銘 趙磊

（1.中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，天津300308；2.中國科學(xué)院系統(tǒng)微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300308）

類胡蘿卜素因具有抗氧化和抗腫瘤等特性，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥保健、食品和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)［1］，其主要來源為微藻和高等植物及微生物和部分動(dòng)物等。由于每種藻類或植物富含的類胡蘿卜素種類存在很大差異，故需要從不同藻類或植物中使用不同的提取方法來分離得到各種類胡蘿卜素。微藻中分離提取的蝦青素和β-胡蘿卜素均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。近年來，人類對類胡蘿卜素的需求量顯著增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016-2021年，類胡蘿卜素的市場值年復(fù)合增長率為3.5%；到2021年時(shí)，其全球生產(chǎn)總值可達(dá) 15.2億美元［2］（圖1）。

圖1 2021年主要類胡蘿卜素所占市場份額預(yù)測Fig.1 Market share forecast of major carotenoids in 2021

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使人類生活水平不斷提高，人們更加注重營養(yǎng)保健，對類胡蘿卜素需求量增加。同時(shí)，相對于化學(xué)合成的類胡蘿卜素，天然合成類胡蘿卜素更受人青睞。但是，由于藻類和植物中類胡蘿卜素的含量較低，即使提取技術(shù)的不斷發(fā)展也無法滿足人類對天然類胡蘿卜素日益增長的需求。合成生物學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展，極大的推動(dòng)了類胡蘿卜素和脫輔基類胡蘿卜素等產(chǎn)品在微生物底盤細(xì)胞中的合成［3］。類胡蘿卜素的強(qiáng)疏水性化學(xué)性質(zhì)使其很容易鑲嵌在磷脂雙分子層生物膜上，這給底盤細(xì)胞造成很大壓力，在一定程度上也限制了可合成類胡蘿卜素的底盤細(xì)胞選擇空間［4］。隨著對類胡蘿卜素合成途徑的進(jìn)一步解析，合成途徑中催化反應(yīng)的大部分酶和調(diào)控基因已經(jīng)被鑒定，一方面為合成類胡蘿卜素細(xì)胞工廠的構(gòu)建提供理論背景；另一方面也為其在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、美妝和食品等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

1 類胡蘿卜素的來源和生物學(xué)功能

類胡蘿卜素種類繁多，分布廣泛，在高等植物葉片和花瓣、微生物、藻類中都已發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素［5］。大多數(shù)的類胡蘿卜素分子骨架中都具有C40共軛雙鍵多烯鏈和末端碳環(huán)，每種類胡蘿卜素的特性由其環(huán)狀烴和含氧官能團(tuán)的種類決定［6］。按照化學(xué)結(jié)構(gòu)特性和所含官能團(tuán)的差異，又可以將類胡蘿卜素分成胡蘿卜素類和葉黃素類。類胡蘿卜素不僅能調(diào)節(jié)植物的生長與發(fā)育，還與人類營養(yǎng)和保健有密切關(guān)系［7］。類胡蘿卜素還是天然的抗氧化劑，具有預(yù)防和減緩疾病的功能［8］，也是維生素A（視黃醇）的生物合成前體。

1.1 類胡蘿卜素的來源

天然類胡蘿卜素主要是從藻類、植物以及微生物發(fā)酵中獲得。在藻類中，雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）和杜氏鹽藻（Dunaliella salina）可分別合成蝦青素和β-胡蘿卜素。雨生紅球藻（Haematococcus pluvialis）合成蝦青素的能力最強(qiáng)，其蝦青素約占胞內(nèi)類胡蘿卜素總量的90%，重量可達(dá)細(xì)胞干重的7%左右［9］。細(xì)菌和真菌等也能合成類胡蘿卜素，如歐文氏菌（Erwinia）和紅法夫酵母（Red Fife yeast）等［10］。高等植物的根、莖、葉和花瓣也能合成各種類胡蘿卜素。由于藻類、微生物和植物體系具有天然的類胡蘿卜素合成途徑，所以它們是類胡蘿卜素合成細(xì)胞工廠的理想選擇。

