遗传改造微生物代谢途径生产新型柴油燃料的研究进展

生物柴油是一种能替代柴油的可再生燃料,然而通过植物油料化学转酯化生产的第一代生物柴油在性能和生产工艺上有很多缺点。近年来随着合成生物学和代谢工程的迅速发展,通过选择合适的微生物并利用各种生物技术改造其代谢合成途径,如脂肪酸合成途径、异戊二烯合成途径,研究人员能利用微生物直接生产性能更加优越、品质更高的新型第二代生物柴油——长链烷烃。文章总结了目前遗传改造微生物代谢途径生产新型柴油的研究进展,并指出目前该领域存在的问题以及今后的发展方向。     

基于莽草酸途径微生物合成芳香族化合物及其衍生物的研究进展

芳香族化合物是一类重要的天然产物,在自然界中广泛存在,应用于食品、医药、化工等多个领域,主要通过化学合成、植物提取等方式获得。近年来,随着石化资源减少、人类环保意识的加强,微生物合成芳香族化合物及其衍生物成为热点。莽草酸途径合成的芳香族化合物及其衍生物多种多样。现重点综述通过莽草酸途径合成的"达菲"药物前体莽草酸、大宗化学品己二酸前体顺,顺-粘康酸、芳香族氨基酸及其他高附加值芳香族氨基酸衍生物的微生物合成研究进展,为建立生产高附加值化合物的细胞工厂提供参考。     

微生物异源合成植物异喹啉生物碱的新进展

植物异喹啉生物碱(plant isoquinoline alkaloids,PIAs)包括吗啡、可待因、加兰他敏及小糵碱等药用活性产物和其他天然活性产物。从植物中提取异喹啉生物碱,受制于低含量、种植季节及提取方法。人们开始研究利用微生物异源合成和改造天然异喹啉生物碱,从而获得低成本的药用活性物质。异喹啉生物碱合成途径长,反应复杂,为实现微生物异源合成带来了诸多挑战。随着合成途径和酶的解析和鉴定,合成生物学技术为在微生物中合成异喹啉生物碱提供了可能。综述了PIAs合成途径解析的最新进展,以及微生物异源合成PIAs的代谢工程策略,讨论了目前存在的问题和未来的发展趋势。     

启动子的选择及优化在酿酒酵母代谢工程中的应用

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为最简单的真核模式生物被广泛应用于生命科学的各项研究中。目前,大多数天然产物的主要生产途径是从原材料中直接提取,该方法效率较低,同时消耗了大量的生物资源,已逐渐被新兴的合成生物学方法所取代。其中通过改造酿酒酵母自身的代谢途径并加入异源代谢途径生产目标天然产物已成为一种高效的资源获取途径。通过对外源基因启动子的优化及改造,调控外源基因在宿主中的表达水平,从而协调宿主自身代谢途径,定向合成目的代谢产物是酵母合成生物学和代谢工程的研究热点。从构建酿酒酵母合成天然产物过程中启动子结构、类型及优化表达的方法进行了综述,为相关研究者利用酿酒酵母作为底盘细胞进行合成生物学的研究提供参考。     

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。     

微生物异源合成咖啡酸及其酯类衍生物研究进展

咖啡酸及其酯类衍生物如绿原酸、迷迭香酸和咖啡酸苯乙酯等具有天然抗氧化、抗肿瘤、抗病毒和抗炎等重要的药理活性,具有广阔的药用开发前景。从天然药物中提取或者化学合成咖啡酸及其酯类衍生物,存在含量低、提取效率不高、催化成本高昂以及环境污染等问题。随着咖啡酸及其酯类衍生物合成途径解析和合成生物学的快速发展,微生物异源合成咖啡酸及其酯类衍生物的研究已逐渐展开。对微生物异源合成咖啡酸及其酯类衍生物合成途径的最新进展以及代谢工程策略进行了综述,并讨论了目前存在的问题和未来的发展趋势。     

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。     

微生物合成黄酮糖苷类天然产物研究进展

黄酮糖苷类天然产物是植物中黄酮类化合物的主要存在形式,通过糖基化修饰,可以改变其水溶性、稳定性等,赋予其新的生物活性和功能。黄酮类化合物的糖基化修饰通常由植物源或微生物源的糖基转移酶催化,根据糖基的位置、类型和数量的不同,可形成多种类型的黄酮糖苷类产物。随着合成生物学和代谢工程的快速发展,在微生物中合成植物源黄酮糖苷类天然产物取得了重要进展。综述了糖基转移酶的聚类分析及糖基供体的途径改造,并对代谢工程优化黄酮糖苷类天然产物的微生物合成进行了分析讨论,并对其发展前景进行了展望。     

