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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

由代谢网络分析发现菌种代谢工程改造新策略

微生物菌种需要经过一系列代谢工程改造才能实现高产特定产品,而经过二十多年的研究积累,应用传统代谢工程方法通过局部途径分析发现菌种改造策略遇到严重瓶颈,急需从新的角度进行分析以发现新的改造策略。本文结合本实验室已有工作以及文献报道的实例,阐述了应用代谢网络模型分析发现产品合成新途径进而指导代谢工程菌种改造方面的研究进展。本文总结了代谢网络模型的构建方法及应用代谢网络模型进行途径预测的常用方法,将已有的模型指导代谢途径改造的策略总结为两类,即模型指导的产品从无到有和从有到优的改造策略,并结合实例分别对这两类策略进行详细阐述。同时本文阐述了目前利用代谢网络模型进行途经预测中存在的问题,并且针对这些问题提出了一些可行的解决方案。     

富马酸的合成及应用

富马酸是一种重要的四碳平台化合物和精细化工产品,广泛用于食品、医药、化工、涂料、树脂、增塑剂等领域.通过介绍富马酸的理化性质和市场开发前景,分析富马酸的化学及生物合成法的优缺点,认为微生物发酵法生产富马酸具有可持续发展、环境友好等优点,具有广泛的应用前景.通过进一步介绍代谢工程在代谢网络的构建和发酵产酸方面的应用,对米根霉富马酸代谢网络和代谢流分配进行分析,提出以米根霉为模式微生物,利用代谢工程的技术手段来调控富马酸的合成,提高富马酸产量.     

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。     

DNA及基因组改组在代谢工程中的应用

代谢工程是应用分子生物学与反应工程的结合,已发展成为菌种改进的平台技术.后基因组学时代的基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢物组学等为代谢工程的发展提供了极好的机遇.DNA改组及基因组改组可以构建新的代谢途径、对已知或未知的代谢途径进行快速优化,极大地促进了代谢工程的进一步发展和应用.DNA改组及基因组改组技术可以加深对代谢网络及其分子调节机制的理解,是对合理代谢设计策略的完善和补充.本文首先分别介绍了DNA改组、基因组改组在代谢工程中的应用,进而展望了基于基因组改组的代谢工程方法步骤及发展方向.     

代谢工程中途径和菌株改造的几种新技术

代谢工程是生物学领域重要的发展方向,迄今为止已有20多年的发展历史。通过代谢工程手段对微生物进行遗传改造,可以实现一系列化合物的可持续生产,为能源及环境问题提供了有潜力的解决方案。最近几年代谢工程领域出现了一些最新技术,包括多变量的模块化优化技术、酶集结的支架技术、代谢流量的动态调控技术以及大规模基因编辑技术。本文对这些技术发展及应用进行了总结和介绍。     

大肠杆菌生产CoQ10的代谢工程研究进展

随着对CoQ生物合成途径及其调控机制的深入研究,利用代谢工程的方法定向地改良菌种,优化CoQ10的代谢途径,成为提高CoQ10发酵水平的新思路。本文总结了重组大肠杆菌生产CoQ10过程中其代谢途径及其途径修饰的研究进展,分析了生产CoQ10的代谢工程限制因素,提出了利用重组大肠杆菌生产CoQ10的代谢工程策略。