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。     

合成生物学在生物基塑料制造中的应用

合成生物学是以工程学思想为指导,对天然生物基因组进行改造和重构,合成新的生物元件,构建新的代谢途径,生产新产品或获得新表型的新兴学科。生物基塑料是以天然物质为原料在微生物作用或化学反应下生成的塑料。利用合成生物学改造工程菌株的方法制备合成生物基塑料已经成为学术界和产业界关注的热点。本文综述了合成生物学的发展和重要的合成生物学技术,重点综述了利用合成生物学技术构建聚羟基烷酸酯、尼龙、聚乳酸和丁二酸丁二醇酯等生物基塑料聚合物单体及其衍生物的代谢途径和工程优化领域的研究进展。     

酿酒酵母高效合成萜类化合物的组合调控策略

萜类化合物具有广泛的生理活性与重要的经济价值,利用酿酒酵母进行萜类合成具有低价、高效等优势。然而部分植物源合成萜类的关键酶在酿酒酵母中难表达、产量低,难以工业应用,因此有效的调控策略显得至关重要。本文从萜类化合物在酿酒酵母中的合成途径入手,介绍了关键酶、代谢途径、CRISPR基因编辑系统和人工合成染色体技术4个方面的调控策略在酿酒酵母合成萜类化合物中的应用。阐述了关键酶的筛选、改造,理性与非理性设计,MVA途径、乙酰辅酶A合成途径与亚细胞结构的代谢途径改造的优势。指出了多重调控策略组合调控的方式是实现酿酒酵母高效合成萜类化合物的有效方法。此外,CRISPR基因编辑系统与人工合成染色体技术的快速发展将为酿酒酵母细胞工厂的深入开发与利用提供有力工具。     

酿酒酵母细胞表达异源萜类化合物的研究进展

萜类化合物具有可观的经济价值,但是目前的生产过程复杂、产量低。酿酒酵母甲羟戊酸途径为萜类化合物的合成提供直接前体,因此酿酒酵母细胞具有合成异源萜类化合物的天然优势。对酿酒酵母甲羟戊酸途径的清晰认识是对其进行有效利用的基础,本文从代谢途径、关键酶的特点和全局调控机制3个方面对该途径进行了介绍。从代谢途径的构建和优化、模块与底盘细胞的适配、模块构建及组装方式的角度概述了酿酒酵母细胞异源合成单萜、倍半烯萜、二萜、三萜类化合物的研究进展。指出实现酿酒酵母高效合成萜类化合物所需要解决的基础问题是对酿酒酵母甲羟戊酸途径进行更为全面了解和对萜类化合物的天然代谢途径进行明确解析;另外,合成生物学的进一步发展也将为此提供应用基础。     

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。     

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。     

生物法生产3-羟基丙酸研究进展

3-羟基丙酸（3-hydroxypropionic acid,3-HP）是一种具有末端羟基与羧基双活性基团、应用广泛的有机酸,生物法合成3-HP具有高效、绿色、可持续发展等优势。本文分析了生物法生产3-HP的主要合成途径、主要生产菌种及菌株改造、发酵工艺优化3个方面的研究进展。重点介绍了以甘油合成途径、丙二酰辅酶A合成途径、β-丙氨酸合成途径为代表的主要合成途径及相应途径的关键酶;以克雷伯氏肺炎球菌、酵母菌及大肠杆菌为代表的主要生产菌株及其改造策略;包括分批发酵、两阶段发酵及固定化细胞催化等在内的发酵工艺优化策略3个方面的研究内容。最后指出了进一步筛选改造甘油脱水酶等途径的关键酶;基于先进基因组编辑技术开发的非致病性、3-HP高耐受型菌株,挖掘新的3-HP合成途径;开发更加经济、高效、环保的发酵工艺路线,将是今后生物法生产3-HP的研究重点。     

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。     

真菌聚酮合酶及相关化合物的应用

真菌产生的聚酮化合物(Polyketides,PKs)是药物开发的重要来源。聚酮化合物是一类数量庞大、结构和生物活性复杂多样的次级代谢产物(secondary metabolite,SM),由多结构域的大型聚酮合酶(Polyketide synthase,PKS)合成,该酶是代谢过程中催化生成聚酮化合物的关键酶。介绍了真菌聚酮合酶的分类及相关聚酮化合物的应用。     

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.     

Cell-free synthetic biology in the new era of enzyme engineering

With the gradual rise of enzyme engineering, it has played an essential role in synthetic biology, medicine, and biomanufacturing. However, due to the limitation of the cell membrane, the complexity of cellular metabolism, the difficulty of controlling the reaction environment, and the toxicity of some metabolic products in traditional in vivo enzyme engineering, it is usually problematic to express functional enzymes and produce a high yield of synthesized compounds. Recently, cell-free synthetic biology methods for enzyme engineering have been proposed as alternative strategies. This cell-free method has no limitation of the cell membrane and no need to maintain cell viability, and each biosynthetic pathway is highly flexible. This property makes cell-free approaches suitable for the production of valuable products such as functional enzymes and chemicals that are difficult to synthesize. This article aims to discuss the latest advances in cell-free enzyme engineering, assess the trend of this developing topical filed, and analyze its prospects.     

Cell-free synthetic biology in the new era of enzyme engineering

With the gradual rise of enzyme engineering, it has played an essential role in synthetic biology, medicine, and biomanufacturing. However, due to the limitation of the cell membrane, the complexity of cellular metabolism, the difficulty of controlling the reaction environment, and the toxicity of some metabolic products in traditional in vivo enzyme engineering, it is usually problematic to express functional enzymes and produce a high yield of synthesized compounds. Recently, cell-free synthetic biology methods for enzyme engineering have been proposed as alternative strategies. This cell-free method has no limitation of the cell membrane and no need to maintain cell viability, and each biosynthetic pathway is highly flexible. This property makes cell-free approaches suitable for the production of valuable products such as functional enzymes and chemicals that are difficult to synthesize. This article aims to discuss the latest advances in cell-free enzyme engineering, assess the trend of this developing topical filed, and analyze its prospects.     

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。     

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     

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.     

一碳资源在酵母中的利用与转化

在当前日趋严重的气候与能源危机下，传统的化工行业亟需减少对化石燃料的依赖，转而开发利用更为清洁可持续的原料，如包括甲醇、甲酸和二氧化碳等在内的一碳资源。作为真核生物的酵母由于细胞器的存在能够隔绝一碳化合物代谢过程中产生的有毒物质渗入细胞质对细胞产生毒害，在一碳化合物的生物转化中极具潜力。近年来，随着对甲醇代谢途径愈发深入地了解以及遗传操作工具的逐步完善，利用天然甲醇酵母以甲醇作为碳源生产化学品取得了重要进展。同时，开发常用的工业酵母如酿酒酵母、解脂耶氏酵母为人工甲基营养型酵母，实现将一碳资源进行高值化转化也取得了不俗的成就。本文着重讨论了酵母底盘在转化利用一碳原料方面的研究进展，在此基础上讨论并分析了目前一碳资源生物转化存在的瓶颈以及潜在的解决方案，指出随着更多精准高效的工具的开发以及对细胞代谢网络的阐释，依托酵母细胞进行一碳资源的生物转化将在未来的绿色生物制造中扮演越来越重要的角色。