酿酒酵母乙酰辅酶A精细调控合成萜类化合物研究进展

酿酒酵母作为细胞工厂被用来生产多种萜类化合物。乙酰辅酶A为合成萜类化合物的基本前体,细胞质乙酰辅酶A供应不足会导致目标产物产量较低,调控乙酰辅酶A合成是构建目标萜类化合物高产合成途径的重要手段。本文介绍了酿酒酵母乙酰辅酶A作为重要中心碳代谢分子,主要在细胞核组蛋白乙酰化、细胞质丙酮酸脱氢酶支路、线粒体三羧酸循环和过氧化物酶体乙醛酸循环中参与的代谢过程。总结了通过强化酿酒酵母内源丙酮酸脱氢酶支路,引入低三磷酸腺苷（ATP）消耗的异源乙酰辅酶A合成途径,增加辅酶A合成和利用线粒体乙酰辅酶A含量高且对其不渗透的特性进行区域化合成以提高乙酰辅酶A含量的代谢工程策略,旨在为酿酒酵母萜类化合物的高效合成提供借鉴。     

单萜类硝基化合物的合成研究

以单萜类化合物6-甲基-5-庚烯-2-酮①、3,7-二甲基-6-辛烯醛②、3,7-二甲基-2,6-辛二烯醛③、3,7-二甲基-2,6-辛二烯醇④等为原料,探索了一条合成单萜类硝基化合物的简便方法。     

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。     

烯丙基酯合成方法在萜类化合物中的应用研究进展

作为重要聚合物单体或反应性中间体使用的烯丙基酯类化合物,其合成方法丰要包括醇酸脱水直接酯化法、酰氯化醇解酯化法、酯(盐)酯交换酯化法、羧酸盐烯丙基卤化物交换酯化法(无机碱催化和有机胺/季铵盐相转移催化)等.以马来松香烯丙醇酯、松香烯丙醇酯、脱氢枞酸烯丙醇酯、蒎酸二烯丙基酯等的合成作为应用实例,综述了烯丙基酯合成方法在萜类化合物中的研究及应用进展.指出相转移催化法是合成萜类烯丙蕈酯化合物的有效办法之一.     

萜类化合物合成α,β-不饱和酸的研究

以萜类化合物为原料,三步反应合成α,β 不饱和酸,第一步萜类化合物在亚硝酸钠、冰醋酸、乙醚混合液中,在0℃下反应1.5h,硝化反应得萜类硝基化合物;第二步萜类硝基化合物在四氯化碳溶剂中与冰醋酸和亚硝酸钠反应而得的氮氧化物在56℃下搅拌,反应1.5h,重排得烯丙基伯硝基化合物。最后烯丙基伯硝基化合物在冰醋酸和亚硝酸钠混合液中,用DMSO(二甲亚砜)37℃下反应8h,氧化得α,β 不饱和酸,三步反应所得α,β 不饱和酸总收率约为26%。     

工程化酿酒酵母合成植物三萜类化合物

三萜类化合物如甘草次酸、皂苷等是许多药物在细胞内发挥药理活性的主要存在形式,可作为药物的主要活性成分,有些还可作为甜味剂等。但是萜类化合物在天然植株中含量很低,不能很好地对其开发和利用。随着萜类物质代谢中关键酶的发现,整个萜类代谢途径变得清晰。近年来合成生物学快速发展,为利用微生物发酵生产三萜化合物奠定了基础。综述了酿酒酵母中三萜化合物的合成途径及在此途径中起重要作用的细胞色素单氧化酶的研究进展。     

液相组合合成中化合物库的纯化方法研究

综述了近8年来液相组合合成中小分子化合物库的纯化方法，如通过固载化试剂的应用、可溶性聚载物的应用、氟合成技术、液相萃取等达到纯化目的。论述了这些纯化方法的基本原理、使用范围及局限，并列举了一些经典实例。     

纯化鸡蛋花中萜类化合物的方法研究

本文对比了水蒸气蒸馏法、超声提取法、微波提取法和索氏提取法四种方法提取鸡蛋花中萜类化合物,实验证明水蒸气蒸馏法是较适合提取鸡蛋花中萜类物质的方法。同时本文优化了鸡蛋花提取物的柱层析法,结果表明,以乙醇为洗脱剂、氧化铝为固定相的分离方法所用时间少,分离效果较佳。     

