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。     

酿酒酵母乙酰辅酶A精细调控合成萜类化合物研究进展

酿酒酵母作为细胞工厂被用来生产多种萜类化合物。乙酰辅酶A为合成萜类化合物的基本前体,细胞质乙酰辅酶A供应不足会导致目标产物产量较低,调控乙酰辅酶A合成是构建目标萜类化合物高产合成途径的重要手段。本文介绍了酿酒酵母乙酰辅酶A作为重要中心碳代谢分子,主要在细胞核组蛋白乙酰化、细胞质丙酮酸脱氢酶支路、线粒体三羧酸循环和过氧化物酶体乙醛酸循环中参与的代谢过程。总结了通过强化酿酒酵母内源丙酮酸脱氢酶支路,引入低三磷酸腺苷（ATP）消耗的异源乙酰辅酶A合成途径,增加辅酶A合成和利用线粒体乙酰辅酶A含量高且对其不渗透的特性进行区域化合成以提高乙酰辅酶A含量的代谢工程策略,旨在为酿酒酵母萜类化合物的高效合成提供借鉴。     

动态转录调控微生物代谢途径研究进展

传统的微生物代谢工程主要是通过过表达或敲除关键基因来实现产物产量最大化,但会造成代谢流失衡,生产效能降低。而对微生物代谢途径进行动态调控可维持细胞生长,平衡代谢流,提高生产效率。本文根据信号分子的来源不同,将微生物在转录水平的动态调控分为两种：一种是在光、温度、化学诱导剂的外源信号刺激下,利用响应该信号的启动子等元件调控下游代谢途径的人工诱导动态调控;另一种为在胞内代谢物水平或细胞密度改变的内源信号感应下,利用启动子、转录因子、核糖核酸开关调节关键基因的细胞自主诱导动态调控。本文同时介绍了转录水平动态调控策略在微生物代谢工程中的应用实例,以期对代谢途径的多个基因实现连续动态表达以及适配表达,有效提高目标产物的产量。     

微生物代谢工程：绘制细胞工厂的蓝图

代谢工程是一种理解并利用代谢过程的方法,其目的是优化或改变生物细胞中的代谢网络和表达调控网络,提高其代谢产物的产量或合成新的化合物.后基因组时代系统生物学和功能基因组学技术的发展,为构建能够实现特定目标的微生物细胞工厂提供了空前机遇.本文回顾代谢工程在技术和应用上的最新进展,讨论代谢工程中的关键问题和发展趋势,并提出中国在该领域的发展策略.     

核糖核酸开关用于微生物细胞工厂的智能与精细调控

利用代谢工程与合成生物技术对细胞内复杂的代谢网络和调控网络进行重构和改造,以建立合成新化合物或提高目标产物产量的微生物细胞工厂是当今绿色化工技术发展的方向之一。微生物代谢途径的调控受环境和遗传的双重影响,细胞通过全局转录因子、信使分子和反馈抑制等方式响应环境变化来维持细胞的内稳态;同时细胞还受自身遗传基因线路的调控,在转录、翻译以及翻译后修饰过程中调控特定基因的表达。核糖核酸开关是一类调控基因线路表达的RNA元件,通过与金属离子、糖类衍生物、氨基酸、核酸衍生物以及辅酶等特异性配体结合发生的构象变化,从而启动或阻断mRNA的转录、翻译、拼接等过程来调控基因的表达。核糖核酸开关作为天然的生物感受器和效应器通过人工设计可成为微生物细胞工厂智能化和精细化调控的分子工具,并在化工、医药、环保、食品等领域得到广泛应用。     

多元模块工程在代谢工程中的应用与研究进展

随着代谢工程理论体系的发展,代谢工程的研究方法目前已从对单一途径的调控转变为对整个代谢网络的全局调控。同时,为了在工业微生物领域实现与化学工业生产规模相当的生物炼制过程,代谢工程需要一套通用的菌株优化策略。其中关键问题之一,是解决代谢通量的不平衡。本文介绍了基于传统的理性代谢工程与近年来兴起的组合工程中存在的问题,研究者提出了一种模块化的代谢网络优化策略--多元模块工程（multivariate modular metabolic engineering,MMME）。阐述了多元模块工程的原理和方法,列举了其常用的调控技术和手段,在此基础上综述了近年来模块化策略在代谢工程领域的应用进展,提出了该策略面临的主要问题并展望了其未来的发展方向。     

