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。     

细胞区室化调控萜类化合物微生物合成

萜类化合物具有抗炎、抗氧化、抑制肿瘤细胞增殖等药学活性,在医药行业应用广泛。近年来,利用微生物合成萜类化合物受到广泛关注。在微生物中高效合成萜类化合物离不开代谢途径的调控与优化,其中细胞区室化是常用的调控策略之一,在微生物细胞工厂的构建中发挥着重要作用。代谢途径的细胞区室化具有许多优点,如增加酶和底物的局部浓度,抑制其向副产物转移和减少有毒中间体积累等,可实现萜类化合物的高效合成。近年来利用细胞区室化在微生物中合成萜类化合物的研究逐步展开,但目前对于区室化工程在构建细胞工厂中的应用总结较少。因此,围绕代谢途径区室化的作用,各种细胞器的生理特性及其在调控萜类化合物微生物合成中的应用进行了综述,讨论细胞区室化调控策略的发展、存在的问题及前景,以期为萜类化合物的高效微生物合成提供参考。     

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。     

酿酒酵母合成异源单萜类化合物的研究进展

单萜类化合物在食品、医药和工业等领域有重要的应用,具有可观的经济价值.随着合成生物学的日益发展,利用微生物作为细胞工厂合成单萜类化合物成为时下的研究热点.酿酒酵母是真核生物表达的模式菌株,其甲羟戊酸途径为单萜类化合物的合成提供直接前体,因此在酿酒酵母中构建异源单萜类化合物合成途径有较大优势.本文介绍了酿酒酵母细胞中异源单萜类化合物合成途径的构建.从甲羟戊酸途径代谢通量调控机制和融合酶调控酶催化反应效率两方面概述了酿酒酵母异源合成单萜类化合物的研究进展.     

植物来源的二萜化合物的生物合成研究

二萜化合物广泛地存在于动物、植物和微生物中。由于其化学结构多样性和良好的生物活性,越来越多的二萜类化合物作为药物走进大众的视野,并受到越来越多的科学工作者的关注。绝大多数的二萜化合物来源于植物,但是随着植物药材的长期开发,野生植物药材资源日益减少,人工种植植物药材品质日渐退化,而揭示其中关键活性成分的生物合成机制,以合成生物学的策略改造的微生物作为"细胞工厂",是解决上述问题的重要手段。该文主要以二萜合酶为线索,概述了植物来源的二萜类化合物的生物合成研究进展,探究二萜化合物结构的多样性及其生物合成研究的前景和发展趋势。     

酿酒酵母单萜合成的研究进展

萜类化合物是以异戊二烯为基本单元的一大类天然化合物,广泛存在于植物、微生物及昆虫中。其中,单萜类化合物主要用于高级香料及化妆品、食品添加剂、杀虫剂、除草剂和新型燃料等的生产,具有广泛的应用潜力。近年来,研究人员已构建出多种萜类化合物的酿酒酵母工程菌株,且通过代谢工程和合成生物学的方法有效提高了产品的产量。但是单萜的微生物合成却相对落后,其中前体供给不足及单萜对微生物毒性强等因素限制了其高效合成。主要从以下几个方面阐述了利用酿酒酵母合成单萜类化合物的目前研究进展:包括单萜合成酶在酿酒酵母中的表达,利用动态调控、蛋白质工程等策略增强酿酒酵母中前体香叶基焦磷酸的合成通量,减少单萜的内源性转化,提高酿酒酵母菌株对单萜的耐受性。在此基础上,结合本课题组的前期工作,针对微生物合成单萜过程中依然存在的瓶颈问题提出可能的解决策略,旨在为进一步优化酿酒酵母单萜合成细胞工厂提供参考。     

萜类生物合成的基因操作

萜类是一组结构迥异的化合物家族,其中很多具有较大的应用价值,如青蒿素和紫杉醇等,它们在多种微生物和植物中合成,但其天然产量低。萜类代谢工程通过DNA重组技术改造萜类合成细胞中的代谢途径,以提高萜类最终产量或在不含萜类的生物中合成萜类,为促进有用萜类合成提供了新的机会。以萜类化合物生物合成途径的基因转移与表达为切入点,综述了目前在微生物及植物中应用代谢工程提高萜类产量的研究进展。     

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。     

代谢工程改造解脂耶氏酵母合成植物萜类化合物的研究进展

萜类化合物是一类广泛存在于植物中的天然产物,其在食品、药品和化工等多个领域中均有广泛的用途,市场潜力巨大。因此,开发生产萜类化合物等植物天然产物可再生的微生物资源来补充甚至代替原有稀少和珍贵的植物资源,具有重要的理论意义和潜在的应用价值。解脂耶氏酵母是目前使用最广泛的非常规酵母底盘细胞之一。近年来,利用代谢工程及合成生物学技术在解脂耶氏酵母底盘细胞中重构与优化萜类化合物的合成途径以实现目标代谢产物的高效合成,已经成为一项研究热点。本文系统总结了有关利用解脂耶氏酵母作为底盘细胞异源生产植物萜类化合物的具体实例和最新进展,包括所涉及的宿主菌株、关键酶、代谢途径及改造策略等,并在最后对该领域的未来发展方向进行了展望。     

解脂耶氏酵母合成萜烯的进展:见微知著的改造策略

萜烯是一类基于五碳单元类异戊二烯的天然化合物,种类繁多且具有多种生物活性,被广泛应用于食品、医药和化工领域.传统萜类物质生产依赖于化学合成或植物组织提取,存在产率低、资源浪费的缺点.近年来,代谢工程和合成生物学的发展促进了微生物细胞工厂的高效构建,为化学品的微生物合成提供了新的选择.解脂耶氏酵母因前体甲羟戊酸途径的内源...     

