P450s在萜类合成方面的合成生物学研究进展 *

细胞色素P450氧化酶能够催化一系列具有区域特异性、立体特异性的化学步骤,并参与许多天然产物如萜类化合物、甾醇以及生物碱的合成。萜类化合物是活性天然产物中的一大类化合物,在医药、香料等领域具有重要价值。萜类化合物的生物合成及合成后修饰需要P450s,但是目前已知P450s较低的催化活性极大地限制了萜类生物合成的效率。因此,迫切需要发掘和改造用于萜类生物合成的高活性P450s,以充分实现其巨大的工业应用潜力。综述了萜类代谢中涉及到的P450s家族以及近年来萜类生物合成中P450s的发掘和工程研究进展,重点介绍了合成生物学扩宽P450s在萜类合成应用中的主要策略,提出进一步加速P450s发掘和P450s工程的可行策略,并针对合成生物学技术为今后P450s在萜类合成中的应用提出建议与展望。     

植物来源药用天然产物的合成生物学研究进展

大多数药用天然产物在植物中含量低微,提取分离困难;而且这些化合物一般结构复杂,化学合成难度大,还容易造成环境污染。基于合成生物学技术获得药用天然产物具有绿色环保和可持续发展等优点。文中以药用萜类化合物人参皂苷、紫杉醇、青蒿素、丹参酮,生物碱类化合物长春新碱、吗啡以及黄酮类化合物灯盏花素为例,总结了植物来源药用萜类、生物碱类和黄酮类化合物的生物合成途径及合成生物学研究进展,介绍了药用天然产物合成生物学研究的关键技术与方法,并展望了合成生物学技术在药用天然产物研究与开发方面的应用前景。     

P450s在萜类合成方面的合成生物学研究进展

细胞色素P450氧化酶能够催化一系列具有区域特异性、立体特异性的化学步骤,并参与许多天然产物如萜类化合物、甾醇以及生物碱的合成。萜类化合物是活性天然产物中的一大类化合物,在医药、香料等领域具有重要价值。萜类化合物的生物合成及合成后修饰需要P450s,但是目前已知P450s较低的催化活性极大地限制了萜类生物合成的效率。因此,迫切需要发掘和改造用于萜类生物合成的高活性P450s,以充分实现其巨大的工业应用潜力。综述了萜类代谢中涉及到的P450s家族以及近年来萜类生物合成中P450s的发掘和工程研究进展,重点介绍了合成生物学扩宽P450s在萜类合成应用中的主要策略,提出进一步加速P450s发掘和P450s工程的可行策略,并针对合成生物学技术为今后P450s在萜类合成中的应用提出建议与展望。     

萜类化合物的合成生物学研究进展

萜类化合物是种类最多的一类天然产物,具有抗癌、抗过敏等多种生物活性,在食品、日化、医疗等领域受到广泛关注,展现了巨大的应用潜力和广阔的市场前景。近年来,研究人员采用功能基因组学和代谢组学技术对不同萜类的合成途径进行了深入研究,为萜类的合成生物学研究提供了大量的数据支撑。目前,已经通过合成生物学方法构建出萜类高产的酵母工程菌株,实现了多种目标产物的高效生产,有效提高了萜类的总体生产水平。因此,采用合成生物学策略合成萜类化合物,有望成为植物源萜类生产的有效技术手段。首先介绍了合成生物学概念,进而总结了植物源萜类的重要功能和应用领域,并简述了不同萜类的合成途径,归纳了现有的萜类生产方式,然后深入探讨了萜类生物合成的设计策略,最后以几种常见的萜类为例,详细论述了不同萜类的合成生物学的研究进展。     

大肠杆菌微细胞工厂生产萜类化合物研究进展

萜类化合物(terpenoids)是自然界中分布最广泛的天然产物,因其多样的生理活性和经济价值而被人们认识和开发。近年来,代谢工程及合成生物学的发展使得生物合成萜类化合物备受关注。本文中,笔者总结了萜类化合物合成的路线及其在大肠杆菌研究中取得的进展,探讨和展望了可能的发展方向,为大肠杆菌微细胞工厂合成萜类产物的研究提供参考和启示。     

细菌中倍半萜生物合成的研究进展

萜类化合物是一大类小分子天然产物,在生物体内扮演重要的角色。植物和真菌中萜类化合物的生物合成已被广泛研究,但是在真核生物中克隆或改造萜类化合物生物合成途径还有较大难度。许多细菌同样可以产生萜类化合物。在过去十多年间细菌萜类合酶的研究进展为我们对萜类化合物生物合成的理解做出了显著的贡献。这里我们主要关注细菌中合成的倍半萜化合物,概述其化学结构、倍半萜合酶对法尼基焦磷酸环化的机制、后修饰酶特别是氧化还原酶所参与的后修饰、代谢调控以及合成途径中尚未解决的问题等。     