四种单萜类查尔酮的合成

以2, 4, 6-三羟基苯乙酮和柠檬醛为起始原料经过环化、羟醛缩合和催化加氢合成四种单萜类查尔酮;关键步骤2, 4, 6-三羟基苯乙酮和柠檬醛是在吡啶的催化下经过电子环化、质子迁移及Diels-Alder反应合成天然产物desbenzylidenerubramin (1),中间体1合成一种天然产物产物rubraine (2~5),其结构经~1H NMR和HREIMS表征。     

产蒎烯人工酵母细胞的构建

蒎烯可衍生为高能量密度燃料,但在酿酒酵母中的全生物合成却未见报道。酿酒酵母由于拥有强大的蛋白表达和翻译后修饰系统以及完整的内膜系统,相比于大肠杆菌等原核生物更适于P450等蛋白的表达,因此将酿酒酵母作为宿主细胞,对于蒎烯或者其他物质实现如“疯狂碳环”的高能量化是至关重要的。本研究在酿酒酵母底盘中表达内源焦磷酸香叶酯合成酶（ERG20）的突变体ERG20^ww和火炬松来源的蒎烯合酶（PtPS）构建了蒎烯的合成路径。通过截短PtPS N端2～51位氨基酸残基（tPtPS）,蒎烯产量较初始产量（0.329 mg·L^-1）提高了2.23倍。在过表达异戊二烯焦磷酸异构酶（IDI1）和RNA聚合酶Ш负调控因子（MAF1）的基础上,表达ERG20^ww和tPtPS的融合蛋白,蒎烯产量进一步提高了5.16倍。通过将内源基因ERG20启动子原位替换为弱启动子HXT1,下调ERG20的转录,蒎烯的产量提高了26.0%。最终通过调节发酵过程中的培养基pH使蒎烯产量达11.7 mg·L^-1,较初始产量提高了34.5倍。本研究在酿酒酵母中实现蒎烯的从头合成,并获得已知蒎烯摇瓶水平的最高产量。     

A modular engineering strategy for high-level production of protopanaxadiol from ethanol by Saccharomyces cerevisiae

Ethanol is a more reduced substrate than sugars. Here, ¹³C-metabolic flux analysis (MFA) revealed that ethanol catabolism could supply sufficient acetyl-CoA and reducing equivalent for PPD biosynthesis. Then, we described modular engineering strategy to optimize a multigene pathway for protopanaxadiol (PPD) production from ethanol in Saccharomyces cerevisiae. PPD biosynthesis was divided into four modules: mevalonate (MVA) pathway module, triterpene biosynthesis module, sterol biosynthesis module, and acetyl-CoA formation module. Combinatorially overexpressing every gene in MVA pathway and optimizing metabolic balance in triterpene biosynthesis module led to significantly enhanced PPD production (42.34 mg/L/OD600). In sterol biosynthesis module, fine-tuning lanosterol synthase gene (ERG7) expression using TetR–TetO gene regulation system enabled further production improvement (51.26 mg/L/OD600). Furthermore, increasing cytoplasmic acetyl-CoA supply by overexpressing a Salmonella ACS (acetyl-CoA synthetase gene) mutant ACS_seL641P improved PPD production to 66.55 mg/L/OD600. In 5 L bioreactor, PPD production of the best-performing strain WLT-MVA5 reached 8.09 g/L, which has been the highest titer of plant triterpene produced in yeast. © 2018 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 65: 866–874, 2019     

重组酿酒酵母生物合成菜油甾醇

菜油甾醇作为甾体药物（孕酮、雄烯二酮、氢化可的松等）的重要合成前体已受到国内外研究学者的广泛关注。首先通过生物信息学分析,筛选了10种不同来源的7-脱氢胆固醇还原酶DHCR7,并采用CRISPR/Cas9基因编辑技术将酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）内源的ERG5基因替换成不同来源的DHCR7基因,构建了菜油甾醇合成菌株。结果发现整合来源于Pangasianodon hypophthalmus DHCR7的菌株Zw507表现出最高的菜油甾醇的产量216.93 mg/L。进一步筛选了10种酵母内源启动强度较强的启动子来与PhDHCR7基因进行组合,结果显示以TEF1p为启动子时菜油甾醇的产量最高可达253.35 mg/L。为了进一步提高菜油甾醇产量,增加了DHCR7表达盒在酵母基因组上的拷贝数。当拷贝数为3个时,菜油甾醇的产量达到最高302.27 mg/L。最终,通过5 L发酵罐进行补料分批发酵,实现了916.88 mg/L菜油甾醇产量。该菌株可作为后续甾体药物生物合成的优良底盘细胞。     