蝦青素在分類上屬于酮式類胡蘿卜素，在藻類、真菌和細(xì)菌中廣泛存在。其具有3種旋光異構(gòu)體，分別是左旋蝦青素、右旋蝦青素和全反式消旋蝦青素，不同異構(gòu)體在抗氧化作用方面存在差異［11］。β-胡蘿卜素廣泛存在于自然界中，其末端具有2個(gè)β-紫羅酮環(huán)結(jié)構(gòu)［12］；其主要以4種異構(gòu)體形式存在，天然合成和化學(xué)合成β-胡蘿卜素的主要差異就體現(xiàn)在全反式和順式異構(gòu)體所占比例的不同［13］。葉黃素主要存在于綠色植物的葉片和花朵中［14］。其化學(xué)分子式結(jié)構(gòu)包括2個(gè)酮環(huán)和3個(gè)手性中心，自然界中共存在8 種異構(gòu)體。它主要參與捕獲光能、調(diào)節(jié)植物的生長和發(fā)育等［15］。大多數(shù)的藻類都含有葉黃素，如小球藻、柵藻和衣藻等。其中，以小球藻含量較高，是生產(chǎn)葉黃素的優(yōu)勢藻株［16］。

1.2 類胡蘿卜素的生物學(xué)功能

類胡蘿卜素由于具有強(qiáng)抗氧化性，其在抗氧化方面有非常重要的作用（表1）。研究發(fā)現(xiàn)，添加250 mg/kg 體重的葉黃素不僅能有效減少輻射誘導(dǎo)給白化小鼠造成的氧化損傷，還有利于維持其抗氧化系統(tǒng)的穩(wěn)定性［17］。此外，不同類胡蘿卜素的抗氧化強(qiáng)弱方面有很大差異，不同種類的類胡蘿卜素以一定濃度配比組合后，其在抗氧化方面還具有協(xié)同作用。例如，蝦青素和β-胡蘿卜素濃度比為1∶1時(shí)，其協(xié)同抗氧化作用最強(qiáng)［18］；玉米黃質(zhì)和葉黃素質(zhì)量比為2∶1時(shí)，其協(xié)同抗化學(xué)作用最強(qiáng)［19］。

表1 主要類胡蘿卜素的生物學(xué)功能Table 1 Biological functions of main carotenoids

葉黃素和玉米黃質(zhì)是人類角膜中黃斑色素的重要成分，其能夠保護(hù)視網(wǎng)膜免受藍(lán)光損傷，提高視覺靈敏度［20］。因此，葉黃素常被用于眼部保健，可以預(yù)防和減緩白內(nèi)障、老年性黃斑變性和視網(wǎng)膜神經(jīng)疾病等眼部退行性疾?。?1］。當(dāng)人體葉黃素和玉米黃質(zhì)攝入量不足時(shí)，會(huì)增加黃斑病變風(fēng)險(xiǎn)［22］。類胡蘿卜素中以蝦青素和角黃素抗癌效果較好。研究表明，蝦青素能夠顯著降低癌癥發(fā)病率，阻止癌細(xì)胞惡性增殖和轉(zhuǎn)移，并能減少腫瘤的重量和大?。?3］。角黃素的抗癌活性更高，研究表明角黃素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡與ROS有關(guān)，ROS引起的細(xì)胞毒性會(huì)造成半胱天冬酶-3和-9的催化裂解［24］。對前列腺癌的研究發(fā)現(xiàn)，巖藻黃素及其代謝物巖藻青醇可抑制細(xì)胞生長，并誘導(dǎo)前列腺癌PC-3細(xì)胞凋亡和激活半胱天冬酶-3［25］。巖藻黃質(zhì)和巖藻黃醇也可通過調(diào)節(jié)各種分子的表達(dá)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞周期阻滯［26］。