提高微生物合成萜类化合物产量的策略

萜类化合物种类繁多、结构复杂,在医药、能源等领域具有重要的应用价值。当前萜类化合物主要是从植物中提取或化学法合成,费效比较高,而微生物合成成本低、效率高,更具有发展潜力,但由于萜类代谢通路复杂、微生物自身代谢调控精细以致难以人为操控,多数萜类化合物尚未通过微生物合成获得可观的产量。对此,对提高微生物合成萜类化合物的策略进行综述,旨在为萜类化合物在微生物中的生产与研究提供参考。     

植物类萜生物合成途径及关键酶的研究进展

萜类化合物是植物中广泛存在的一类代谢产物,在植物的生长、发育过程中起着重要的作用。植物中的萜类化合物有两条合成途径:甲羟戊酸途径和5-磷酸脱氧木酮糖/2C-甲基4-磷酸-4D-赤藓糖醇途径。这两条途径中都存在一系列调控萜类化合物生成、结构和功能各异的酶,其中关键酶的作用决定了下游萜类化合物的产量。植物类萜生物合成途径的调控以及该途径中关键酶的研究已成为目前国内外生物学领域的一大热点。综述了植物类萜生物合成途径和参与该途径的关键酶及其基因工程的研究进展,并展望了其应用前景。     

植物源二萜类化合物微生物合成研究进展

植物源二萜类天然产物结构复杂且功能多样,具有抗癌、抗炎和抗菌等多种药理活性,在药品、化妆品和食品添加剂等方面广泛应用。近年来,基于植物源二萜类化合物(diterpenoids)生物合成途径中功能基因的逐步揭示和合成生物技术的发展,科研人员采用代谢工程技术构建了多种二萜类化合物的微生物细胞工厂,且多个化合物达到克级产量。本文对植物源二萜类化合物微生物细胞工厂的构建情况进行综述,介绍并探讨植物源二萜类化合物微生物合成的研究进展和改造策略,为高产二萜类化合物细胞工厂构建和工业化生产提供参考。     

单萜类化合物的微生物合成

单萜类化合物是萜类化合物的一种,一般具有挥发性和较强的香气,部分单萜还具有抗氧化、抗菌、抗炎等生理活性,是医药、食品和化妆品工业的重要原料.近年来,利用微生物异源合成单萜类化合物的研究引起了科研人员的广泛关注,但因产量低、生产成本高等限制了其大规模应用.合成生物学的迅猛发展为微生物生产单萜类化合物提供了新的手段,通过改...     

代谢工程改造酿酒酵母合成植物萜类D-柠檬烯的策略

植物萜类化合物是以异戊二烯为结构单位的一大类植物天然的次生代谢产物。D-柠檬烯属于单萜类化合物,由于它具有抑菌、增香、抗癌、止咳、平喘等多种功能,已被广泛应用于食品、香料、医疗等行业。目前D-柠檬烯的工业生产主要是从植物的果皮或者果肉中提取的,但提取方法存在着分离纯化复杂、产率低、能耗大等缺点。而本世纪初合成生物学技术的兴起,为微生物异源合成天然活性化合物带来了全新的理念与工具,打破了物种间的界限,使微生物异源合成D-柠檬烯成为现实。构建定向、高效的异源合成D-柠檬烯的微生物细胞工厂,实现微生物发酵法替换传统的植物提取法,具有重要的经济与社会效益。本文主要回顾了近几年利用代谢工程改造酿酒酵母异源合成萜类化合物取得的成就,阐述了以酿酒酵母作为底盘微生物,利用代谢工程和合成生物学的手段构建高产D-柠檬烯的合成策略。     

Opportunities for yeast metabolic engineering: Lessons from synthetic biology

Constant progress in genetic engineering has given rise to a number of promising areas of research that facilitated the expansion of industrial biotechnology. The field of metabolic engineering, which utilizes genetic tools to manipulate microbial metabolism to enhance the production of compounds of interest, has had a particularly strong impact by providing new platforms for chemical production. Recent developments in synthetic biology promise to expand the metabolic engineering toolbox further by creating novel biological components for pathway design. The present review addresses some of the recent advances in synthetic biology and how these have the potential to affect metabolic engineering in the yeast Saccharomyces cerevisiae. While S. cerevisiae for years has been a robust industrial organism and the target of multiple metabolic engineering trials, its potential for synthetic biology has remained relatively unexplored and further research in this field could strongly contribute to industrial biotechnology. This review also addresses are general considerations for pathway design, ranging from individual components to regulatory systems, overall pathway considerations and whole-organism engineering, with an emphasis on potential contributions of synthetic biology to these areas. Some examples of applications for yeast synthetic biology and metabolic engineering are also discussed.     

Engineering microbial factories for synthesis of value-added products

Microorganisms have become an increasingly important platform for the production of drugs, chemicals, and biofuels from renewable resources. Advances in protein engineering, metabolic engineering, and synthetic biology enable redesigning microbial cellular networks and fine-tuning physiological capabilities, thus generating industrially viable strains for the production of natural and unnatural value-added compounds. In this review, we describe the recent progress on engineering microbial factories for synthesis of valued-added products including alkaloids, terpenoids, flavonoids, polyketides, non-ribosomal peptides, biofuels, and chemicals. Related topics on lignocellulose degradation, sugar utilization, and microbial tolerance improvement will also be discussed.     

