多粘类芽胞杆菌利用生物柴油副产物粗甘油生产乙偶姻

研究多粘类芽胞杆菌利用廉价底物生物柴油副产物粗甘油批次发酵生产乙偶姻,考察不同pH条件、不同转速下乙偶姻、2,3-丁二醇和乙酸3种主要产物的产量,根据发酵结果设计一种三阶段溶氧调节的方法,结果表明:经76h批次发酵,乙偶姻产量为14.62 g/L,副产物2,3-丁二醇和乙酸分别为1.24和2.93 g/L;副产物量低,且易于分离,可以有效减少后期分离提取产物的成本。     

乙酸合成途径阻断及NADH氧化酶表达对于谷氨酸棒杆菌生产乙偶姻的影响

【目的】研究乙酸合成途径阻断及NADH氧化酶表达对于谷氨酸棒杆菌生产乙偶姻的影响。【方法】在谷氨酸棒杆菌CGF2中异源表达als SD操纵子构建乙偶姻生产菌株CGT1,考察敲除乙酸生成途径cat和pqo对乙偶姻的影响。然后引入短乳杆菌的NADH氧化酶,在优化的溶氧条件下研究其对乙偶姻产量的影响。【结果】CGT1在摇瓶发酵中可积累6.27 g/L乙偶姻,敲除cat使乙偶姻产量显著提高30.94%,达到8.21 g/L;双敲除cat和pqo没有进一步提高产量。通过优化发酵的溶氧水平,乙偶姻产量达到10.06 g/L。在高溶氧水平下引入NADH氧化酶导致菌株的生长和糖代谢速率提高,但乙偶姻产量略有降低。在分批补料发酵中,重组菌株乙偶姻产量达到40.51 g/L,产率为0.51 g/(L?h)。【结论】在谷氨酸棒杆菌中阻断乙酸合成途径cat能够有效提高乙偶姻产量,NADH氧化酶在高溶氧水平下表达不利于乙偶姻的合成,需要进一步调节表达水平以确定其效果。     

枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)发酵生产乙偶姻的pH调控策略

【目的】为了提高Bacillus subtilis CCTCC M 208157发酵生产乙偶姻的效率。【方法】在7 L发酵罐水平上考察不同pH条件对菌株生长及乙偶姻合成的影响。【结果】pH对菌株合成乙偶姻有显著影响,pH 4.5有利于细胞合成乙偶姻,但是延迟期较长;pH 5.5时菌株生长较快,但乙偶姻的产量偏低。因此提出了两阶段pH控制策略:发酵前期(0 16 h),控制pH 5.5;发酵中后期(16 72 h),控制pH 4.5。【结论】通过此策略,菌株合成乙偶姻的能力得到进一步提高,乙偶姻的产量、产率和生产强度分别为32.7 g/L、0.41 g/g和0.91 g/(L.h),分别比初始发酵条件下提高了41%、42%和69%。     

枯草芽孢杆菌氧化还原感应全局调控因子Rex对乙偶姻合成的影响

【背景】枯草芽孢杆菌体内含有一种可响应胞内氧化还原水平的因子,称之为氧化还原感应全局调控因子Rex (由基因ydiH编码)。Rex可通过感知辅酶NADH/NAD+水平的变化来调节胞内氧化还原平衡。【目的】研究Rex对枯草芽孢杆菌乙偶姻合成和辅因子代谢的相关性。【方法】利用比较转录组挖掘乙偶姻和2,3-丁二醇可逆转化过程中显著差异的基因,并通过Cre/lox基因敲除技术敲除ydiH、acuA (乙酰AcsA)和acoC (二氢脂酰胺乙酰转移酶)。随后,利用实时荧光定量PCR (RT-qPCR)技术分析敲除菌株中乙偶姻相关基因的转录水平。【结果】通过发酵实验发现,敲除ydiH会在一定程度上抑制菌体的生长速率,但发酵前期乙偶姻单位细胞产量和底物转化率都得到了显著提高;敲除acuA和acoC后,对乙偶姻合成、菌体生长和糖耗速率均影响不大;敲除ydiH后,与乙偶姻合成相关基因alsR (alsSD的正转录调控因子)、alsS (α-乙酰乳酸合成酶)、alsD (α-乙酰乳酸脱羧酶)和bdhA (2,3-丁二醇脱氢酶)的转录水平显著上调。【结论】枯草芽孢杆菌氧化还原感应全局调控因子Rex通过抑制与乙偶姻相关基因的转录水平影响乙偶姻合成。本研究首次报道了枯草芽孢杆菌中Rex和乙偶姻合成的相关性,为探索Rex如何通过调控相关基因的转录来影响胞内氧化还原稳态奠定了基础,也为提高枯草芽孢杆菌工业化生产强度和底物转化率提供了借鉴。     