大肠杆菌生产CoQ10的代谢工程研究进展

随着对CoQ生物合成途径及其调控机制的深入研究,利用代谢工程的方法定向地改良菌种,优化CoQ10的代谢途径,成为提高CoQ10发酵水平的新思路。本文总结了重组大肠杆菌生产CoQ10过程中其代谢途径及其途径修饰的研究进展,分析了生产CoQ10的代谢工程限制因素,提出了利用重组大肠杆菌生产CoQ10的代谢工程策略。     

微生物细胞工厂碳流调控进展

随着代谢工程技术的进步,越来越多微生物细胞工厂可用于化学品发酵生产。微生物细胞生产化学品具有生产条件温和、环境友好等优势,是实现化学品绿色可持续生产的重要手段。为了提高微生物细胞工厂的产量、得率和生产强度,传统代谢工程手段主要采用基因过表达或基因敲除方式增大目标代谢路径碳代谢流。然而由于代谢流调控精度不足,易导致细胞生产能力下降。本文主要针对微生物细胞工厂碳流调控中存在的瓶颈问题,从代谢流改造靶点选择、细胞生长与产物合成碳流平衡、副产物路径与产物合成竞争、产物合成效率强化四个角度,系统综述微生物细胞工厂碳代谢流调控的最新进展。并从高精度、仿生学、智能化、多任务、快响应调控工具的设计出发,对未来微生物细胞工厂的发展趋势进行展望。     

动态调控元件及其在微生物代谢工程中的应用

代谢工程是通过对代谢途径的设计、构建与优化,进行营养品、药品、生物燃料以及化工产品等各种生物基产品合成的关键技术。传统的改造策略如基因的敲除、弱化与过表达会造成代谢流的失衡,而利用微生物自身的调控方式和调控元件,构建合成调控元件,对代谢途径进行动态调控,可以平衡细胞生长与产物合成,从而实现高产量、高底物转化率与高生产强度的统一。利用微生物在转录水平对于外界环境以及胞内代谢物浓度的变化的响应机制,以及在转录后水平通过顺式及反式作用元件的调控,和在蛋白质水平通过途径酶的别构调节以及对蛋白质降解速率的调节,都能开发出相应的动态调控元件并对微生物的代谢进行动态调控。本文分别从转录水平、转录后水平及蛋白质水平3个层次总结了目前常见的一些动态调控元件,并对其在微生物代谢工程中的应用进行了介绍。     

动态调控元件及其在微生物代谢工程中的应用

代谢工程是通过对代谢途径的设计、构建与优化,进行营养品、药品、生物燃料以及化工产品等各种生物基产品合成的关键技术。传统的改造策略如基因的敲除、弱化与过表达会造成代谢流的失衡,而利用微生物自身的调控方式和调控元件,构建合成调控元件,对代谢途径进行动态调控,可以平衡细胞生长与产物合成,从而实现高产量、高底物转化率与高生产强度的统一。利用微生物在转录水平对于外界环境以及胞内代谢物浓度的变化的响应机制,以及在转录后水平通过顺式及反式作用元件的调控,和在蛋白质水平通过途径酶的别构调节以及对蛋白质降解速率的调节,都能开发出相应的动态调控元件并对微生物的代谢进行动态调控。本文分别从转录水平、转录后水平及蛋白质水平3个层次总结了目前常见的一些动态调控元件,并对其在微生物代谢工程中的应用进行了介绍。     

丹参水溶性成分生物合成途径及其调控研究进展

介绍了丹参水溶性成分的种类、生物合成途径及代谢调控基因工程等方面的研究进展,为全面认识丹参水溶性化合物的生物合成途径,通过基因工程技术提高紫丹参中酚酸类化合物的含量,促进野生植物资源可持续利用等提供理论依据。     

植物次级代谢产物研究

近年来，人们对植物的次级代谢过程以及代谢产物进行了研究，并取得了较大的进展，研究表明，可以用基因编码的生物合成酶和基因编码的诱变蛋白来改变不同的合成路径，而且还使用抗敏抑制竞争性路径，依此来提高目标次级代谢产物的产率^[1]。     

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。     

How Light Reactions of Photosynthesis in C4 Plants Are Optimized and Protected under High Light Conditions

