非传统酵母代谢工程研究进展

近30年来解脂耶氏酵母、克鲁维酵母、毕赤酵母、假丝酵母、汉逊酵母等非传统酵母因其具有天然的生理代谢优势,如快速生长、多底物利用、胁迫耐受性等,在代谢工程领域得到了广泛关注,多种基因工程改造工具正逐渐被开发用于非传统酵母的特性拓展,使其成为合成重组蛋白、生物可再生化学物质的高效细胞工厂。文中总结了非传统酵母中基因编辑工具的发展,并从代谢工程改造策略角度概括了利用非传统酵母进行产品合成的研究进展。最后,讨论了非传统酵母在产品生产应用方面遇到的挑战和未来的研究方向。     

芳香族化合物微生物代谢工程研究进展

代谢工程从20世纪90年代初期发展至今已有近30年历史,对微生物菌种改良和选育工作起到了极大的推动作用。芳香族化合物是一类可以通过微生物发酵生产的化学品,广泛应用于医药、食品、饲料和材料等领域。利用代谢工程手段对莽草酸和芳香族氨基酸合成途径进行理性改造,微生物细胞可以定向地大量积累人们需要的各种芳香族化合物。笔者对近30年来国内外代谢工程改造微生物合成各种芳香族化合物的研究策略和生物合成途径进行了梳理和总结,以期为开展相关研究提供参考。     

L-苯丙氨酸生产的代谢工程研究

L-苯丙氨酸是一种重要的食品和医药中间体。工业上一般采用酶法和发酵法来生产L-苯丙氨酸。代谢工程的兴起,使得更加理性的改造菌株成为可能,这更加促进了发酵法的广泛应用。主要介绍了代谢工程在L-苯丙氨酸生产菌的改造中的应用情况,其中涉及苯丙氨酸生物合成途径中相关基因及其酶的调控、中央代谢途径的改造和芳香族氨基酸生物合成支路的修饰。并探讨了将来的发展前景。     

甲醇酵母代谢工程研究进展

甲醇酵母由于独特优点被认为是绿色生物制造的潜在宿主。特别是其天然甲醇利用性能有望建立甲醇生物转化路线,拓展生物炼制底物,具有重要经济价值和环保意义。文中综述了代谢工程改造甲醇酵母合成蛋白质和化学品的最新研究进展,并比较了其与模式生物酿酒酵母作为细胞工厂的优缺点。随后,分析了甲醇酵母代谢工程改造面临的挑战,并展望了潜在解决方案。随着基因操作工具开发和细胞代谢阐释,甲醇酵母将在未来绿色生物制造发挥越来越重要的作用。     

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。     

后基因组时代的丝状真菌基因组学与代谢工程

丝状真菌不仅是传统发酵工业中抗生素、酶制剂和有机酸的主要生产者,而且也是代谢工程育种中异源蛋白表达的重要细胞工厂。丝状真菌的遗传修饰和代谢工程研究是现代工业生物技术领域最具活力的研究方向之一。特别是与细菌和酵母相比,丝状真菌在细胞生长、营养需求、环境适应性、翻译后修饰、蛋白分泌能力和生物安全性等方面具有显著的优势。文章综述了丝状真菌作为异源蛋白表达系统在基因组学技术研究和代谢工程研究方面的最新进展。作者在分析丝状真菌基因组结构、特点的基础上,阐述了比较基因组学、蛋白质组学、转录组学和代谢组学等对丝状真菌的代谢途径重构、新型蛋白挖掘和代谢工程育种中的作用和意义。另一方面,作者分析了丝状真菌在表达外源蛋白时遇到的瓶颈问题,总结了丝状真菌代谢工程育种中的常用策略包括异源基因的融合表达、反义核酸技术、蛋白分泌途径改造、密码子优化和蛋白酶缺陷宿主的选育等技术和手段。最后,对该领域的发展趋势进行了展望。     