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。     

细胞色素P450酶与微生物药物创制北大核心CSCD

细胞色素P450酶广泛存在于动植物和微生物体内,具有底物结构多样性和催化反应类型多样性,在天然产物生物合成中扮演重要作用。P450酶可在温和条件下高选择性地催化结构复杂有机化合物中惰性C-H键的氧化反应,具备化学催化剂难以比拟的优势,因此在微生物制药领域具有广阔的应用空间。本文综述了参与天然产物生物合成的P450酶近年来的研究进展;P450酶的酶工程改造、生物转化实践及其在微生物药物创制方面的应用现状;探讨了P450酶的工业应用瓶颈及其解决途径;并对P450酶未来的应用前景进行了展望。     

Development of GRAS strains for nutraceutical production using systems and synthetic biology approaches: advances and prospects

Nutraceuticals are food substances with medical and health benefits for humans. Limited by complicated procedures, high cost, low yield, insufficient raw materials, resource waste, and environment pollution, chemical synthesis and extraction are being replaced by microbial synthesis of nutraceuticals. Many microbial strains that are generally regarded as safe (GRAS) have been identified and developed for the synthesis of nutraceuticals, and significant nutraceutical production by these strains has been achieved. In this review, we systematically summarize recent advances in nutraceutical research in terms of physiological effects on health, potential applications, drawbacks of traditional production processes, characteristics of production strains, and progress in microbial fermentation. Recent advances in systems and synthetic biology techniques have enabled comprehensive understanding of GRAS strains and its wider applications. Thus, these microbial strains are promising cell factories for the commercial production of nutraceuticals.     

生物技术生产丁酸的研究进展

丁酸作为一种重要的化工原料,已经广泛应用于食品添加剂与医药等领域。目前,工业上生产丁酸主要是从石油中提取有机化合物进行化学合成。与有机化合物合成法相比,微生物发酵产丁酸的优势有：所用的原料来源非常广,发酵过程低能耗,不污染环境,而且可以持续添加原料发酵生产丁酸。因此,通过生物技术发酵生产丁酸越来越受到人们的重视。介绍了丁酸的性质、产丁酸菌株的特点、微生物发酵产丁酸的细胞代谢途径及其调控、发酵法生产丁酸的工艺运行方式和产丁酸菌株及其代谢产物的生理功能这五部分内容,以期为今后开展发酵法产丁酸的微生物基因工程改造以及生产工艺的优化提供参考。     

基于一体化生物加工过程的木质纤维素合成生物丁醇的研究进展

一体化生物加工过程 (Consolidated bioprocessing,CBP) 是在一个生物反应器中完成水解酶生产、酶解、微生物发酵等多步生物过程的工艺。因其过程步骤简单、成本低,被认为是生产二代生物燃料最具发展前景的工艺。然而,由于木质纤维素降解与丁醇合成路径的复杂性,鲜有天然微生物可以直接利用木质纤维素合成丁醇。随着合成生物学技术的发展,在纤维素降解梭菌中引入丁醇合成途径,可以使单菌利用木质纤维素直接合成丁醇。但是该策略存在菌株代谢负荷重、丁醇产量低等问题。而混菌策略可以通过不同菌株的劳动分工,使单菌代谢负担得到缓解,因此进一步提高了丁醇合成效率。文中从单菌策略和混菌策略分析了近年来一体化生物加工过程利用木质纤维素合成丁醇的相关研究进展,为生物丁醇以及其他生物燃料的一体化生物加工过程研究提供借鉴。     

Directed evolution and characterization of Escherichia coli glucosamine synthase

Glucosamine synthase (GlmS) converts fructose-6-phosphate to glucosamine-6-phosphate. Overexpression of GlmS in Escherichia coli increased synthesis of glucosamine-6-P, which was dephosphorylated and secreted as glucosamine into the growth medium. The E. coli glmS gene was improved through error-prone polymerase chain reaction (PCR) in order to develop microbial strains for fermentation production of glucosamine. Mutants producing higher levels of glucosamine were identified by a plate cross-feeding assay and confirmed in shake flask cultures. Over 10 mutants were characterized and all showed significantly reduced sensitivity to inhibition by glucosamine-6-phosphate. Ki of mutants ranged from 1.4 to 4.0 mM as compared to 0.56 mM for the wild type enzyme. Product resistance resulted from single mutations (L468P, G471S) and/or combinations of mutations in the sugar isomerase domain. Most overexpressed GlmS protein was found in the form of inclusion bodies. Cell lysate from mutant 2123-72 contained twice as much soluble GlmS protein and enzyme activity as the strain overexpressing the wild type gene. Using the product-resistant mutant, glucosamine production was increased 60-fold.     

Engineering Mycobacterium smegmatis for testosterone production

A new biotechnological process for the production of testosterone (TS) has been developed to turn the model strain Mycobacterium smegmatis suitable for TS production to compete with the current chemical synthesis procedures. We have cloned and overexpressed two genes encoding microbial 17β‐hydroxysteroid: NADP 17‐oxidoreductase, from the bacterium Comamonas testosteroni and from the fungus Cochliobolus lunatus. The host strains were M. smegmatis wild type and a genetic engineered androst‐4‐ene‐3,17‐dione (AD) producing mutant. The performances of the four recombinant bacterial strains have been tested both in growing and resting‐cell conditions using natural sterols and AD as substrates respectively. These strains were able to produce TS from sterols or AD with high yields. This work represents a proof of concept of the possibilities that offers this model bacterium for the production of pharmaceutical steroids using metabolic engineering approaches.     

