合成生物学在医药及能源领域的应用

合成生物学是以工程学思想为指导,对天然生物系统进行重新设计与改造,同时设计并合成新的生物元件、模块和系统的崭新学科。合成生物学是自然科学发展到现阶段的产物,并已经在医药、能源等领域取得了一些显著成果。本文综述了在工程细胞中利用合成生物学方法构建抗疟疾药物青蒿素的前体物青蒿二烯,抗癌药物紫杉醇的前体物紫杉二烯,以及脂肪酸酯、脂肪醇、高级醇的合成途径等研究进展。此外,一些重要的合成生物学相关技术,大大加速工程细胞的重构与进化,为构建应用于生产领域的新功能细胞提供方便实用的工具。     

微生物合成2,3-丁二醇的代谢工程

2,3-丁二醇（2,3-BD）是一种重要的微生物代谢产物,广泛应用于食品、医药、化工等多个领域。微生物合成2,3-BD的效率不高一直制约着其生物制造工业化进程,应用代谢工程的理论和方法优化微生物的代谢途径有望解决这一问题。本文全面总结了近年来微生物合成2,3-BD研究过程中的菌株改造和构建技术,包括过表达合成途径中的关键酶编码基因、敲除旁路代谢途径关键酶编码基因、应用辅因子工程手段对天然菌株代谢网络进行重新设计和合理改造,以及利用合成生物学技术在模式菌株中构建全新的代谢途径,实现2,3-BD的高效生物合成。最后,本文对未来的研究方向进行了展望,提出了进一步利用先进的合成生物学方法构建高效细胞工厂的指导性建议。     

微生物合成2,3-丁二醇的代谢工程

2,3-丁二醇(2,3-BD)是一种重要的微生物代谢产物,广泛应用于食品、医药、化工等多个领域。微生物合成2,3-BD的效率不高一直制约着其生物制造工业化进程,应用代谢工程的理论和方法优化微生物的代谢途径有望解决这一问题。本文全面总结了近年来微生物合成2,3-BD研究过程中的菌株改造和构建技术,包括过表达合成途径中的关键酶编码基因、敲除旁路代谢途径关键酶编码基因、应用辅因子工程手段对天然菌株代谢网络进行重新设计和合理改造,以及利用合成生物学技术在模式菌株中构建全新的代谢途径,实现2,3-BD的高效生物合成。最后,本文对未来的研究方向进行了展望,提出了进一步利用先进的合成生物学方法构建高效细胞工厂的指导性建议。     

放线菌聚酮类化合物的合成生物学研究及生物制造

聚酮化合物具有广泛的药用活性和极高的经济价值,但如何高效、经济、绿色、环保地合成聚酮化合物是目前急需解决的问题。随着合成生物学的发展及分子生物学技术的进步,不断有新的技术和策略被用于聚酮化合物的生物制造。本文介绍了聚酮化合物生物制造中的关键酶、前体物质及代谢途径等,分析了通过CRISPR技术及翻译后修饰代谢工程优化代谢调控网络;通过替换及优化启动子等手段改造与优化代谢途径;通过构建简单、高效的异源表达系统等策略提高聚酮化合物的生物制造效率等。在此基础上对红霉素、阿维菌素、多杀菌素的合成生物学研究的最新进展进行了总结,进而对当前聚酮化合物生物制造面临的产量及效率低下等问题和可能的解决途径,如平衡初级代谢与次级代谢,构建新型、优势底盘细胞及代谢网络的重新设计与改造等进行了展望。     

大肠杆菌乙酰辅酶A代谢调控及其应用研究进展

利用生物法合成生物基化学品具有高效、绿色、可持续发展等优势。乙酰辅酶A作为细胞内物质代谢的重要中间产物,是利用生物转化法合成许多生物基化学品的重要前体,在微生物碳代谢过程中发挥着枢纽作用。本文综述了大肠杆菌乙酰辅酶A的合成、代谢调控策略及其重要应用,重点总结了乙酰辅酶A的合成途径及近期发展的提高乙酰辅酶A胞内通量的代谢调控策略,包括乙酸途径的代谢调控、丙酮酸合成乙酰辅酶A途径的代谢调控、中心碳代谢途径的代谢调控、β氧化合成乙酰辅酶A途径的代谢调控和乙酰辅酶A合成新途径的发掘,进一步展望了提高乙酰辅酶A供给的策略,利用基因组编辑技术构建合成乙酰辅酶A为前体化学品细胞工厂的方法。     