酵母细胞甘油代谢与生理功能研究进展

甘油是酵母细胞生长代谢过程中常见的多元醇物质。尽管甘油的结构简单,代谢途径并不复杂,但是其在细胞内的生理功能十分重要。甘油代谢过程主要参与细胞的高渗透压生理调节和厌氧条件下的胞内氧化还原平衡调节。近年来许多学者在酵母细胞的甘油代谢及生理功能方面开展了深入的研究。在扼要介绍甘油生理代谢的基础上,重点阐述甘油代谢参与细胞高渗压甘油应答信号途径和氧化还原平衡调节的生理机制,同时就酵母细胞甘油合成的代谢工程进行归纳和评述。     

从碳代谢流角度新解代谢工程策略

代谢工程通过改造微生物代谢过程,进而利用微生物生产各种有用的医药、化学产品及工业原料.本文从细胞代谢中碳代谢流的角度入手,将代谢工程的传统与新型策略进行分类解析.其中,传统代谢工程手段主要对目标代谢路径的关键酶进行改造,通过过表达或基因敲除增大目的代谢路径碳代谢流.然而,在代谢路径改造需要进行多基因表达的情况下,传统手段在如何最佳表达多种酶使碳流通畅上会受到很大限制.本文提出利用高碳流路径,通过简单基因改造以获得高效目标产物生产的新策略.同时,随着合成生物学与系统生物学的发展,精细调控多基因表达成为可能.本文进一步举例讨论了代谢工程中粗略与精细调控基因表达水平对碳流的影响,以期对教学与前沿科研有助.     

大肠杆菌细胞工厂的创建技术

大肠杆菌作为一种重要的模式工业微生物,在医药、化工、农业等方面具有广泛的应用。近30年来,多种代谢工程改造的新策略和新技术,被用于设计、构建和优化大肠杆菌化学品细胞工厂,极大地提高了生物法合成化学品的生产速率和产量。文中将从大肠杆菌途径设计、合成途径创建与优化和细胞全局优化三个方面,对大肠杆菌代谢改造起重要推动作用的技术进行综述,并对大肠杆菌代谢工程中关键技术的应用进行了展望。     

代谢工程中基因修饰与基因表达的工具

代谢工程利用重组DNA技术导入定向改造的基因 ,以改进微生物细胞的某些代谢特性 ,已经发展成为一个工业微生物育种和优化发酵过程的强有力工具。基因的修饰与表达是代谢工程的重要组成部分。本文介绍了近年来代谢工程中基因修饰与表达所用的工具方面的进展。     

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。     

稳定遗传的染色体组合整合酿酒酵母重组菌株的构建

染色体整合表达可获得稳定遗传的基因工程菌,是工业酿酒酵母育种的重要手段。pAUR135整合载体是抗生素标记基因可循环使用的载体,添加特定的同源臂后可构建在酵母染色体上稳定遗传的菌株。目前对酵母菌的分子育种常需要对多个基因进行过表达,利用pAUR135载体可将不同基因分别整合在不同染色体或相同染色体的不同位点,这种组合整合表达方法可对不同基因的表达强度比例进行调节,构建表型优化的工业酿酒酵母菌株。本研究以木糖代谢途径基因为例,构建了3个pAUR135整合载体,将3个木糖代谢基因依次整合到工业酿酒酵母染色体的不同位点,获得了染色体组合整合表达的代谢工程菌株。与将这3个基因整合在同一个位点的对照重组菌株相比,染色体组合整合的重组菌株木糖利用率提高了24.4%–35.5%。多基因染色体组合整合方法从新的角度对工业酵母进行代谢工程改造,所获得的工程菌株不带有任何外来基因和选择标记,可以保持性状的稳定,是工业酿酒酵母分子育种的新方法。     

基于图论和约束优化的异源代谢途径设计方法及应用

构建高产高附加值产品的微生物细胞工厂是代谢工程的研究目标之一,设计高效的产品合成途径是实现这一目标的重要方式.不同微生物底盘因其代谢能力有所差异,故而可以利用的底物和生产的产品范围有限.为了扩大其生产能力,需要进行代谢途径从无到有的设计.传统代谢工程基于经验进行异源途径设计的方式低效且无法确保结果的全面性,而系统生物学...     

