DNA及基因组改组在代谢工程中的应用

代谢工程是应用分子生物学与反应工程的结合,已发展成为菌种改进的平台技术.后基因组学时代的基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢物组学等为代谢工程的发展提供了极好的机遇.DNA改组及基因组改组可以构建新的代谢途径、对已知或未知的代谢途径进行快速优化,极大地促进了代谢工程的进一步发展和应用.DNA改组及基因组改组技术可以加深对代谢网络及其分子调节机制的理解,是对合理代谢设计策略的完善和补充.本文首先分别介绍了DNA改组、基因组改组在代谢工程中的应用,进而展望了基于基因组改组的代谢工程方法步骤及发展方向.     

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。     

工业微生物还原型辅酶Ⅱ的代谢调控研究进展

还原型辅酶Ⅱ（NADPH）主要参与细胞合成代谢,是微生物代谢网络中含量最丰富的氧化还原辅酶之一。辅酶工程作为代谢工程的重要分支,通过改变微生物胞内辅酶再生途径,进而改变细胞内代谢产物构成。本文在归纳NADPH产生途径和调控的基础上,分析和评述了工业微生物基于辅酶工程的NADPH代谢调控研究进展,包括过量表达NADPH代谢相关酶、敲除NADPH代谢相关基因及引入特定代谢途径等策略,指出今后的研究重点在于深入理解NADPH调控与中心碳代谢网络的相互作用,为利用代谢工程进行细胞工厂改造提供 基础。     

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。     

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。     

功能基因组学与代谢工程：微生物菌种改进与生物过程优化

代谢工程是用现代基因工程技术对细胞性质进行改进.代谢工程包括3个重要步骤：细胞途径的修饰（合成）,修饰后细胞表型的严格评价（表型表征）,根据评价结果设计进一步的修饰（优化设计）.其中“组学”技术（基因组学、转录物组学、蛋白质组学、代谢物组学、代谢通量组学等）在表型表征中起着极为重要的作用.此外,由于细胞的性质不仅与其基因组密切相关,而且也与细胞所处的微观及宏观环境条件（底物种类与浓度、pH、温度、溶氧、生物反应器的混合与传递特性等）密切相关,因此在菌种改进过程中就要密切结合这些实际的环境条件对所得的菌株用上述“组学”技术进行表型表征,从而使所开发的代谢工程菌株满足包括环境条件影响在内的整个生物加工过程优化的需要.本文结合国际上的发展及作者的研究实践,综述了近几年基于功能基因组学的代谢工程研究发展情况.     

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。     

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。     

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。     

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.     

Dynamic models of metabolism: Review of the cybernetic approach

The cybernetic approach to metabolic modeling tracing its progress from its early beginnings to its current state with regard to its relationship to other modeling approaches, applications to bioprocess modeling, metabolic engineering, and future prospects are described. The framework is shown to handle large metabolic networks in making dynamic predictions from limited data with looming prospects of extending to genome scale networks. © 2012 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2012     

外部代谢物模拟在代谢工程中的应用指导

外部代谢物是代谢网络模型中通过添加运输反应来平衡其在菌体内的通量的一类代谢物,比如底物、产物或副产物、信号分子等。首次通过对模型中运输反应的模拟来预测大肠杆菌和枯草芽孢杆菌在不同的生长状态下外部代谢物的优先排出顺序。部分模拟结果已经通过实验和文献数据得到证实。这一分析对应用代谢工程技术提高目标产物的产量有很大的指导意义。     

生物信息学用于代谢网络研究的进展与展望

如何分析基因测序和高通量分析方法所获得的海量数据和信息,及由此而得到的复杂生物网络,是生物信息学研究者所面临的重要任务.本文综述了基于基因组的大规模代谢网络重建和分析的进展,论述了利用生物信息学方法分析代谢网络结构的主要方法和结果;比较了现阶段两种最常用的代谢途径分析方法,即基元模式和极端途径的差异;列举了这两种方法在代谢网络结构和功能分析、工程菌设计等多方面的重要应用;指出了现阶段在途径分析领域存在的问题和应对的策略.     

Metabolic engineering challenges in the post-genomic era

Metabolic engineering is a young field, just over ten-years old. During this period, it has developed a well-defined methodology and a focused research portfolio of rich intellectual content and particular relevance to biotechnology and biological engineering. New and diverse opportunities for metabolic engineering emerge quickly in this genomic era. Although the focus (e.g. improving cells) and central components (e.g. assessing cell physiology) of metabolic engineering remain the same, new tools are required to take advantage of the opportunities arising from the availability of whole-genome sequence information. Cellular phenotype is a manifestation of gene expression levels, metabolic demand, resource availability, and cellular stresses. Above all, metabolic function is constrained by the stoichiometry and individual reaction kinetics of the reaction network. To understand the behavior of these systems, the well-established framework of reaction engineering must be complemented with new experimental methods specifically designed for the elucidation of metabolic pathways and bioreaction networks. Most of all, a combination of rational and combinatorial approaches is required to effectively sample and map as much of the metabolic space as possible.The above framework along with important tools of metabolic engineering will be reviewed in this article. We will then show their application to case studies of industrial and medical interest while emphasizing the strong influence and links of metabolic engineering to chemical reaction engineering.     

代谢工程的发展现状和未来

代谢工程采用基因工程技术对细胞内的代谢通量进行重新设计，该文讨论了代谢工程的发展以及三种主要的定量分析方法，并提出了需要进一步深入研究的问题及生化工作者应在代谢工程研究中作出的贡献。     

Graph theory augmented math programming approach to identify minimal reaction sets in metabolic networks

Bioprocesses are of growing importance as an avenue to produce chemicals. Microorganisms containing only desired catalytic and replication capabilities in their metabolic pathways are expected to offer efficient processes for chemical production. Realizing such minimal cells is the holy grail of metabolic engineering. In this paper, we propose a new method that combines graph-theoretic approaches with mixed-integer liner programming (MILP) to design metabolic networks with minimal reactions. Existing MILP based computational approaches are computationally complex especially for large networks. The proposed graph-theoretic approach offers an efficient divide-and-conquer strategy using the MILP formulation on sub-networks rather than considering the whole network monolithically. In addition to the resulting improvement in computational complexity, the proposed method also aids in identifying the key reactions to be knocked-out in order to achieve the minimal cell. The efficacy of the proposed approach is demonstrated using three case studies from two organisms, Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae.