合成生物学产业化的机遇与挑战（二）

生物体可以天然地吸收非典型的化学元素，但并不是所有的同化途径都被描述过

尽管生物化学的普遍观点仅仅基于前面提到的六种基本元素(即C、H、N、O、P和S)的存在，但过去几年收集的越来越多的证据支持这样的观点，即细胞吸收并(在某种程度上)代谢过量的非典型化学元素。这种情况对于微生物和植物来说尤其如此，它们对环境的生长表现出相当大的依赖，需要适应它们的化学环境(即环境生态位)才能生存。元素，分子，和被认定的吸收路线将在下一节讨论;表1概述了在生物学中最常见的非典型原子及其在生物技术应用中的潜力。

表1概述了在生物学中最常见的非典型原子及其在生物技术应用中的潜力。

非生物的化学元素跨膜转运

将非典型元素转运到细胞质中是微生物细胞(以及代谢工程师)在被代谢同化之前必须克服的第一个障碍。膜转运可以通过几种机制来完成，这取决于所讨论元素的类型和化学状态(例如，它是被氧化还是被还原)。例如，已知有三种摄取B的方式(即被动吸收和促进扩散，以及主动转运;参见“砷、硒和硼作为代表的类金属和非金属元素”一节)。由于氟化物和其他卤素在水溶液中的负电荷性质，它们可以被主动转运(这也为同源阴离子作为亲核试剂的化学活化设置了障碍，因为它们高度水化)。在这里，转运子（transporter）的特异性主要由化学元素的电荷决定，离子半径的影响相对较小，一般趋势是半径越大，转运子的选择性越强。

另一种吸收非典型元素的机制可以通过含铁细胞分泌产生，这是微生物细胞捕获金属的一种相关策略。在这种情况下，细胞分泌小分子来结合和螯合金属，根据含铁细胞的不同具有不同的特异性;例子包括结构不同的儿茶酚酸盐、羟酸盐和羧酸盐家族的成员。这种螯合过程增加了金属离子的溶解度，中和了它的电荷，并允许有效地吸收在某些自然环境中通常稀缺的元素。一般来说，非生物元素进入微生物细胞的运输还没有被详细描述过，但似乎相应的摄取机制是通过底物混杂与它们的生物对应物是否一致。在这里，我们关注的是非典型元素一旦进入细胞质后的命运。

甲基化是非生物类金属和金属解毒的常用策略

生物体将非生物元素纳入有机化合物并在其代谢网络中同化的一个简单方式是通过甲基的连接实现，这是一种广泛的、非特异性的活性化学物质解毒策略。这种生化机制似乎与主要属于过渡金属和类金属基团的元素特别相关，因为代谢物生物合成的直接甲基化已被证明，例如，非放射性卤素元素。甲基化之所以成为一种普遍的解毒策略，是因为甲基化物质的活性往往远低于原始化合物(或离子)。因此，与亲本化学物质相比，甲基激活的分子对细胞的代谢负担更轻。金属和类金属元素的情况就是如此，包括砷(As)、铬(Cr)、汞(Hg)、镉(Cd)、钴(Co)和铅(Pb)，已知这些物质的元素形式对活细胞具有相当大的毒性。

这些重金属和类金属元素倾向于与蛋白质、脂质和小代谢物结合，从而导致中枢碳代谢和能量稳态失衡并直接干扰酶的功能和DNA修饰机制。例如，这些活性元素对巯基(-SH)基团的优先靶向作用会影响蛋白质折叠和细胞的整体氧化还原状态，同时产生破坏性活性氧，甲基化已被证明可以抵消其中一些有害影响。甲基化并不是细胞解毒化学元素的唯一方式，还有几种氧化还原酶也执行类似的任务。然而，这些氧化还原依赖的解毒机制(对于给定的化学物质Y)并不包括C-Y键的形成。

甲基化依赖机制为生物合成和生物降解提供了建立合成代谢途径的可能性。例如，细菌、藻类、真菌、植物和哺乳动物很容易接受甲基化的有机砷，如单甲基胂酸[MMA, CH3AsO(OH)2]和二甲基胂酸[DMA，(CH3)2AsO2H]，这两种化学物质被认为比无机亚砷酸(AsO3−)毒性小。最近关于As代谢的研究建立了MMA和DMA的毒性谱，表明含As化学物质对生物过程的影响是有层次的。扩展芳基基团可能是一种有趣的方法，不仅可以用于解毒As，还可以将类金属分子转化为新的有机化合物。As(V)盐具有相似的毒性，但其命运与亚砷酸盐不同:砷酸盐(AsO 3−)可直接通过Embden-Meyerhof-Parnas糖酵解加工，生成1-砷-3-磷酸甘油酸。

1-砷-3-磷酸甘油酸

虽然这种分子被认为在水环境(例如，细胞细胞质)中相对不稳定，但这种转化可以作为As靶点融入生物化学的切入点，前提是这种合成代谢中的其他反应可以维持C-As键。这些机制提供了一种新方法，从污染环境中转化As元素为有机砷化合物(其中一些可用于特定应用，如药物)。此外，由于地下水污染的风险，使用含砷农药一直存在很大争议。在这种情况下，可以利用合成代谢从受污染的水中吸收含As物质，将类金属物质以有机形式固定在工程微生物中，以实现清洁和修复目的。