Most C4 plants that naturally occur in tropical or subtropical climates, in high light environments, had to evolve a series of adaptations of photosynthesis that allowed them to grow under these conditions. In this review, we summarize mechanisms that ensure the balancing of energy distribution, counteract photoinhibition, and allow the dissipation of excess light energy. They secure effective electron transport in light reactions of photosynthesis, which will lead to the production of NADPH and ATP. Furthermore, a higher content of the cyclic electron transport components and an increase in ATP production are observed, which is necessary for the metabolism of C4 for effective assimilation of CO₂. Most of the data are provided by studies of the genus Flaveria, where species belonging to different metabolic subtypes and intermediate forms between C3 and C4 are present. All described mechanisms that function in mesophyll and bundle sheath chloroplasts, into which photosynthetic reactions are divided, may differ in metabolic subtypes as a result of the different organization of thylakoid membranes, as well as the different demand for ATP and NADPH. This indicates that C4 plants have plasticity in the utilization of pathways in which efficient use and dissipation of excitation energy are realized.     

Expanding the repertoire of aromatic chemicals by microbial production

Microbial production of aromatic chemicals would greatly contribute to solving the problems with fossil resource supply and environmentally sustainable development. Engineering and extending the shikimate/aromatic amino acid biosynthetic pathways are important routes for microbial production of various aromatic chemicals. With advances in metabolic engineering and synthetic biology, we can broaden the product spectrum and obtain several valuable and novel aromatic chemicals from renewable feedstocks. Here, in this review, the latest research progress on microbial production of various aromatic chemicals, and recent metabolic engineering and synthetic biology strategies targeting the central carbon metabolism, the shikimate and aromatic amino acid biosynthetic pathways are summarized and discussed. This work aims to provide some valuable tips for the construction of cost‐effective engineered strains for producing various aromatic chemicals. © 2018 Society of Chemical Industry     

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。     

乳酸生产中的微生物代谢工程

从代谢工程的角度综述了同型及异型乳酸发酵的代谢途径、乳酸菌代谢模型、乳酸脱氢酶在乳酸生产方面的应用、米根霉发酵生产乳酸的代谢工程和基因工程阻断乙醇代谢途径改造乳酸的生产过程等方面的研究进展,讨论了生物信息学及环境胁迫对乳酸代谢的影响,展望了乳酸的微生物代谢工程的发展趋势.     

Teaching cellular metabolism using metabolic model simulations

Teaching biology contents to chemical engineers is usually a challenging task, as it generally does not fit well to the quantitative approach with which engineering students are familiar. Here, we show that quantitative aspects of cellular metabolism can be explored using simulation tools, contributing to the engagement of students regarding this topic. Using OptFlux, an open-source software tool developed for metabolic engineering research, the students simulated the behavior of Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae cells under different environmental conditions. Exploring the user-friendly features of OptFlux, we present a set of four simulation tasks where the students are encouraged to discuss fundamental metabolic pathways such as glycolysis and the TCA cycle, the effect of genetic modifications on carbon flux redistribution through the metabolic network, and other important aspects of cell metabolism. The responses of the students to a questionnaire regarding the suitability of using OptFlux as an educational tool showed that their overall opinion was highly positive. Most students had no difficulties using the software and believed that the proposed exercises using OptFlux constituted a good strategy for teaching and reviewing cell metabolism concepts. Given these results, we believe that this alternative approach is a useful methodology for engaging students and facilitating the teaching of cellular metabolism to chemical engineers.     

Aging-Related Metabolic Dysfunction in the Salivary Gland: A Review of the Literature

Aging-related salivary dysfunction commonly induces the poor oral health, including decreased saliva flow and dental caries. Although the clinical significance of the salivary glands is well-known, the complex metabolic pathways contributing to the aging-dysfunction process are only beginning to be uncovered. Here, we provide a comprehensive overview of the metabolic changes in aging-mediated salivary gland dysfunction as a key aspect of oral physiology. Several metabolic neuropeptides or hormones are involved in causing or contributing to salivary gland dysfunction, including hyposalivation and age-related diseases. Thus, aging-related metabolism holds promise for early diagnosis, increased choice of therapy and the identification of new metabolic pathways that could potentially be targeted in salivary gland dysfunction.