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采用生物路線來合成化學(xué)物質(zhì)承擔(dān)著未來化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)的重任，對(duì)于一些利用不可再生能源生產(chǎn)的或難以采用傳統(tǒng)合成方法生產(chǎn)的化學(xué)物質(zhì)而言尤其如此。合成化學(xué)物質(zhì)比較普遍的策略是利用一種基于活細(xì)胞合成潛力的代謝工程途徑，但是這種方法常常會(huì)遇到瓶頸，其中包括有用的代謝產(chǎn)物流失，以及有毒中間產(chǎn)物的堆積。在這個(gè)問題上，加州大學(xué)伯克利分校Dueber等人在2009年第8期Nature biotechnology上發(fā)表的研究表明，利用人工合成的支架蛋白能夠募集代謝酶類，可以極大地提高甲羥戊酸（類異戊二烯前體如抗瘧疾藥物青蒿素）的產(chǎn)量，同時(shí)降低整體細(xì)胞的代謝負(fù)荷。這項(xiàng)研究首次在微生物體內(nèi)利用定向的組裝酶復(fù)合物，從而對(duì)化學(xué)物質(zhì)的合成進(jìn)行了優(yōu)化，并為現(xiàn)有的代謝工程技術(shù)提供了補(bǔ)充。
自然界為共位酶的催化反應(yīng)及相應(yīng)底物反應(yīng)途徑設(shè)計(jì)了完美的策略。這些策略包括促進(jìn)酶活性位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)物理結(jié)合（色氨酸合成酶和氨基甲酰磷酸合成酶的結(jié)合）的共位酶生成保護(hù)渠道以及使底物實(shí)現(xiàn)與復(fù)合酶模塊（通過蛋白質(zhì)的相互作用聚合起來）共價(jià)連接，并沿模塊依次移動(dòng)的底物組裝線（聚酮合成酶）。然而到目前為止，很少在微生物工程中利用這種酶的組裝來提高多步的代謝反應(yīng)。這種設(shè)想僅僅局限于融合蛋白，其結(jié)果也有好有壞。一個(gè)成功的案例是，實(shí)驗(yàn)室在改進(jìn)生產(chǎn)甘油的高產(chǎn)大腸桿菌菌株（Escherichia coli）時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)編碼甘油三磷脫氫酶1 （GPD1）和甘油三磷酶2（GPP2）的基因之間發(fā)生了重組，結(jié)果產(chǎn)生了兼具甘油三磷脫氫酶1和甘油三磷酶2活性的融合蛋白。然而，研究人員顯然需要探討簡(jiǎn)單的融合蛋白以外的其他辦法，并制定計(jì)劃以更好的模仿那些在自然界中發(fā)現(xiàn)的順序酶反應(yīng)的空間組織設(shè)計(jì)。
Dueber等人通過建立穩(wěn)固的細(xì)胞內(nèi)支架，從而使進(jìn)行連續(xù)酶促反應(yīng)的酶能夠通過小肽配體能夠成功對(duì)接。這些細(xì)胞內(nèi)支架包含一系列由多細(xì)胞動(dòng)物的基因組編碼的高度特異性的模塊化對(duì)接區(qū)域：GTP酶結(jié)合域（GBD）來自控制肌動(dòng)蛋白聚合的NWASP，SH3結(jié)合域來自CRK蛋白，PDZ的結(jié)合域則來自互生蛋白。甲羥戊酸生產(chǎn)過程中的三種酶——大腸桿菌AtoB、釀酒HMGS和HMGR，通過配體與對(duì)接區(qū)域的特異性的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)骨架上的定位。
這項(xiàng)酶組裝策略的優(yōu)點(diǎn)是，它僅需要對(duì)靶向酶稍做修改，而不需要酶的結(jié)構(gòu)信息，類似于親和純化額外的融合標(biāo)記。Dueber等研究表明，由非共價(jià)方式將酶與合成的細(xì)胞內(nèi)支架結(jié)合，與不使用支架途徑相比甲羥戊酸的產(chǎn)量可能增加了近77倍，這些依賴于相互作用結(jié)構(gòu)域的重復(fù)數(shù)和結(jié)構(gòu)域在支架上的位置。這種支架的設(shè)計(jì)意味著技術(shù)發(fā)展水平相當(dāng)大的進(jìn)步，因?yàn)樗軌蚴箖蓚€(gè)或兩個(gè)以上酶系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多種酶的組合和酶的位置。該策略能夠同時(shí)從空間和化學(xué)計(jì)量上配置多個(gè)酶的能力非常重要，因?yàn)樗芷胶庹麄€(gè)反應(yīng)通路的反應(yīng)速率。
令人興奮的是，這種支架還能夠促進(jìn)結(jié)構(gòu)上無關(guān)化合物——葡萄糖的生產(chǎn)，研究表明，這種做法還能夠延伸到用于其他代謝途徑。但是，在制定其他合成支架系統(tǒng)中仍有幾個(gè)重要問題需要考慮。首先，許多代謝酶實(shí)際上都是多聚體，如果酶的亞基被支架結(jié)構(gòu)整個(gè)或部分覆蓋，可能會(huì)造成多種后果。同樣，能否成功的用配體來標(biāo)記酶主要取決于蛋白結(jié)構(gòu)，所以更徹底的尋找肽插入位點(diǎn)可能有必要。還需要進(jìn)一步完善支架配體相互作用，從而能夠確保支架組裝更“干凈”，并防止大量的無酶的支架或無支架的酶的積累。
應(yīng)當(dāng)指出的是，新陳代謝途徑的概念并非沒有爭(zhēng)議，因?yàn)閷?duì)其影響的直接測(cè)量還被實(shí)驗(yàn)證據(jù)所困擾。Dueber等人推測(cè)，酶是通過提高中介代謝物的有效濃度來提高酶促反應(yīng)的效率。然而，也有其他可能的機(jī)制有助于增加甲羥戊酸產(chǎn)物的產(chǎn)量，包括改善酶的折疊，減少酶的聚集或退化，或這些措施的結(jié)合。最后，即使這種途徑的效應(yīng)是真實(shí)的，也僅可能在對(duì)酶通量經(jīng)過仔細(xì)平衡的高度工程化的系統(tǒng)中有效，對(duì)酶通量的平衡時(shí)是基于這種酶在生產(chǎn)葡萄糖酸沒有生產(chǎn)甲醛戊酸有效的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行的。不管怎樣，使用合成酶支架明顯提高了代謝性能，并提供了一個(gè)能夠與傳統(tǒng)方法，比如通過調(diào)節(jié)基因間隔區(qū)域或調(diào)節(jié)限速酶從而調(diào)節(jié)酶的表達(dá)水平，同時(shí)使用的強(qiáng)大的新方法。在長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，同時(shí)整合的這幾種策略來平衡酶促反應(yīng)，消除代謝障礙，減少細(xì)胞斜坡，防止非必要的中間產(chǎn)物或副產(chǎn)品的積累是很有可能的，這勢(shì)必會(huì)為各種代謝產(chǎn)物，如生物燃料、特種化學(xué)品和新的疾病治療方法，在各個(gè)水平上進(jìn)行的商業(yè)化生產(chǎn)掃清障礙
