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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

乳酸生产中的微生物代谢工程

从代谢工程的角度综述了同型及异型乳酸发酵的代谢途径、乳酸菌代谢模型、乳酸脱氢酶在乳酸生产方面的应用、米根霉发酵生产乳酸的代谢工程和基因工程阻断乙醇代谢途径改造乳酸的生产过程等方面的研究进展,讨论了生物信息学及环境胁迫对乳酸代谢的影响,展望了乳酸的微生物代谢工程的发展趋势.     

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。     

Recent advances in microbial production of phenolic compounds

Phenolic compounds (PCs) are a group of compounds with various applications in nutraceutical, pharmaceutical and cosmetic industries. Their supply by plant extraction and chemical synthesis is often limited by low yield and high cost. Microbial production represents as a promising alternative for efficient and sustainable production of PCs. In this review, we summarize recent advances in this field, which include enzyme mining and engineering to construct artificial pathways, balance of enzyme expression to improve pathway efficiency, coculture engineering to alleviate metabolic burden and side-reactions, and the use of genetic circuits for dynamic regulation and high throughput screening. Finally, current challenges and future perspectives for efficient production of PCs are also discussed.