2 類胡蘿卜素的生物合成

人們對植物體中類胡蘿卜素的合成途徑研究最早。近年來，科學(xué)家對于微生物和藻類中的合成途徑進(jìn)行深入解析后發(fā)現(xiàn)，不同生物的合成途徑存在差異，獲得的類胡蘿卜素種類和產(chǎn)量也不盡相同［28］。類胡蘿卜素合成途徑所需的酶在植物和微生物中有所不同，在植物中的分工更細(xì)。例如，催化八氫番茄紅素合成和番茄紅素環(huán)化的酶，在植物中由兩個(gè)酶分別負(fù)責(zé)，而在酵母和霉菌中僅由一個(gè)酶完成［29-30］。雖然微藻在分類學(xué)上被列為低等植物，但其兼具高等植物和微生物的特性，能合成的類胡蘿卜素種類較多。其既可合成高等植物中所特有的α-胡蘿卜素和葉黃素，又能合成微生物中普遍存在的角黃素和蝦青素，故微藻在用作類胡蘿卜素合成底盤細(xì)胞改造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢［31］。類胡蘿卜素合成途徑的解析，為其合成細(xì)胞工廠的構(gòu)建提供了理論依據(jù)，其合成始于前體物質(zhì)牻牛兒基牻牛兒基焦 磷 酸（geranylgeranyl pyrophosphat，GGPP）。 下面將以高等植物為例，簡述類胡蘿卜素的合成過程（圖2）。

圖2 類胡蘿卜素合成途徑Fig.2 Carotenoid synthesis pathway

2.1 GGPP的生物合成途徑

GGPP的生物合成是類胡蘿卜素合成過程中的重要步驟，其合成過程可以簡單分成兩大步，即前體物質(zhì)異戊二烯焦磷酸（isopenteny diphosphate，IPP）和二甲基丙烯焦磷酸（dimethylallyl diphosphate，DMAPP）的合成；由前體物質(zhì)IPP和DMAPP合成GGPP。根據(jù)所發(fā)生場所的不同，IPP的合成途徑又分為甲羥戊酸（mevalonic acid，MVA）途徑［32］和甲基赤蘚糖醇（methyl erythritol phosphate，MEP）途徑［33］，合成過程都是被區(qū)室化的。其中，MVA途徑主要存在于大多數(shù)的哺乳動(dòng)物和酵母細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，起始物質(zhì)是乙酰輔酶A；MEP 途徑一般存在于高等植物、部分細(xì)菌和藻類細(xì)胞原生質(zhì)體中［34］，起始物質(zhì)是3-磷酸甘油醛（GA-3-P）和丙酮酸［35］。在生成IPP和DMAPP后，MVA和MEP的催化步驟基本相同。

2.2 從GGPP到胡蘿卜素類合成

從GGPP起始，參與合成各種胡蘿卜素的酶包括氧化還原酶類（EC1）的PDS（phytoene desaturase）和 ZDS（ζ-carotene desaturase）、轉(zhuǎn)移酶類（EC2）的PSY（phytoene synthase）及異構(gòu)酶類（EC5）的LCYe（lycopene ε-cyclase） 和 LCYb（lycopene β-cyclase）等。

主要過程為：首先，GGPP在PSY催化作下，合成八氫番茄紅素，其他各種類胡蘿卜素都是在此基礎(chǔ)上經(jīng)進(jìn)一步的脫氫和環(huán)化生成。PSY是該途徑的關(guān)鍵限速酶，其在細(xì)菌和真核生物中的編碼基因分別是CrtB和PSY，改變它的表達(dá)量或活性可以調(diào)節(jié)代謝途徑通量［36］。例如，在油菜籽和馬鈴薯衍生愈傷組織中，過表達(dá)組成型PSY可增加細(xì)胞中總類胡蘿卜素含量，β-胡蘿卜素的合成也顯著增加［37］。