应用合成生物学策略构建全细胞生物催化剂合成(S)-乙偶姻

目的:在大肠杆菌宿主中过量表达丁二酮还原酶(DAR),同时构建辅酶NADH原位再生系统,利用全细胞高效催化丁二酮不对称还原合成(S)-乙偶姻。方法:PCR克隆多黏芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa) dar基因连到质粒pETDuet-1,转化至大肠杆菌(Escherichia coli) BL21(DE3),构建重组菌E. coli BL21(DE3)-DAR;通过Hi Trap TALON柱亲和层析纯化表达产物DAR酶蛋白,测定DAR的比酶活和分子动力学参数。在重组菌E. coli BL21(DE3)-DAR中构建辅酶NADH原位再生系统,协同表达枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的葡萄糖脱氢酶(GDH),构建重组菌E. coli BL21(DE3)-DAR/GDH,并以此重组菌为全细胞生物催化剂,优化催化条件,提高(S)-乙偶姻的产量和产率。结果:获得重组工程菌E. coli BL21(DE3)-DAR和E. coli BL21(DE3)-DAR/GDH。DAR以NADH为辅酶还原丁二酮的米氏常数Km、最大催化速率Vmax、催化常数Kcat分别为2. 59mmol/L、1. 64μmol/(L·min·mg)、12. 3/s,还原丁二酮生成(S)-乙偶姻光学的纯度为95. 86%,具有较好的催化效率和立体异构体选择性。构建辅酶NADH原位再生系统后,重组菌E. coli BL21(DE3)-DAR/GDH可高效催化丁二酮合成乙偶姻。在最优催化条件下分批补料,乙偶姻产量达51. 26g/L,转化率为81. 37%,生产速率为5. 13g/(L·h)。结论:使用非手性化合物原料丁二酮生产高附加值的手性化合物(S)-乙偶姻,以重组菌为全细胞生物催化剂合成(S)-乙偶姻,不需额外添加昂贵的辅酶,具有较高的生产应用价值。     

乙偶姻生物合成代谢调控及其应用

许多微生物在糖酵解过程中能够将糖类转化为乙偶姻来避免过度酸化。乙偶姻能够调节NAD＋/NADH的比率并存储碳源。此外,乙偶姻作为一种具有特殊奶油香气的食用香料,广泛应用于食品,烟草、酒类和化妆品行业。近些年研究发现许多植物根际促生菌能够通过产生乙偶姻激活植物对外界环境压力的抗性,激活植物系统抗性,抵御病原菌的侵袭。乙偶姻还可以促进植物生长,提高产量。另外,乙偶姻还是调节根际促生菌与宿主植物相互作用的信号分子。简述乙偶姻的生物合成路径及其调控,并介绍乙偶姻在食品、医药、化工、化妆品、植物保护、生物燃料等方面的应用。     

利用发酵法生产四甲基吡嗪研究进展

2,3,5,6-四甲基吡嗪(2,3,5,6-Tetramethylpyrazine,TTMP)是一种重要的食品香料添加剂,同时具有治疗心脑血管疾病、呼吸系统疾病和肾小球疾病等的药用价值。回顾了微生物发酵法生产TTMP的研究进展,并分析了TTMP的产生机制,总结了提高生产TTMP的有效途径,包括筛选内源性高产菌株、发酵过程优化、外源添加铵盐和分阶段的发酵控制等策略。提出合成TTMP的过程是一个生化反应过程,是生物酶催化代谢产生乙偶姻和乙偶姻与铵离子自发生成TTMP两个阶段综合作用的结果,利用分阶段温度控制的发酵策略可有效提高TTMP产量。对产物的提取和纯化进行了介绍,并根据目前的进展、面对的挑战和发展趋势对发酵法生产TTMP研究前景进行了展望。     

