合成生物学的主要工具包括微生物细胞工厂构建技术、微生物高效合成化学品的代谢调控机制、无细胞合成技术

1微生物细胞工厂构建技术

(1)基因组编辑技术：细胞工厂代谢途径构建及优化的重要技术。通常的基因编辑技术有：Red 同源重组技术、锌指核酸酶技术、转录激活因子效应物核酸酶技术等。这些基因编辑技术在合成生物学的发展中具有“里程碑”式的意义，但存在耗时长、成本高及宿主局限性等缺陷，无法满足高效构建细胞工厂的需求。CRISPR 基因编辑技术具有操作简单、基因编辑效率高、成本低廉等优势，近年来得到了深入的开发，并广泛应用于生物及医药领域。

(2)多基因同时调控技术：高效的产物合成途径不仅受限于某个单一的限速步骤，而是依赖多个酶的协同平衡。虽然通过质粒过表达的方式可以实现单一基因的过表达，但同时也会造成细胞代谢高负荷，对生长代谢和产物合成均不利。通过多基因同时调控技术，可以合理调控代谢途径表达的平衡。

(3)蛋白骨架技术：在细胞工厂的代谢途径中，参与反应的酶与底物之间的距离及合成途径上相邻的酶所处的空间位置是影响代谢途径效率的一个重要因素。通过人工合成蛋白质骨架的技术，使酶按照特定的空间位置锚定在骨架上，可以使相关的酶聚集在特定的区域，增加了酶与底物的结合概率，进而提高产物合成速率。另外，蛋白质骨架也可以调节酶的催化效率，获得最优的催化效率组合，最终提高产物合成效率。

(4)基因动态调控技术：基因动态调控技术的基本思路是：设计人工基因回路，使细胞能够感应外部环境条件的变化，在适当时间开启或关闭基因表达从而实现代谢通路的动态调控。已经建立的基因动态调控技术有：环境信号诱导的表达调控系统(如碳源调控系统、光调控系统和温度调控系统等)和内源信号诱导的表达调控系统( 如群体感应调控系统和压力感应调控系统)。基因动态调控技术为细胞根据外部环境按需调控目的基因表达强度提供了技术方法。

(5)高通量筛选技术：细胞工厂的快速构建离不开高通量筛选技术的助力。微孔板是常用的高通量筛选试验器具，孔板内发生的生物、化学和物理变化事件可以由多功能酶标仪、流式细胞仪、液相色谱仪和质谱仪等检测仪器连续自动化读取。高通量筛选技术已用于基因调控元件强度分析、酶元件的新活性检测、基因线路的活性检测、天然产物的活性筛选等。

2 微生物高效合成化学品的代谢调控机制

(1)物质代谢调控：微生物化学品的合成途径由多步生化反应组成，参与反应的酶元件与合成途径的适配性，影响着产物合成的效率。蛋白酶催化活性太低，成为整条途径的限速步骤;蛋白酶催化活性太高，而下游蛋白催化活性又较低，又会造成中间代谢物的积累。某些中间代谢物甚至对细胞会有较大的毒性，影响细胞的生长。

(2)能量代谢调控：还原力和 ATP 是能量代谢的关键调控因素。细胞在代谢葡萄糖等底物时产生还原力，在合成化学品时需要还原力。还原力供给量若小于需求量，会影响化学品的转化率和合成途径效率。另外， 细胞需产生足够的 ATP 供细胞生长和产物合成。

(3)细胞代谢调控：优越的细胞生理性能是获得高效细胞工厂的关键因素之一。耐渗透胁迫是细胞生理性能的重要方面。对于分泌到胞外的大宗化学品，产量越高，渗透胁迫越大，细胞需具备耐渗透胁迫能力才能获得高产量。

3 无细胞合成技术

在体外组装大量酶和辅酶以实现复杂的生物转化，具有反应条件较温和、易于调控、产率高的特点。

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