2.3 從胡蘿卜素類到葉黃素類的合成

從胡蘿卜素類合成葉黃素類色素的代謝途徑需要5種氧化還原酶類參與，包括LUT1（carotenoid ε-hydroxylase）、CrtZ（β-carotene 3-hydroxylase）、LUT5（β-ring hydroxylase）、ZEP（zeaxanthin epoxidase）和 VDE（violaxanthin deepoxidase）。β-胡蘿卜素在經(jīng)過連續(xù)的羥基化反應(yīng)后，先生成β-隱黃質(zhì)，后轉(zhuǎn)化為玉米黃質(zhì)。其中，由玉米黃質(zhì)脫環(huán)化生成花藥黃質(zhì)，再進(jìn)一步反應(yīng)生成堇菜黃質(zhì)的過程是可逆的；催化正向兩步反應(yīng)（即環(huán)化反應(yīng)）的酶都是ZEP，反應(yīng)在弱光或黑暗條件下進(jìn)行。在擬南芥中，該酶的編碼基因是AtABA1；催化逆向兩步反應(yīng)（即脫環(huán)化反應(yīng)）的酶均是ZEP，反應(yīng)在強(qiáng)光條件下進(jìn)行；在擬南芥中該酶的編碼基因?yàn)锳tNPQ1，整個(gè)循環(huán)過程被稱作葉黃素循環(huán)（Lutein cycle）［41］。目前，參與各個(gè)反應(yīng)步驟的催化酶都已得到解析，尤其是在高等植物擬南芥中（表2）。胡蘿卜素類到葉黃素類的合成途徑研究，可用于定向進(jìn)化或逆境脅迫等方法合成特定種類的類胡蘿卜素。由于PSY 在多數(shù)植物中為單拷貝基因，故其是用基因工程技術(shù)改良植物類胡蘿卜素含量的理想靶標(biāo)［38］。其次，八氫番茄紅素在PDS催化作用下生成ζ-胡蘿卜素，ζ-胡蘿卜素在ZDS的催化作用下生成番茄紅素。Gao等［39］的研究表明白光照可以抑制葡萄柚（Citrus paradisi）愈傷組織中CpPDS 和CpZDS 的表達(dá)，從而減少其番茄紅素的合成。Qin等［40］研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中類胡蘿卜素合成途徑的AtPDS3 基因發(fā)生突變后，AtPSY 和AtZDS 等基因的表達(dá)水平會(huì)顯著降低，其類胡蘿卜素合成受阻，葉綠素和赤霉素的合成途徑也受到抑制。

表2 參與類胡蘿卜素生物合成的酶及編碼基因Table 2 Enzymes and encoding genes involved in carotenoid biosynthesis

番茄紅素在不同的酶催化下可以生成不同的胡蘿卜素：在CrtE的催化作用下可環(huán)化生成δ-胡蘿卜素，再進(jìn)一步生成ε-胡蘿卜素；在CrtY催化作用下可生成γ-胡蘿卜素，并進(jìn)一步生成β-胡蘿卜素。同時(shí)，CrtB 還可催化δ-胡蘿卜素生成α-胡蘿卜素。由GGPP 起始合成的胡蘿卜素種類非常豐富，是天然類胡蘿卜素合成途徑的重要組成部分，對于該途徑的深入解析將為類胡蘿卜素生物合成途徑的設(shè)計(jì)、改造和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3 類胡蘿卜素合成細(xì)胞工廠的構(gòu)建及合成生物學(xué)策略

類胡蘿卜素的生物合成路徑可以分為上游路徑和下游路徑，以最基本的IPP/DMAPP 為節(jié)點(diǎn)。上游路徑是IPP和DMAPP的合成，有MEP和MVA兩種途徑；下游路徑則是以IPP和DMAPP 為起點(diǎn)，通過多步反應(yīng)和修飾，最終合成多種類胡蘿卜素及其衍生物。

構(gòu)建類胡蘿卜素合成細(xì)胞工廠是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到多模塊的組裝和適配等諸多問題。這不僅需要根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品選擇合適的催化元件；有時(shí)，為了解除代謝中間體的反饋抑制效應(yīng)，還需要增強(qiáng)NADPH和ATP的合成以及增加GGPP前體供給或引入異源MVA路徑等［42］。類胡蘿卜素合成途徑所需的催化元件，包括催化途徑化學(xué)反應(yīng)的各種酶，如合成酶、脫氫酶、環(huán)化酶、羥化酶和酮化酶等。為了提高類胡蘿卜素的產(chǎn)量，需要在底盤細(xì)胞中最大限度地增加從底物到目標(biāo)產(chǎn)物的代謝通量，同時(shí)盡量減少非必需副產(chǎn)物或代謝中間體的產(chǎn)生。因此，需選擇最優(yōu)底盤細(xì)胞和催化元件，并從催化特性、表達(dá)水平、底盤適應(yīng)性等多個(gè)維度進(jìn)行組合適配。

