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。     

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。     

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。     

酿酒酵母中胆固醇生物合成与优化的研究进展

胆固醇是动物体内积累的主要甾醇化合物,在维持细胞膜功能、合成甾体激素、生产甾体药物中间体等方面具有重要的生物学意义和医学应用价值。传统动物组织提取胆固醇的方法费时费力并存在严重的环境污染问题,而甾醇分子结构的复杂程度也限制了其化学全合成。近些年,人们利用合成生物学方法构建的微生物细胞工厂已成功用于萜类、甾醇类等天然产物的开发与合成。文中综述了胆固醇微生物细胞工厂的研究进展,包括胆固醇生物合成途径的解析、底盘菌株的选择、异源基因元件的挖掘与优化、相关代谢通路的调控等方面,并讨论了当前研究面临的问题,以期为胆固醇的高效生物合成提供参考。     

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。     

辅因子在微生物细胞工厂中的代谢调控与应用*

生物体中大部分酶催化反应都需要辅因子参与,辅因子平衡对维持正常的细胞代谢至关重要,而辅因子失衡则会导致细胞生长和生产的紊乱。在微生物细胞工厂的构建中,通过调节辅因子代谢平衡来提高产物合成途径的效率,从而调控细胞生长与产物生产,使代谢流能够最大限度地流向目标产物,已经成为代谢调控的重要手段。目前常见的用于代谢调控的辅因子有NAD(P)H/NAD(P)⁺、辅酶、ATP/ADP等。围绕这几种辅因子的代谢途径及功能分类进行了综述,并总结了微生物中不同产物利用辅因子平衡策略进行合成调控的研究,以期为各类化合物的高效生物合成提供参考。     

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。     

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...     

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。     

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。     

甲羟戊酸途径的代谢支路调控策略的研究进展

萜类化合物作为一大类重要天然产物,在食品、化工、医药和能源等领域广泛应用。微生物法合成萜类化合物因具有生产周期较短、可规模化生产等优点,是目前研究的热点。但是生产效率低严重制约着微生物法合成萜类化合物的工业化发展,而代谢调控是解决上述问题的主要有效手段之一。目前,多数学者集中于主路径的代谢调控研究,忽略了对于萜类化合物的生产至关重要的支路径。本文中,笔者围绕支路径调控直接相关的前体物质供应和辅助因子的协调、竞争途径的调控以及间接对代谢调控产生影响的宿主体的进化三个方面,综述萜类化合物甲羟戊酸途径的代谢途径支路调控策略研究进展,并对代谢路径支路调控的发展方向做进一步展望。     

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。     

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。     

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。     

微生物合成植物三萜及其皂苷化合物

植物三萜及其皂苷化合物普遍存在于植物中,具有抗炎、抗过敏、保肝护肝等多种生物活性,因此被广泛应用于医药、农业和食品等多个行业。目前,植物三萜及其皂苷化合物的主要来源是从植物中直接提取,这种方式不仅消耗大量的人力物力而且会带来严重的环境问题。随着合成生物学及组学技术的快速发展,微生物因其生长快速、操作方便等优势成为广泛应用的宿主,这为替代传统的供应方式提供了可行的方法。然而,植物三萜类化合物复杂的合成途径和外源途径的代谢不平衡严重限制了其生产。综述了植物三萜及其皂苷化合物的生物合成途径,以及利用微生物细胞工厂合成三萜及其皂苷化合物的方法,并探讨了其高效微生物合成的策略。     

桉叶素生物合成研究进展

作为桉叶油的主要成分,桉叶素是具有多种生物活性的单萜化合物,被广泛应用于药品、食品及化妆品等领域。桉叶油主要从桉树叶提取,该过程耗费大量人力及自然资源,且容易污染环境。近年来,随着微生物代谢工程与合成生物学的快速发展,加上越来越多萜类生物合成途径得到解析,为桉叶素的绿色生产提供了新的途径。对桉叶素的生物合成途径、桉叶素合酶的结构与功能及近年来桉叶素的微生物合成进行了综述,并对利用微生物代谢工程合成桉叶素等单萜化合物的瓶颈问题及解决方案进行了探讨和归纳,为构建高产桉叶素等单萜微生物工程菌株提供参考。     

谷氨酸棒状杆菌异源合成萜类化合物的研究进展

萜类化合物具有可观的商业价值,但生产过程复杂,产量低,利用微生物异源合成萜类化合物已成为热点。谷氨酸棒状杆菌内含合成萜类色素的途径,具有异源合成萜类化合物的天然优势和研究前景。首次对谷氨酸棒状杆菌合成萜类化合物进行了综述,从萜类合成途径、关键酶和全局调控机制三个方面进行了途经介绍。概述了谷氨酸棒状杆菌中单萜、倍半萜、四萜类化合物的异源合成,并对利用谷氨酸棒状杆菌高效合成萜类化合物所需解决的问题进行讨论,为谷氨酸棒状杆菌高效合成萜类化合物提供建议。     

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。     

柠檬烯和红没药烯的微生物代谢工程

柠檬烯和红没药烯均为植物天然产物,分别属于单萜类和倍半萜类化合物,能够预防和治疗癌症等多种疾病。以其作为前体物,还可以转化合成多种具有高附加值的工业产品,例如药品、保健品、化妆品及生物燃料等。目前柠檬烯和红没药烯的工业生产主要是通过植物提取法实现的,但从植物组织中提取柠檬烯和红没药烯存在着产物含量低和分离纯化困难等缺点。微生物代谢工程的快速发展为这些植物天然产物的生产提供了一条更具潜力的生物合成路线。利用微生物代谢工程技术构建生产这些有价值的植物天然产物的微生物细胞工厂具有绿色清洁、可持续发展和经济效益好等独特优势。文中系统综述了近年来代谢工程技术在微生物合成柠檬烯和红没药烯过程中的应用进展,包括所涉及的宿主菌株、关键酶、代谢途径及其改造等,并探讨了其未来发展方向。