微生物合成纳米银的一般方法及产物性质鉴定与生产应用

纳米银具有独特的理化性质,在化学、医药等领域应用广泛,但使用化学和物理法生产纳米银毒性较强且污染严重,因此,微生物法成为了一种可供替代的绿色生产技术。近年来,微生物法合成纳米银的报道逐渐增多,对其反应条件和产物性质的研究趋于成熟,纳米银也开始与多个应用领域相结合。归纳现有微生物合成方法的规律,阐述产物的性质及应用,比较其与传统材料的优势与不足,将有助于推动微生物与纳米技术的结合与进步。基于国内外学者的报道和本课题组所开展的相关研究,本文对微生物法合成纳米银的一般检验手段和功能鉴定方法进行综述,并就纳米银的应用展开设想与讨论,以期为微生物法合成纳米银的深入研究和优化改进提供参考。     

基于甘油的1,3-丙二醇生物合成的代谢局限及其改造策略

粗甘油是生物柴油生产中的主要副产物,一些微生物可将甘油转化为重要化工原料1,3-丙二醇(1,3-PD),而利用这些微生物野生菌株生物合成1,3-PD会存在一些局限性,如底物抑制、产物抑制等。文中从1,3-丙二醇的甘油生物转化途径与这些局限性出发,总结了生物合成中存在的问题,并针对这些问题提出了一些基于基因敲除或基因过表达等基因工程技术的改造方法,综述了利用基因工程菌生物转化甘油生成1,3-丙二醇的最新研究进展。     

Xylose‐fermenting Pichia stipitis by genome shuffling for improved ethanol production

Xylose fermentation is necessary for the bioconversion of lignocellulose to ethanol as fuel, but wild‐type Saccharomyces cerevisiae strains cannot fully metabolize xylose. Several efforts have been made to obtain microbial strains with enhanced xylose fermentation. However, xylose fermentation remains a serious challenge because of the complexity of lignocellulosic biomass hydrolysates. Genome shuffling has been widely used for the rapid improvement of industrially important microbial strains. After two rounds of genome shuffling, a genetically stable, high‐ethanol‐producing strain was obtained. Designated as TJ2‐3, this strain could ferment xylose and produce 1.5 times more ethanol than wild‐type Pichia stipitis after fermentation for 96 h. The acridine orange and propidium iodide uptake assays showed that the maintenance of yeast cell membrane integrity is important for ethanol fermentation. This study highlights the importance of genome shuffling in P. stipitis as an effective method for enhancing the productivity of industrial strains.     

长链二元酸发酵菌种创制和工艺研究进展

长链二元酸作为合成多种高附加值化学品的原料,已广泛应用于化工、农业和医药等领域,目前全球对于长链二元酸的需求呈逐年增长态势。化学法合成长链二元酸对反应条件要求严苛且工艺复杂,而微生物发酵合成在经济性和难易度等方面具有无可比拟的优势。本文综述了长链二元酸的合成方法,包括化学合成法和微生物发酵法,分子工程选育高产菌株的进展以及生物发酵法生产长链二元酸的产业化现状,并就其存在的问题进行了探讨,最后对合成生物学创制长链二元酸高产菌株进行了总结和展望。     

Fitness correlates with the extent of cheating in a bacterium

There is growing awareness of the importance of cooperative behaviours in microbial communities. Empirical support for this insight comes from experiments using mutant strains, termed ‘cheats’, which exploit the cooperative behaviour of wild‐type strains. However, little detailed work has gone into characterising the competitive dynamics of cooperative and cheating strains. We test three specific predictions about the fitness consequences of cheating to different extents by examining the production of the iron‐scavenging siderophore molecule, pyoverdin, in the bacterium Pseudomonas aeruginosa. We create a collection of mutants that differ in the amount of pyoverdin that they produce (from 1% to 96% of the production of paired wild types) and demonstrate that these production levels correlate with both gene activity and the ability to bind iron. Across these mutants, we found that (1) when grown in a mixed culture with a cooperative wild‐type strain, the relative fitness of a mutant is negatively correlated with the amount of pyoverdin that it produces; (2) the absolute and relative fitness of the wild‐type strain in the mixed culture is positively correlated with the amount of pyoverdin that the mutant produces; and (3) when grown in a monoculture, the absolute fitness of the mutant is positively correlated with the amount of pyoverdin that it produces. Overall, we demonstrate that cooperative pyoverdin production is exploitable and illustrate how variation in a social behaviour determines fitness differently, depending on the social environment.