甲基营养型大肠杆菌构建策略的研究进展

利用微生物细胞工厂实现原料转化和产品合成是绿色生物制造的核心。然而,当前生物制造仍以富含糖类的谷物粮食为主要原料,存在“与民争粮”的争议,亟需开发非粮原料。甲醇作为煤化工产业中的重要产品,具有来源广、价格低、还原性强等优势,有替代粮食原料的潜力。天然甲基营养菌可利用甲醇生产单细胞蛋白和各种氨基酸,但存在理论收率低、遗传改造工具不足等缺点。随着合成生物学的发展,以大肠杆菌等模式生物作为底盘细胞构建人工甲基营养菌,实现甲醇到各种化学品的生产已成为研究热点。本文总结了多种甲基营养型大肠杆菌的构建策略,明确了影响天然路径代谢的关键因素与代谢过程中的重要中间产物,概括了各种天然路径在大肠杆菌中的优化策略与人工新路径的构建方法,并对工程菌株的优化提出了展望。     

遗传改造Klebsiella pneumoniae提高1,3-丙二醇产量的研究进展

1,3-丙二醇是合成聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的重要原料.与化学法相比,微生物发酵生产1,3-丙二醇因对环境友好而成为当今研究热点.本文作者以肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)为表达宿主,从代谢途径、表达宿主、载体构建和关键酶基因等方面,综述了发酵菌种遗传改造的研究进展,并对一些新的菌种筛选和改造方法进行了讨论.     

合成生物学研究进展

合成生物学是以工程化设计思路,构建标准化的元器件和模块,改造已存在的天然系统或者从头合成全新的人工生命体系,实现在化学品合成(包括材料、能源和天然化合物)、医学、农业、环境等领域的应用。人们利用基本的生物学元件设计和构建了基因开关、振荡器、放大器、逻辑门、计数器等合成器件,实现对生命系统的重新编程并执行特殊功能。模块化处理生物的代谢途径,并在底盘细胞上进行组装和优化,可以实现大宗化学品和精细化学品的合成。目前人们已经在丁醇、异丁醇、青蒿素和紫杉醇等化合物的生物合成上取得了重要进展。近年来还发展了多种基因组编辑和组装技术,可精确地对基因组进行编辑,人们还成功地合成了噬菌体基因组、支原体基因组和酵母基因组。在未来的50～100年内,合成生物学将对人类的医疗、化学品制造(含药品)、军事产生渐进性的、渗透性的但颠覆性的意义。     

好氧性嗜甲烷菌生物能供给与调控的研究进展

为应对温室气体过度排放所带来环境和能源挑战，甲烷生物转化成为一种新颖的、具有潜力的解决方案。由于好氧性嗜甲烷菌能够利用其天然甲烷代谢途径完成甲烷的氧化和同化，使其在全球碳循环中发挥着重要的作用。随着生物制造技术的不断发展，好氧性嗜甲烷菌已被开发为合成生物基化学品的必要平台。目前，利用基因尺度代谢模型、多组学分析和代谢工程改造已对好氧性嗜甲烷菌的能量代谢和还原力供给进行了系统的解析和优化。本文首先从底物水平磷酸化和氧化磷酸化两个关键途径，概述了好氧性嗜甲烷菌能量供给与代谢通量的互作关系，然后重点介绍和讨论了能量流和碳-氮代谢之间调控策略以及最新研究进展，最后展望了好氧性嗜甲烷菌在生物能供给强化、工具和策略的发展方向和面临的挑战，为构建高效的嗜甲烷菌细胞工厂提供了理论依据和实践指导。     

生物基化学品的微生物电合成研究进展

微生物电合成是结合微生物学与电化学的新兴研究方向。电化学活性菌株以直接或间接的方式吸收人工提供的外源电子,打破胞内代谢原有的氧化还原平衡,定向催化底物合成还原性目的产物。近年来,基于生物基化学品的微生物电合成取得广泛关注。本文综述了生物基化学品微生物电合成的基本原理及最新研究进展,并讨论了电化学活性菌株的种类、电子传递机制以及典型的菌株培养方式,同时结合菌株代谢途径,讨论了微生物电合成促进乙酸、1,3-丙二醇、丁醇、琥珀酸等生物基化学品的作用机理及研究现状。最后指出了电子传递机制、电子传递效率及成本是限制该技术发展的关键问题及未来的发展趋势,旨在推动该技术应用于生物基化学品的发酵工业中。     

Application of synthetic biology in manufacture of bio-based plastics

Synthetic biology is a new discipline that uses engineering ideas as a guide to transform and reconstruct natural biological genomes, synthesize new biological components, construct new metabolic routes, and produce novel products or obtain new phenotypes. Bio-based plastics are plastics produced under the action of microorganisms or the chemical reactions using natural materials as raw materials. The usage of synthetic biology to construct engineered strains to produce bio-based plastics has become a hot topic in academia and industry. This paper reviews the development of synthetic biology and important techniques in the field of synthetic biology, focusing on the research progress in the field of metabolic pathways and engineering optimization for the construction of bio-based plastic polymer monomers and derivatives such as polyhydroxyalkanoate, nylon, polylactic acid, and butylene glycol succinate using synthetic biological techniques.     

