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。     

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。     

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。     

代谢工程改造蛋氨酸代谢途径构建高产L-蛋氨酸大肠杆菌

以Escherichia coli BL21(DE3)为出发菌株,敲除其蛋氨酸合成途径中关键酶的阻遏基因metJ,使菌株积累蛋氨酸达22 mg/L. 在此基础上,利用紫外诱变筛选育出一株抗蛋氨酸结构类似物的蛋氨酸高产菌株YB12,使蛋氨酸产量提高到60 mg/L. 通过过量表达蛋氨酸合成途径中的metA和cysE基因及编码蛋氨酸转运蛋白的yeaS基因,YB12菌株积累蛋氨酸量提高到251 mg/L. 结果表明,蛋氨酸在胞外的积累受多个基因、多种代谢途径调控,单独敲除某个基因或改造某个途径不能使蛋氨酸大量合成和积累,对多个代谢途径共同改造是构建蛋氨酸工程菌的最有效方法.     

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。     

他克莫司微生物合成的研究进展

介绍了他克莫司的理化特征和免疫抑制活性,重点阐述了他克莫司发酵法生产的研究现状,着重介绍了他克莫司的合成基因簇及代谢途径研究进展,对他克莫司代谢工程改造进行综述并对今后的研究趋势进行了展望--结合系统生物学为已有的他克莫司菌株进一步进行代谢工程改造提供指导;通过合成生物学构建他克莫司合成途径全新高效的前体关键酶。     

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。     

盾叶薯蓣糖化液发酵生产2,3-丁二醇

利用克雷伯氏杆菌以盾叶薯蓣糖化液为底物发酵生产2,3-丁二醇(2,3-BD),考察了2,3-BD浓度、生产强度、有机酸生成及代谢流量分布情况. 结果表明,盾叶薯蓣中的有机酸成分能促进三羧酸循环途径和乙酸途径的代谢流,减弱琥珀酸途径的代谢流,从而提高2,3-BD的浓度. 以盾叶薯蓣糖化液为底物,采用批式流加方式,补加固体葡萄糖,发酵56 h,发酵液中2,3-BD最终浓度达到80.20 g/L,乙偶姻与2,3-BD浓度之和最终达到86.19 g/L,生产强度达到1.54 g/(L×h),比单独以葡萄糖为底物时分别提高了8.50%, 7.38%和7.69%.     

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。     

肺炎克雷伯氏菌生物合成1,3-丙二醇的副产物调控研究

以肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)ATCC 25955为原始菌株,利用代谢工程手段对K.pneumoniae生物合成1,3-丙二醇(1,3-PD)的副产物进行调控.通过敲除副产物合成途径关键酶编码基因,在分批补料发酵条件下,1,3-PD的产量达到83.8 g·L-1,生产强度提至2.79 g·L-1·h-1;进一步结合乙酸吸收途径强化,有效解除了乙酸溢流现象,在分批补料发酵条件下,1,3-PD的产量达到94.9g·L-1,生产强度提至3.16 g·L-1·h-1.研究表明,通过敲除副产物合成途径关键酶编码基因结合乙酸吸收途径强化能够促进1,3-PD的合成,减少副产物的产生,提高K.pneu-moniae 代谢甘油合成1,3-PD的产量和生产强度.     

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。     

醛脱氢酶基因敲除对克氏肺炎杆菌合成1，3-丙二醇的影响

利用Klebsiella pneumoniae厌氧发酵甘油生产1,3-丙二醇时，一部分甘油通过氧化代谢途径大量合成副产物乙醇，降低了1,3-丙二醇的得率.醛脱氢酶ALDH是乙醇合成途径的关键酶之一，其催化作用不仅消耗了大量甘油，还将还原型辅酶NADH氧化为NAD⁺，降低了同为NADH依赖型的1,3-PD合成途径的效率.本文以醛脱氢酶ALDH为改造目标，以K.pneumoniae为宿主，通过同源重组技术在K.pneumoniae M5aL的ALDH基因中成功地插入了四环素抗性基因，经抗性筛选和基因水平鉴定，得到两株ALDH基因敲除的重组菌0623-1hb及0623-1hc.本文研究了这两株重组菌的生长代谢特性，结果表明两株重组菌的ALDH酶活基本检测不到，菌体生长受到明显抑制，乙醇合成浓度比出发菌株K.pneumoniae M5aL降低了43%～53%，1,3-PD合成浓度及摩尔得率分别提高了27%～42%和19%～24%.     

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。     

微生物发酵产氢技术研究进展

化石能源的短缺和环境污染的出现使可再生能源和清洁能源的开发变得十分迫切。由于氢气是一种清洁、高效的能源,所以有关微生物发酵制氢逐渐成为关注的热点。本文主要介绍氢气的微生物代谢途径及关键酶,重点综述极端高温产氢菌群及发酵产氢工艺,并展望利用复杂非粮原料产氢菌及其工艺技术,结合系统生物学和合成生物学对现有产氢菌提高生产效率和构建产氢新途径提供理论指导。     

假单胞菌代谢尼古丁研究进展

假单胞菌和节杆菌是两种最重要的尼古丁降解菌,目前节杆菌降解尼古丁的代谢途径、代谢相关基因和酶学机制都已经研究清楚,但是对假单胞菌降解尼古丁的研究尚不完善。本文将主要针对假单胞菌,从目前分离到的假单胞菌属微生物的菌株种类、代谢途径、代谢相关基因和酶学机制等方面阐述假单胞菌属微生物降解尼古丁的研究进展。     

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。     

苯乳酸的微生物合成及分离研究进展

苯乳酸是一种高值有机酸和新型的天然防腐剂,可由乳酸菌等多种微生物代谢产生。苯乳酸有着较为宽广的抑菌谱,对大多数革兰氏阳性、阴性菌和真菌都有明显的抑菌作用,不仅作为天然抑菌剂可替代化学合成的防腐剂,而且可经聚合反应合成聚苯乳酸新型高分子材料,作为聚乳酸高分子的替代物。因此,苯乳酸在化工、制药、生物、材料和食品等领域有广阔的应用前景。本文从苯乳酸抑菌特性、微生物菌株、转化合成、代谢途径及下游分离纯化等方面,简述了其生物转化合成和分离的研究现状。微生物菌株是苯乳酸合成的关键,基因工程菌的转化能力虽然高效,但构建工程菌较复杂;从自然环境中筛选安全优良的菌株,可以简化转化合成过程,提高转化率和料液中苯乳酸的浓度;苯乳酸的分离纯化还处于实验室的规模,有待进一步探索以达到工业化的要求。     

遗传改造Klebsiella pneumoniae提高1,3-丙二醇产量的研究进展

1,3-丙二醇是合成聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的重要原料.与化学法相比,微生物发酵生产1,3-丙二醇因对环境友好而成为当今研究热点.本文作者以肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)为表达宿主,从代谢途径、表达宿主、载体构建和关键酶基因等方面,综述了发酵菌种遗传改造的研究进展,并对一些新的菌种筛选和改造方法进行了讨论.     

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。