谷氨酸棒杆菌生产琥珀酸的代谢工程研究进展

琥珀酸是一种具有重要应用价值的四碳平台化合物。微生物法发酵生产琥珀酸以其社会、环境和经济优势展现出良好的发展前景。谷氨酸棒杆菌被广泛应用于氨基酸、核苷酸等高附加值化学品的工业化生产,在厌氧条件下细胞处于生长停滞状态,但仍能高效利用碳源合成有机酸,通过代谢工程改造的谷氨酸棒杆菌有望成为理想的琥珀酸生产菌株。结合近年来谷氨酸棒杆菌生产琥珀酸取得的最新成果,本文综述了构建高产琥珀酸工程菌株的代谢工程策略、底物的扩展利用,并展望了将来的研究方向。     

生物转化对二甲苯生成对苯二甲酸的初步研究

对苯二甲酸是生产聚酯的主要原料,其生产方法主要是采用化学合成法。随着生物转化与生物催化研究的深入,其高效、环保、节能等优势越来越明显。筛选能够生物转化对二甲苯生成对苯二甲酸的菌株将会为生物催化法生产对苯二甲酸打下基础。通过建立筛选模型,利用唯一碳源法从土壤中分离筛选得到微生物16,经鉴定为嗜麦芽窄食单胞菌和睾丸酮丛毛单胞菌的混合菌株,该微生物可以利用对二甲苯为底物生物转化生成对苯二甲酸。实验中对诱导剂进行了选择,表明甲苯对该反应有明显的诱导作用,最佳诱导剂加入量为200mg／L。发酵液中对苯二甲酸及中间产物采用高效液相色谱法测定。     

生物转化对二甲苯生成对苯二甲酸的初步研究*

对苯二甲酸是生产聚酯的主要原料,其生产方法主要是采用化学合成法。随着生物转化与生物催化研究的深入,其高效、环保、节能等优势越来越明显。筛选能够生物转化对二甲苯生成对苯二甲酸的菌株将会为生物催化法生产对苯二甲酸打下基础。通过建立筛选模型,利用唯一碳源法从土壤中分离筛选得到微生物16,经鉴定为嗜麦芽窄食单胞菌和睾丸酮丛毛单胞菌的混合菌株,该微生物可以利用对二甲苯为底物生物转化生成对苯二甲酸。实验中对诱导剂进行了选择,表明甲苯对该反应有明显的诱导作用,最佳诱导剂加入量为200mg/L。发酵液中对苯二甲酸及中间产     

提高微生物油脂生产能力的研究进展

微生物油脂是生物柴油生产领域具有广阔前景的新油脂资源。然而, 利用产油微生物进行油脂的工业化生产仍存在限氮条件下油脂生产强度不够高、对廉价高氮生物质原料的利用效率低等瓶颈问题。随着近年来发酵工程、生物信息学及分子生物学技术的发展, 国内外研究者利用不同策略优化微生物油脂的生产条件, 并对其油脂积累代谢途径进行改造, 旨在获得适用于工业化生产的产油性能优良的油脂菌。本综述总结了国内外利用生化工程、基因工程以及新兴的转录因子工程策略提高产油微生物油脂生产强度和扩大产油微生物廉价底物利用范围方面的研究进展, 并展望了基于组学研究、模块途径工程以及反向代谢工程的综合策略在理性改造产油微生物以提高其油脂发酵性能中的应用。     

酶的分子设计、改造与工程应用

酶工程的研究已经发展到分子水平 ,在体外通过基因工程、化学、物理等手段改造酶分子结构与功能 ,大幅提高了酶分子的进化效率和催化效率 ,生产有价值的非天然酶。对酶工程学若干“热点”和前沿课题的研究、应用进行了概述 ,分析了国际上酶工程研究及应用技术、手段、方法 ,包括体外分子进化、核酶和抗体酶的设计、酶分子的定向固定化技术、酶蛋白分子的化学修饰、融合酶、人工合成及模拟酶等技术 ,并展望了酶工程的技术进步和应用的新进展。     

阿维菌素的生物合成与途径工程

阿维菌素是一种高效安全的大环内酯杀虫杀螨剂。本文介绍了阿维菌素生物合成的步骤及参与合成步骤的有关酶系统和基因簇。对阿维菌素 8个组分合成的遗传控制基因 ,特别是对其中B1a组分合成的遗传控制位点进行讨论分析 ,并介绍了利用途径工程改造阿维链霉菌生产合成单一高效组分B1a和提高活性组分产量的研究进展。     