Engineering Bacterial Cellulose by Synthetic Biology

Synthetic biology is an advanced form of genetic manipulation that applies the principles of modularity and engineering design to reprogram cells by changing their DNA. Over the last decade, synthetic biology has begun to be applied to bacteria that naturally produce biomaterials, in order to boost material production, change material properties and to add new functionalities to the resulting material. Recent work has used synthetic biology to engineer several Komagataeibacter strains; bacteria that naturally secrete large amounts of the versatile and promising material bacterial cellulose (BC). In this review, we summarize how genetic engineering, metabolic engineering and now synthetic biology have been used in Komagataeibacter strains to alter BC, improve its production and begin to add new functionalities into this easy-to-grow material. As well as describing the milestone advances, we also look forward to what will come next from engineering bacterial cellulose by synthetic biology.     

Recent advancements in bioreactions of cellular and cell-free systems: A study of bacterial cellulose as a model

Conventional approaches of regulating natural biochemical and biological processes are greatly hampered by the complexity of natural systems. Therefore, current biotechnological research is focused on improving biological systems and processes using advanced technologies such as genetic and metabolic engineering. These technologies, which employ principles of synthetic and systems biology, are greatly motivated by the diversity of living organisms to improve biological processes and allow the manipulation and reprogramming of target bioreactions and cellular systems. This review describes recent developments in cell biology, as well as genetic and metabolic engineering, and their role in enhancing biological processes. In particular, we illustrate recent advancements in genetic and metabolic engineering with respect to the production of bacterial cellulose (BC) using the model systems Gluconacetobacter xylinum and Gluconacetobacter hansenii. Besides, the cell-free enzyme system, representing the latest engineering strategies, has been comprehensively described. The content covered in the current review will lead readers to get an insight into developing novel metabolic pathways and engineering novel strains for enhanced production of BC and other bioproducts formation.     

微生物法生产1,3-丙二醇过程的代谢工程研究进展

代谢工程在微生物发酵法生产化工产品的过程中扮演着越来越重要的角色. 本研究以生物法生产1,3-丙二醇所涉及的关键酶、代谢途径及其改造为考察对象,系统综述了微生物法生产1,3-丙二醇所涉及的代谢工程技术、最新应用情况及其进展,并展望了未来的发展趋势.     

生物制造过程中的微生物生长与调控

提高生物基产品的产量和生产效率是生物制造发展的目标。由于微生物具有生长快、营养要求简单和基因操作简便等特点,常用作生物基产品制造过程中的底盘宿主,因此,产品制造过程中微生物细胞的生长与调控尤为重要,其生长调控会直接或间接地影响生物基产品的合成效率。微生物的生长不仅受外界环境如温度、溶氧量、pH等的影响,而且还受微生物本身的生长与调控机制如细胞分裂调控、必需基因表达调控、程序化死亡等的影响。本文综述了利用分子生物学、合成生物学和系统生物学等方法对微生物细胞生长和分裂过程进行分子调控,以提高生物反应速率和目标产物的产量,为化工、食品、生物医药以及环境保护等领域构建高效的生物制造工艺提供新思路。     

Efficient production of chemicals from microorganism by metabolic engineering and synthetic biology

The use of traditional chemical catalysis to produce chemicals has a series of drawbacks, such as high dependence on fossil resources, high energy consumption, and environmental pollution. With the development of synthetic biology and metabolic engineering, the use of renewable biomass raw materials for chemicals synthesis by constructing efficient microbial cell factories is a green way to replace traditional chemical catalysis and traditional microbial fermentation. This review mainly summarizes several types of bulk chemicals and high value-added chemicals using metabolic engineering and synthetic biology strategies to achieve efficient microbial production. In addition, this review also summarizes several strategies for effectively regulating microbial cell metabolism. These strategies can achieve the coupling balance of material and energy by regulating intracellular material metabolism or energy metabolism, and promote the efficient production of target chemicals by microorganisms.