人工代谢路径适配性的研究进展

微生物细胞工厂以可再生资源为原料,实现了大宗化学品和天然产物的可持续生产,并有望替代石油化工炼制和动植物提取。剪接天然或人工代谢路径是构建微生物细胞工厂的基础。然而,剪接代谢路径造成的代谢流扰动,导致微生物细胞工厂的适配性差,降低了微生物细胞工厂的生产性能。提高人工代谢路径之间的适配性,以及人工代谢路径与底盘微生物细胞之间的适配性,将是改善微生物细胞工厂生产性能的关键。本文从强化与平衡人工代谢路径的代谢通量,解除人工代谢路径与底盘细胞内源代谢路径的交互作用,以及强化人工代谢路径与底盘细胞整体代谢网络的适配性层面,对提高微生物细胞工厂适配性的研究现状进行介绍。开发高效的多重适配性调控策略,在细胞水平重置代谢路径的适配性与提高微生物细胞对代谢产物的适配性,将是未来的研究重点。     

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。     

微生物细胞工厂生产化学品的研究进展——以几种典型小分子和大分子化学品为例

微生物细胞工厂的创制和优化改造是绿色生物制造的重要内容。基于构建高效微生物细胞工厂的主要使能技术及其新发展,以几种典型小分子和大分子化学品为例,综述了微生物细胞工厂生产化学品的研究进展。讨论了启动子工程、代谢流分析等经典的使能技术和CRISPR基因编辑、诱变耦合高通量筛选、基于人工智能的生物信息学等新技术对于微生物细胞工厂构筑的重要作用。分别以有机醇、有机酸、有机胺小分子和多糖、聚酯类生物大分子的微生物合成为例,分析了如何面向不同特点的产物分子,设计实施不同的基因改造策略,并概述了近年来代表性菌株的生产性能。进一步展望了未来微生物细胞工厂生产化学品的总体发展趋势和应用前景。     

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。     

微生物制造绿色化学品研究进展

微生物制造利用生物质和二氧化碳等可再生原料进行化学品的绿色生产，显示出了巨大的二氧化碳减排潜力，是促进实现“碳中和”目标的重要途径，其核心内容之一是高效微生物细胞工厂的设计与构建。综述了基于基因组规模代谢网络模型的代谢流分析和代谢途径预测研究进展；介绍了新型基因组编辑工具助力微生物细胞工厂的高效开发；总结了代谢调控策略用于提升细胞工厂生产能力。此外，还概述了微生物制造关键技术在第三代生物制造中的应用。最后，展望了未来微生物制造在化学品生产中的应用和发展方向。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

基因组再造与重排构建细胞工厂

细胞工厂能利用微生物细胞制备人类所需能源、药物和化学品。底盘细胞和外源代谢路径的适配是构建高效细胞工厂的核心难题。基因组再造指利用化学合成的核苷酸分子“自下而上”构建生物基因组,基因组诱导重排指通过在全基因组尺度进行DNA序列与结构的人为调控。基因组再造和诱导重排实现了对生命体的创造,增强了模式底盘细胞的遗传稳定性和操作柔性。基因组的适度精简和密码子简化改善细胞对底物、能量的利用效率,提高细胞生理性能的预测性和可控性。基因组重排可诱导染色体发生随机删除、复制、移位和倒置等结构变异,可产生大量性状优良的模式底盘细胞,进而加速代谢路径优化,提高路径和底盘细胞的适配性,为人工细胞工厂快速构建和优化提供了新策略。     

微生物细胞工厂中代谢途径动态调控策略与网络构建

微生物细胞工厂生产目标产物时会面临营养物质消耗、代谢物积累、异源途径压力和遗传不稳定等问题,导致代谢失衡,因此需要对细胞代谢途径重新进行设计,使代谢途径根据发酵等环境条件的变化自动调节代谢通量,达到高效生产。本文首先介绍了动态调控元件的主要类型、调控机制及其应用,重点讲述了与诱导物或诱导因素作用的蛋白质转录因子调控元件和RNA核糖开关调控元件;并且从转录因子与启动子序列两个方面介绍了动态调控元件的设计与改造策略;随后总结了诱导调控元件应用于代谢途径动态调控网络构建的策略,基因表达调控已从单输入信号调控转向多输入信号逻辑门调控,通过多重诱导输入信号的逻辑门和闭环代谢物反馈回路构建更精确的动态调控网络。     

微生物合成植物天然产物的细胞工厂设计与构建

植物天然产物结构多样,具有丰富的生理活性与功能。利用微生物细胞工厂生产来源稀缺、获取难度大的植物天然产物具有经济可行、环境友好等优势。本文系统介绍了萜烯、黄酮以及生物碱的生物合成途径及其关键酶,阐述了差异转录组学、同功酶挖掘等途径解析与重构的方法。指出关键酶改造、途径动态调控、代谢区室化与代谢网络再平衡是增大外源途径代谢通量、抑制副产物合成、降低产物毒性与菌株代谢负担、提高目标产物合成能力的有效策略。提出了解析合成植物天然产物关键酶在微生物中的催化特异性机制、开发外源途径的高效组装方法等进一步提高微生物细胞工厂生产效率的建议。     

Metabolic engineering strategies in biosynthesis of amino acids and their derivatives

The industrial production of amino acids has a history of more than 100 years, and is mostly used in animal feed and food additives. Many types of amino acids such as L-cysteine, β-alanine, S-adenosylmethionine, 4-hydroxyisocyanine acid and homoserine also have broad applications. Plant extraction and chemical synthesis are the commonly used methods to produce these amino acids and their derivatives. Compared with the way of chemical synthesis or separation and extraction, the use of microbial cells as a platform for the production of amino acids and derivatives has unique advantages such as green safety and sustainability. This review highlights the recent advances in developing metabolic engineering strategies including increase of the carbon sources uptake rate, elimination of the rate-limiting steps, enhancement of the carbon flux through the target pathway, remove of the feed-back inhibition effect and regulation of the intermediates and products transportation for biological production of amino acids and their derivatives. Our goals are to provide a landscape of current works and present guidelines to address future challenges in biosynthesis of amino acids and their derivatives using engineered microorganisms.