3.1 類胡蘿卜素合成底盤細(xì)胞的選擇和改造

合成生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大的推動(dòng)了大腸桿菌（Escherichia coli）、釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） 和 耶氏 解 脂 酵母（Yarrowia lipolytica）等底盤細(xì)胞高效合成類胡蘿卜素及其衍生物（表3）［43］。大多數(shù)類胡蘿卜素都具有強(qiáng)疏水性，故大量的類胡蘿卜素在細(xì)胞內(nèi)合成后，會(huì)損傷細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)并危害細(xì)胞的正常生理功能［44］。此外，微生物底盤細(xì)胞中有限的膜結(jié)構(gòu)，也在一定程度上限制了類胡蘿卜素產(chǎn)量提升空間；而且，類胡蘿卜素的強(qiáng)還原性還會(huì)觸發(fā)底盤細(xì)胞脅迫響應(yīng)，使胞內(nèi)反應(yīng)活性氧（reactive oxygen species，ROS）的水平顯著提高而反饋抑制細(xì)胞生長［45］。因此，采用誘導(dǎo)型啟動(dòng)子使生產(chǎn)菌株的生長與生產(chǎn)解偶聯(lián)［46］、創(chuàng)建工程化轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和膜囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，可促進(jìn)類胡蘿卜素外排、弱化膜系統(tǒng)壓力［47］等，降低類胡蘿卜素合成的反饋抑制效應(yīng)。

表3 合成類胡蘿卜素細(xì)胞工廠的構(gòu)建示例Table 3 Construction examples of a synthetic carotenoid cell factory

底盤細(xì)胞復(fù)雜的內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)，決定了目標(biāo)產(chǎn)物的合成必然會(huì)受到胞內(nèi)其他各方面因素的影響。尤其是，其內(nèi)源非必需基因?qū)︻惡}卜素合成能力有重要的影響［48］。對底盤細(xì)胞非必需基因的調(diào)控、設(shè)計(jì)和改造，有助于增加外源表達(dá)模塊與其內(nèi)環(huán)境的適配，增強(qiáng)細(xì)胞耐受力，強(qiáng)化目標(biāo)路徑代謝流量。但考慮到可理性設(shè)計(jì)的非必需基因數(shù)目及其對內(nèi)環(huán)境影響有限，因此，需借助隨機(jī)誘變等非理性設(shè)計(jì)策略以增加基因和相應(yīng)表型的多樣性，進(jìn)而加速菌株的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化過程［49］。

植物底盤因在蛋白表達(dá)、翻譯后修飾以及催化環(huán)境上更加貼近產(chǎn)物的天然宿主，近年來，已得到更多研究人員的青睞。目前，科研人員可使用煙草、番茄和水稻等作為底盤細(xì)胞生產(chǎn)番茄紅素等類胡蘿卜素產(chǎn)品［50］。例如，劉耀光院士團(tuán)隊(duì)將類胡蘿卜素合成路徑導(dǎo)入到水稻胚乳中，獲得了富含各種類胡蘿卜素的大米新品種［51］。此外，萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）和集胞藻（synechocystis）等因具有天然類胡蘿卜素合成路徑，也是理想的植物底盤細(xì)胞［52］。

3.2 類胡蘿卜素合成途徑的模塊組裝與適配

類胡蘿卜素細(xì)胞工廠的構(gòu)建涉及多模塊組裝，以及路徑模塊間催化性能、表達(dá)水平等多因素的組合適配等（圖3）。最終目標(biāo)為最大限度地增加從底物到目標(biāo)產(chǎn)物的代謝通量，減少非必需副產(chǎn)品和代謝中間體的積累［53］。類胡蘿卜素合成步驟中公認(rèn)的限速酶包括CrtE、CrtI、CrtZ和CrtW，這些酶具有相對寬泛的底物選擇性，可以連續(xù)催化多步反應(yīng)。但是，不同來源的限速酶在催化連續(xù)多步反應(yīng)時(shí)，其反應(yīng)步數(shù)可能不同，這極大的影響目標(biāo)化合物在總類胡蘿卜素含量中的占比［54］。另外，催化元件的底物選擇差異，也會(huì)影響代謝中間體的轉(zhuǎn)化速率［55］。因此，篩選、組合不同來源的催化元件是提高類胡蘿卜素合成通量、降低代謝中間體積累的有效手段［56］。

圖3 類胡蘿卜素合成途徑的模塊組裝與適配Fig.3 Modular assembly and adaptation of carotenoid synthesis pathways

同時(shí)，通過調(diào)節(jié)模塊表達(dá)水平，也可達(dá)到提高整體代謝流量、弱化限速步驟的目的［57］。在調(diào)整模塊表達(dá)強(qiáng)度時(shí)，可改變啟動(dòng)子強(qiáng)度、拷貝數(shù)、模塊在染色體上的整合位置等。通常，可將模塊分別克隆到不同質(zhì)粒進(jìn)行表達(dá)，這有利于快速建立強(qiáng)度多樣化的表達(dá)文庫，調(diào)整不同模塊的表達(dá)水平。同時(shí)，通過配合使用不同強(qiáng)度的啟動(dòng)子、調(diào)整質(zhì)粒的復(fù)制起始位點(diǎn)等手段可增加文庫的多樣性、拓寬模塊表達(dá)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)范圍［58］。為實(shí)現(xiàn)類胡蘿卜素合成途徑基因模塊的穩(wěn)定表達(dá)，可采用底盤基因組整合方式。表達(dá)模塊在染色體上的插入位置和拷貝數(shù)，對模塊的整體表達(dá)水平和類胡蘿卜素合成路徑通量有較大影響。

在類胡蘿卜素細(xì)胞工廠的構(gòu)建中，要獲得模塊間的最佳適配效果，需對所用催化元件的催化性能、基因拷貝數(shù)、表達(dá)水平以及元件在染色體上的整合位置、排列順序等諸多因素進(jìn)行篩選，這就需要構(gòu)建足夠大的文庫以滿足所需覆蓋度。模塊化代謝工程（modular metabolic engineering，MME）可將代謝途徑中所涉及的催化單元進(jìn)行聚類分組，將每組催化單元的表達(dá)盒子視為一個(gè)模塊［59］。該方法只涉及平衡模塊間的表達(dá)水平，這將極有利于降低類胡蘿卜素細(xì)胞工廠構(gòu)建的復(fù)雜性。

4 總結(jié)和展望

類胡蘿卜素由于其具有鮮艷的色彩和重要的生物學(xué)功能，被廣泛用于醫(yī)藥、食品和保健行業(yè)，其商業(yè)價(jià)值較高。近年來，人們對類胡蘿卜素的需求在不斷加大。目前，類胡蘿卜素的化學(xué)全合成技術(shù)成熟，是生產(chǎn)的主要來源，但其食用安全性具有不確定性。因此，通過構(gòu)建類胡蘿卜素合成細(xì)胞工廠生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品，已得到更多關(guān)注。為使類胡蘿卜素合成細(xì)胞工廠獲得最大的生產(chǎn)能力，需要對其進(jìn)行合理的改造和調(diào)控。為有效解決細(xì)胞代謝流失衡、中間體積累等問題，需要構(gòu)建調(diào)控元件、設(shè)計(jì)基因線路以精確調(diào)節(jié)物質(zhì)流及能量流，這也需要借助于高通量篩選、酶設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)模擬、模型分析、耦合基因控制元件等。

合成生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為合成類胡蘿卜素細(xì)胞工廠構(gòu)建帶來了新的契機(jī)。這不僅使類胡蘿卜素合成相關(guān)元件在工程學(xué)上模塊化，而且具有非常充分的生物學(xué)特征，為整合相關(guān)特征元件用于構(gòu)建具有特定生物學(xué)功能的生物系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的設(shè)計(jì)、開發(fā)、改造與應(yīng)用等提供了更多可能。由此獲得的類胡蘿卜素合成代謝途徑，不僅具有更好的可預(yù)測性，而且簡化了改造過程，提高了傳統(tǒng)代謝工程效率。此外，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、深度學(xué)習(xí)等可加速實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化代謝途徑設(shè)計(jì)、流程構(gòu)建等。借助于連續(xù)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、測試與學(xué)習(xí)模型，可望達(dá)到預(yù)先評(píng)價(jià)目標(biāo)過程的效果，這將有助于構(gòu)建出更高效、更穩(wěn)定的人工合成細(xì)胞工廠。多學(xué)科的交叉融合，必定會(huì)促使類胡蘿卜素合成細(xì)胞工廠構(gòu)建向著高通量、智能化、高效率的方向發(fā)展。