Rational design of thiolase substrate specificity for metabolic engineering applications

Metabolic engineering efforts require enzymes that are both highly active and specific toward the synthesis of a desired output product to be commercially feasible. The 3‐hydroxyacid (3HA) pathway, also known as the reverse β‐oxidation or coenzyme‐A‐dependent chain‐elongation pathway, can allow for the synthesis of dozens of useful compounds of various chain lengths and functionalities. However, this pathway suffers from byproduct formation, which lowers the yields of the desired longer chain products, as well as increases downstream separation costs. The thiolase enzyme catalyzes the first reaction in this pathway, and its substrate specificity at each of its two catalytic steps sets the chain length and composition of the chemical scaffold upon which the other downstream enzymes act. However, there have been few attempts reported in the literature to rationally engineer thiolase substrate specificity. In this study, we present a model‐guided, rational design study of ordered substrate binding applied to two biosynthetic thiolases, with the goal of increasing the ratio of C6/C4 products formed by the 3HA pathway, 3‐hydroxy‐hexanoic acid and 3‐hydroxybutyric acid. We identify thiolase mutants that result in nearly 10‐fold increases in C6/C4 selectivity. Our findings can extend to other pathways that employ the thiolase for chain elongation, as well as expand our knowledge of sequence–structure–function relationship for this important class of enzymes.     

Engineering of carboligase activity reaction in Candida glabrata for acetoin production

Utilization of Candida glabrata overproducing pyruvate is a promising strategy for high-level acetoin production. Based on the known regulatory and metabolic information, acetaldehyde and thiamine were fed to identify the key nodes of carboligase activity reaction (CAR) pathway and provide a direction for engineering C. glabrata. Accordingly, alcohol dehydrogenase, acetaldehyde dehydrogenase, pyruvate decarboxylase, and butanediol dehydrogenase were selected to be manipulated for strengthening the CAR pathway. Following the rational metabolic engineering, the engineered strain exhibited increased acetoin biosynthesis (2.24 g/L). In addition, through in silico simulation and redox balance analysis, NADH was identified as the key factor restricting higher acetoin production. Correspondingly, after introduction of NADH oxidase, the final acetoin production was further increased to 7.33 g/L. By combining the rational metabolic engineering and cofactor engineering, the acetoin-producing C. glabrata was improved stepwise, opening a novel pathway for rational development of microorganisms for bioproduction.     

组织工程的一般考虑

组织工程的最终目标是通过体外增减活细胞与其胞外环境相互作用而发育成具胡生物活性的组织或器官替代物,替换、修复组织或器官,或强化其生物学功能。本文主要讨论细胞移植和组织重建的影响因素和可能的方法。     

Engineering Escherichia coli BL21 (DE3) for high-yield production of germacrene A,a precursor of β-elemene via combinatorial metabolic engineering strategies

β-elemene is one of the most commonly used antineoplastic drugs in cancer treatment. As a plant-derived natural chemical, biologically engineering microorganisms to produce germacrene A to be converted to β-elemene harbors great expectations since chemical synthesis and plant isolation methods come with their production deficiencies. In this study, we report the design of an Escherichia coli cell factory for the de novo production of germacrene A to be converted to β-elemene from a simple carbon source. A series of systematic approaches of engineering the isoprenoid and central carbon pathways, translational and protein engineering of the sesquiterpene synthase, and exporter engineering yielded high-efficient β-elemene production. Specifically, deleting competing pathways in the central carbon pathway ensured the availability of acetyl-coA, pyruvate, and glyceraldehyde-3-phosphate for the isoprenoid pathways. Adopting lycopene color as a high throughput screening method, an optimized NS^Y305N was obtained via error-prone polymerase chain reaction mutagenesis. Further overexpression of key pathway enzymes, exporter genes, and translational engineering produced 1161.09 mg/L of β-elemene in a shake flask. Finally, we detected the highest reported titer of 3.52 g/L of β-elemene and 2.13 g/L germacrene A produced by an E. coli cell factory in a 4-L fed-batch fermentation. The systematic engineering reported here generally applies to microbial production of a broader range of chemicals. This illustrates that rewiring E. coli central metabolism is viable for producing acetyl-coA-derived and pyruvate-derived molecules cost-effectively.