合成生物系统构建与绿色生物“智”造

微生物细胞工厂生产化学品是解决能源和环境问题的有效方式之一。越来越多的化合物可通过合成生物系统实现在微生物中的合成,但菌株的生产能力和鲁棒性仍需进一步提高。提高细胞工厂的智能化,实现生物“智”造过程,将是解决菌株发酵生产能力不足和鲁棒性差的重要途径。本文从蛋白质设计的智能化、生物传感器的智能化、代谢调控的智能化、菌株进化的智能化以及发酵过程智能化等五个层面对生物“智”造的研究现状进行介绍。生物“智”造的发展将为提高工业生物过程的生产水平和过程节能减排做出重要贡献。     

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。     

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。     

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。     

微生物细胞工厂的智能设计进展

在细胞工厂构建中设计-构建-测试-学习（design-build-test-learn,DBTL）循环是开发微生物细胞工厂的基本研究思路,其中设计环节尤为重要,然而传统的微生物细胞工厂设计方法主要依靠经验、费时费力、准确率低,影响了微生物细胞工厂的开发效率。当前,规模越发庞大的生物数据库和人工智能技术推动了微生物细胞工厂智能设计的快速发展,提升了在生物合成途径设计、调控元件设计和全局优化设计等方面的设计效率与应用。本文综述了微生物细胞工厂中途径预测、元件设计和途径与元件的组合三个环节中的智能设计工具,微生物细胞工厂智能设计的飞速发展将对生物制造领域产生变革性的影响。     

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.     

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。     

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。     

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.     

全局转录调控在细胞工厂构建中的应用与进展

全局转录调控是一种通过重新编程基因转录来获得新的细胞表型的重要技术方法。本文介绍了通过DNA重组、易错PCR等技术对细胞中的转录元件进行多轮突变修饰,改变RNA聚合酶的转录效率以及对启动子的亲和能力,在整体水平上使细胞的转录水平发生改变,从而获得更加契合实际需求的细胞表型。指出全局转录调控技术不仅可以快速优化代谢途径、提高目标化合物的产量,亦可提高菌株耐受性,在代谢工程领域具有独特的优势,并已被成功应用于不同化合物的细胞工厂构建中。     

糖基转移酶在三萜皂苷合成中的应用

三萜皂苷类化合物通常由一个或多个糖基连接在疏水的皂苷元上构成,其作为传统中草药的活性成分有着广泛应用。三萜皂苷类化合物的传统获取方法是从植物中提取,由于植物中三萜皂苷类化合物含量较低,植物生长受到土地资源、气候、环境等因素影响较大,严重制约了其大规模推广和应用。利用合成生物学技术,设计构建微生物细胞工厂合成三萜皂苷类化合物被认为是一种变革性的生产方法,成为新的研究热点。在三萜皂苷类化合物的合成过程中,糖基转移酶起着重要作用。阐述了利用糖基转移酶合成三萜皂苷类化合物的研究进展,为三萜皂苷类化合物的进一步应用提供参考。     

Genetic biosensors for small-molecule products: Design and applications in high-throughput screening

Overproduction of small-molecule chemicals using engineered microbial cells has greatly reduced the production cost and promoted environmental protection. Notably, the rapid and sensitive evaluation of the in vivo concentrations of the desired products greatly facilitates the optimization process of cell factories. For this purpose, many genetic components have been adapted into in vivo biosensors of small molecules, which couple the intracellular concentrations of small molecules to easily detectable readouts such as fluorescence, absorbance, and cell growth. Such biosensors allow a high-throughput screening of the small-molecule products, and can be roughly classified as protein-based and RNA-based biosensors. This review summarizes the recent developments in the design and applications of biosensors for small-molecule products.

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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。