梁克明、黃偕倫、張珮菁 / 工研院材化所
微量生物反應器在生物合成芳香族化合物的應用開發中具有卓越的潛力。該技術具備高通量篩選能力、精確條件控制及動態監測等優勢，可顯著提升實驗效率並降低成本。利用微量生物反應器，還能快速優化菌株代謝工程設計，具高效率篩選，並實現對反應過程的實時監測。此平台還支持多樣化的微生物和反應物應用，促進新型芳香族化合物的合成路徑開發，為工業化生產提供有價值的數據支持。
【內文精選】
前 言
微量生物反應器(Microbioreactor)作為一種創新技術，因其低消耗、高通量和精準控制的特點，在產物合成效率提升和培養條件優化方面具有巨大潛力。微量生物反應器的核心優勢在於其微型化設計，使其能夠在小體積內實現高效能反應條件測試，從而顯著加速參數篩選與製程開發過程。此外，微量反應器的模塊化結構和精密監控能力，能有效模擬微生物代謝過程中的微環境變化，為芳香族化合物之高效的生物合成提供了理想的平台。因此，微量生物反應器在芳香族化合物生物合成的應用，從菌株選擇、代謝途徑設計到反應條件優化，由系統評估其在提升產量、降低成本和環境友好方面的表現，將為可持續的化學品生產提供新思路，並推動微量反應器技術在生物合成領域的更廣泛應用(圖一)。
圖一、菌株建立放大生產製程前期，使用微量生物反應器進行篩選與評估操作條件
生物合成芳香族化合物技術現況
1. 生物合成芳香族化合物代謝途徑
石油衍生化學品在現代社會中至關重要，因為它們在製造燃料、溶劑和材料等方面有著很高需求量。為了因應全球氣候變遷和未來石化資源有限等相關的重大問題，人們付出了大量努力來開發能夠從再生資源生產各種化學品和材料的微生物菌株。過去幾年，在開發可生產芳香族化合物的微生物方面有了很大的進步。
微生物利用醱酵製程技術可使菌株有較高生長速率，並有高產量的生物合成化合物，且可放大量產；它們還能在多種不同豐富且廉價的原料培養基中生長。然而，有些化合物並非微生物的天然產物，即使產生，產量也非常低。為了實現生產非天然產物，有必要功能性地整合異源代謝路徑或基因改造微生物宿主。許多細菌會透過合成芳香族胺基酸的途徑，又稱為莽草酸途徑(Shikimate Pathway)(圖二)，進行包含L-苯丙胺酸(L-Phenylalanine; L-Phe)、L-色胺酸(L-Tryptophan; L-Trp)和L-酪胺酸(L-Tyrosine; L-Tyr)自然生產芳香族胺基酸---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、微生物體內莽草酸代謝途徑。磷酸烯醇式丙酮酸(Phosphoenolpyruvic Acid)、赤藻糖-4-磷酸(Erythrose 4-Phosphate)、莽草酸(Shikimate)、分支酸(Chorismate)、苯丙胺酸(Phe)、酪胺酸(Tyr)、色胺酸(Trp)
★本文節錄自《工業材料雜誌》459期，更多資料請見下方附檔。