萜类合成酶定向进化的新思路

萜类化合物是天然产物中种类最多且主要存在于植物和微生物体内的一类化合物。随着越来越多具有应用价值的萜类化合物被挖掘,其应用前景引起了人们的关注,但由于含量低、提取成本高等缺点,因此制约了萜类化合物的广泛应用。合成生物学的兴起,为异源合成具有应用价值的萜类化合物提供了新思路,使构建定向、高效的微生物细胞工厂成为现实。萜类合成酶常作为萜类化合物异源合成代谢调控的靶酶,但天然的萜类合成酶存在催化效率低、底物专一性差、立体/区域选择性差、稳定性差等问题,严重影响萜类化合物的产量。萜类合成酶的定向进化可以有效地解决上述问题,为实现微生物细胞工厂异源、高效合成萜类化合物奠定基础。本文综述了近年来酶的定向进化技术的最新进展及应用,并提出了萜类合成酶定向进化的策略。     

2013合成生物学专刊序言

合成生物学目前在全球得到迅猛发展。在此专刊中,综述了一些相关技术在合成生物学领域的进展,其中有:链霉菌无痕敲除方法、基因合成技术、DNA组装新方法、最小化基因组的方法及分析、合成生物系统的组合优化。也讨论了应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘、产溶剂梭菌分子遗传操作技术、蛋白质预算(Protein budget)作为合成生物学的成本标尺。最后,用几个例子说明了合成生物学的应用,包括复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建、微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品以及构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇。     

酿酒酵母代谢工程技术

自20世纪90年代初期诞生以来,代谢工程历经了30年的快速发展。作为代谢工程的首选底盘细胞之一,酿酒酵母细胞工厂已被广泛应用于大量大宗化学品和新型高附加值生物活性物质的生物制造,在能源、医药和环境等领域取得了巨大的突破。近年来,合成生物学、生物信息学以及机器学习等相关技术也极大地促进了代谢工程的技术发展和应用。文中回顾了近30年来酿酒酵母代谢工程重要的技术发展,首先总结了经典代谢工程的常用方法和策略,以及在此基础上发展而来的系统代谢工程和合成生物学驱动的代谢工程技术。最后结合最新技术发展趋势,展望了未来酿酒酵母代谢工程发展的新方向。     

Advancing secondary metabolite biosynthesis in yeast with synthetic biology tools

Secondary metabolites are an important source of high-value chemicals, many of which exhibit important pharmacological properties. These valuable natural products are often difficult to synthesize chemically and are commonly isolated through inefficient extractions from natural biological sources. As such, they are increasingly targeted for production by biosynthesis from engineered microorganisms. The budding yeast species Saccharomyces cerevisiae has proven to be a powerful microorganism for heterologous expression of biosynthetic pathways. S. cerevisiae's usefulness as a host organism is owed in large part to the wealth of knowledge accumulated over more than a century of intense scientific study. Yet many challenges are currently faced in engineering yeast strains for the biosynthesis of complex secondary metabolite production. However, synthetic biology is advancing the development of new tools for constructing, controlling, and optimizing complex metabolic pathways in yeast. Here, we review how the coupling between yeast biology and synthetic biology is advancing the use of S. cerevisiae as a microbial host for the construction of secondary metabolic pathways.     

Genetic and metabolic engineering of microorganisms for the development of new flavor compounds from terpenic substrates

Throughout human history, natural products have been the basis for the discovery and development of therapeutics, cosmetic and food compounds used in industry. Many compounds found in natural organisms are rather difficult to chemically synthesize and to extract in large amounts, and in this respect, genetic and metabolic engineering are playing an increasingly important role in the production of these compounds, such as new terpenes and terpenoids, which may potentially be used to create aromas in industry. Terpenes belong to the largest class of natural compounds, are produced by all living organisms and play a fundamental role in human nutrition, cosmetics and medicine. Recent advances in systems biology and synthetic biology are allowing us to perform metabolic engineering at the whole-cell level, thus enabling the optimal design of microorganisms for the efficient production of drugs, cosmetic and food additives. This review describes the recent advances made in the genetic and metabolic engineering of the terpenes pathway with a particular focus on systems biotechnology.     

高通量技术在萜类合成酶筛选中的应用

萜类化合物种类繁多,生物活性多样,在食品、药品与化妆品等行业中具有广泛的应用。萜类化合物多来源于植物,然而随着合成生物学的快速发展,相较于传统的天然植物提取与化学合成方法,利用工程微生物进行萜类化合物异源合成的方法显得更为经济与环保。萜类合成酶的催化活性及合成产物的结构特性是萜类化合物异源合成的关键。通过蛋白定向进化与理性设计可以有针对性地优化萜类合成酶的催化性能及产物专一性,但该方案需要一个特异的筛选方法来实现蛋白突变体库的高通量筛选。近年来,一系列高通量筛选方法的建立使得萜类合成酶的筛选变得更加灵敏与高效。本文对近期建立的萜类合成酶高通量筛选方法进行了综述,简要概述了各种筛选方法的基本原理与优缺点,并对高通量筛选技术在萜类合成酶改造中的应用做出了展望。