Engineering a powerful green cell factory for robust photoautotrophic diterpenoid production

Diterpenoids display a large and structurally diverse class of natural compounds mainly found as specialized plant metabolites. Due to their diverse biological functions they represent an essential source for various industrially relevant applications as biopharmaceuticals, nutraceuticals, and fragrances. However, commercial production utilizing their native hosts is inhibited by low abundances, limited cultivability, and challenging extraction, while the precise stereochemistry displays a particular challenge for chemical synthesis. Due to a high carbon flux through their native 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate (MEP) pathway towards photosynthetically active pigments, green microalgae hold great potential as efficient and sustainable heterologous chassis for sustainable biosynthesis of plant-derived diterpenoids. In this study, innovative synthetic biology and efficient metabolic engineering strategies were systematically combined to re-direct the metabolic flux through the MEP pathway for efficient heterologous diterpenoid synthesis in C. reinhardtii. Engineering of the 1-Deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase (DXS) as the main rate-limiting enzyme of the MEP pathway and overexpression of diterpene synthase fusion proteins increased the production of high-value diterpenoids. Applying fully photoautotrophic high cell density cultivations demonstrate potent and sustainable production of the high-value diterpenoid sclareol up to 656 mg L⁻¹ with a maximal productivity of 78 mg L⁻¹ day⁻¹ in a 2.5 L scale photobioreactor, which is comparable to sclareol titers reached by highly engineered yeast. Consequently, this work represents a breakthrough in establishing a powerful phototrophic green cell factory for the competetive use in industrial biotechnology.     

合成生物学在微生物细胞工厂构建中的应用

通过微生物发酵的方法生产大宗化学品和天然产物能够部分替代石油化工炼制和植物提取。合成生物学技术的发展极大地提高了构建微生物细胞工厂生产大宗化学品和天然产物的能力。一方面综述了合成生物学在构建细胞工厂时的关键技术,包括最优合成途径的设计、合成途径的创建与优化、细胞性能的优化;另一方面,介绍了应用这些技术构建细胞工厂生产燃料化学品、大宗化学品和天然产物的典型案例。     

合成芳香族化合物的酵母底盘改造策略*

芳香族化合物种类丰富,在多个行业具有广泛的用途,需求量大。通过构建微生物细胞工厂合成芳香族化合物具有独特的优势和工业化应用前景,其中酵母底盘因其清晰的遗传背景、完善的基因操作工具以及成熟的工业发酵体系等优势,常被用于构建细胞工厂。目前改造酵母底盘生产芳香族化合物的研究取得了一系列进展,并针对关键问题提出了一些可行的解决策略。针对酵母合成芳香族化合物的策略与挑战,从芳香族化合物合成路径改造、多样化碳源利用及转运系统改造、基因组多靶点改造、特殊酵母底盘及混菌系统构建、合成生物学高通量技术的应用这五个方面进行系统地梳理和阐述,为生产芳香族化合物的酵母底盘构建与改造提供思路。     

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。     

Road to the future of systems biotechnology: CRISPR-Cas-mediated metabolic engineering for recombinant protein production

The rising potential for CRISPR–Cas-mediated genome editing has revolutionized our strategies in basic and practical bioengineering research. It provides a predictable and precise method for genome modification in a robust and reproducible fashion. Emergence of systems biotechnology and synthetic biology approaches coupled with CRISPR–Cas technology could change the future of cell factories to possess some new features which have not been found naturally. We have discussed the possibility and versatile potentials of CRISPR–Cas technology for metabolic engineering of a recombinant host for heterologous protein production. We describe the mechanisms involved in this metabolic engineering approach and present the diverse features of its application in biotechnology and protein production.     

基于细胞亚群调控提升生物合成效率的研究进展

采用合成生物学与代谢工程技术设计与构建微生物细胞工厂是实现化学品绿色生物制造的重要方法。微生物发酵过程中低产细胞亚群和非生产细胞亚群由于代谢负担轻,更加具有生长优势,会降低产物合成的综合效率。目前,基于响应产物浓度的生物传感器,偶联产物合成与生长的细胞亚群调控系统有助于解决这个问题。综述了细胞亚群调控系统设计和构建的常用方法,重点讨论了目前细胞亚群调控系统存在的问题及其解决策略。     

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.     

Aspergillus as a multi-purpose cell factory: current status and perspectives

Aspergilli have a long history in biotechnology as expression platforms for the production of food ingredients, pharmaceuticals and enzymes. The achievements made during the last years, however, have the potential to revolutionize Aspergillus biotechnology and to assure Aspergillus a dominant place among microbial cell factories. This mini-review will highlight most recent breakthroughs in fundamental and applied Aspergillus research with a focus on new molecular tools, techniques and products. New trends and concepts related to Aspergillus genomics and systems biology will be discussed as well as the challenges that have to be met to integrate omics data with metabolic engineering attempts.     

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.     

Engineering of a genome-reduced host: practical application of synthetic biology in the overproduction of desired secondary metabolites

Synthetic biology aims to design and build new biological systems with desirable properties, providing the foundation for the biosynthesis of secondary metabolites. The most prominent representation of synthetic biology has been used in microbial engineering by recombinant DNA technology. However, there are advantages of using a deleted host, and therefore an increasing number of biotechnology studies follow similar strategies to dissect cellular networks and construct genome-reduced microbes. This review will give an overview of the strategies used for constructing and engineering reduced-genome factories by synthetic biology to improve production of secondary metabolites.