CRISPRi-Guided Metabolic Flux Engineering for Enhanced Protopanaxadiol Production in Saccharomyces cerevisiae

Protopanaxadiol (PPD), an aglycon found in several dammarene-type ginsenosides, has high potency as a pharmaceutical. Nevertheless, application of these ginsenosides has been limited because of the high production cost due to the rare content of PPD in Panax ginseng and a long cultivation time (4–6 years). For the biological mass production of the PPD, de novo biosynthetic pathways for PPD were introduced in Saccharomyces cerevisiae and the metabolic flux toward the target molecule was restructured to avoid competition for carbon sources between native metabolic pathways and de novo biosynthetic pathways producing PPD in S. cerevisiae. Here, we report a CRISPRi (clustered regularly interspaced short palindromic repeats interference)-based customized metabolic flux system which downregulates the lanosterol (a competing metabolite of dammarenediol-II (DD-II)) synthase in S. cerevisiae. With the CRISPRi-mediated suppression of lanosterol synthase and diversion of lanosterol to DD-II and PPD in S. cerevisiae, we increased PPD production 14.4-fold in shake-flask fermentation and 5.7-fold in a long-term batch-fed fermentation.     

纤维素乙醇生产重组酿酒酵母菌株的构建与优化研究进展

寻找化石能源的替代品以及开发和利用生物能源已引起国内外研究者的广泛关注。提高酿酒酵母利用来源广泛、贮存丰富的农林废弃物等木质纤维素原料生产燃料乙醇的效率是生物能源的重要研究内容,但是,重组酿酒酵母木糖发酵性能低是限制纤维素乙醇经济性的关键问题。本文总结了酿酒酵母中木糖代谢途径的构建和优化以及木糖转运对木糖利用的影响,分析了重组酵母利用纤维素水解液进行乙醇发酵的研究现状,并对进一步提高重组酿酒酵母纤维素乙醇生产效率的研究趋势进行了展望。目前国内外已经构建了可有效利用木糖产乙醇的重组酵母,但对其木糖代谢机制的研究还尚未深入,限制了重组菌株的定向改造。此外,目前缺少在纤维素生物质水解液发酵实际应用过程中对重组菌株的评价。因此,加强重组酵母菌株对木糖利用相关代谢调控机理的分析,注重多种抑制物对菌株发酵性能的影响,结合真实底物纤维素乙醇发酵过程进行重组菌株的构建和优化,从而进一步提高纤维素乙醇生产的经济性,是未来菌株构建的重要研究方向。     

酿酒酵母钙通道膜蛋白单克隆抗体制备及鉴定

以酿酒酵母电压门控钙通道膜蛋白（Cch1p）、牵张敏感性钙通道膜蛋白（Mid1p）和瞬时受体电位钙通道膜蛋白（Yvc1p）为研究材料,制备其单克隆抗体。采用生物信息学方法确定3种膜蛋白抗原表位,根据分析结果克隆抗原基因,并进行原核表达和表达产物分析鉴定,通过Ni²⁺-NTA树脂亲和层析技术获得重组抗原蛋白,免疫小鼠后细胞融合技术制备单克隆抗体,酶联免疫吸附测定（ELISA）检测抗体效价,免疫印迹技术检测单克隆抗体对重组纯化抗原和天然酿酒酵母钙通道膜蛋白的反应性和特异性。生物信息学分析结果表明,Cch1p、Mid1p和Yvc1p抗原表位可能分别位于1~300位氨基酸残基、359~548位氨基酸残基、1~236位氨基酸残基;克隆目的基因条带大小分别为926bp、570bp和708bp,与预期结果一致;原核表达抗原蛋白分子量分别为60000、25000和30000,Western blot检测条带正确;重组纯化抗原免疫BALB/c小鼠,细胞融合技术制备单克隆抗体,ELISA检测显示单克隆抗体效价分别高达1∶256000、1∶128000和1∶64000,Western blot检测到3种重组纯化抗原和天然酿酒酵母钙通道膜蛋白Cch1p、Mid1p和Yvc1p。这些结果说明本文制备的单克隆抗体可以成功用于检测酿酒酵母钙通道膜蛋白Cch1p、Mid1p和Yvc1p表达的相关研究。     

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。