鲁氏酵母胞内海藻糖积累过程的代谢特征分析

海藻糖合成是微生物对抗环境逆境的一种重要途径。研究10L发酵罐中的分批、分批补料及分批补料控温三种不同的海藻糖发酵调控策略下酱油风味形成微生物鲁氏酵母CCTCC M2013310的代谢特征。色谱结果表明,乳酸、丙酮酸和α-酮戊二酸受到不同发酵调控模式的显著影响,但谷氨酸和谷氨酰胺总含量在三种发酵调控模式间却无显著差异。这些结果表明,细胞还原力平衡途径和碳氮调控代谢均对胞内海藻糖的积累产生影响。研究结果为鲁氏酵母CCTCC M2013310的高浓度内源性海藻糖细胞代谢工程改造提供了新思路。     

合成生物学开关在代谢工程中的应用

在代谢工程研究领域中合成生物学开关主要用于调控基因的表达。传统的代谢工程改造主要通过敲除和过表达来改变特定基因的表达量。但基因敲除通常会导致菌体生长的下降。因此,我们需要适时的关闭和激活特定基因的表达。合成生物学开关就是解决这一问题的关键工具。目前,在代谢工程中常用的合成生物学开关有光控开关、温度诱导开关、拨动开关和核糖开关。其中,拨动开关和核糖开关在动态调节基因表达上拥有更大优势。介绍了代谢工程中常用的几种合成生物学开关,以及它们在代谢工程的应用。     

3-脱氢莽草酸生物合成的代谢工程

3-脱氢莽草酸,是芳香族氨基酸生物合成代谢途径中一种重要的中间产物,可作为一些化学合成制剂和药物中间原料。这样以无毒可再生物质为起始原料的合成方法与传统的有机合成化学制剂的方法相比,对环境更加有利。此外,它还是一种十分有效的抗氧化剂。工业上一般采用化学合成法和发酵法来生产3-脱氢莽草酸,随着代谢工程的兴起,使得更加理性改造菌株成为可能,这更加促进了发酵法的广泛应用。本文主要介绍了代谢工程在生物合成3-脱氢莽草酸生产菌改造中的应用情况,其中涉及3-脱氢莽草酸生物合成途径中相关基因及其酶的调控、中心代谢途径的改造和3-脱氢莽草酸合成支路的修饰等,并探讨了将来的发展前景。     

基因组尺度分析和代谢工程策略

代谢工程是近年来发展起来的新技术,随着各种组学技术的发展,高通量数据整合方法用于分析细胞的代谢网络,改造代谢途径,以提高目标产物的产量。本文就代谢工程的发展状况,基因组尺度的分析技术,以及代谢工程策略进行了综述。分析了生物信息学和系统生物学方法在代谢途径构建和代谢网络分析中的作用,并就存在的问题和可能的解决途径进行了阐述。     

代谢工程改造微生物生产芳香族化合物的研究进展

芳香族化合物广泛应用于化学工业。利用代谢工程改造微生物生产各种芳香族化合物越来越受到人们的关注。通过理性改造,微生物可以定向地大量积累人们需要的各种芳香族化合物。此外,通过设计新的反应途径并引入外源基因,可以拓宽微生物生物合成的产物谱,获得某些具有重要应用价值的新的芳香族化合物。这些研究成果对解决化石能源危机和环境可持续发展问题具有积极意义。本文中,笔者主要对近年来微生物生产各种芳香族化合物的最新研究进展及相应的代谢工程改造策略进行综述,为开展相关研究提供参考。     

热带假丝酵母正烷烃代谢研究及代谢工程方法进展

正烷烃在热带假丝酵母(Candidatropicalis)细胞内的代谢过程主要包括ω-氧化和β-氧化两个反应途径,前者促使脂肪酸的生成,后者则涉及脂肪酸的降解,二者均由一系列的酶催化完成。本文综述了烷烃代谢过程的机理,以及各种相关酶及其基因的研究状况。在此基础上,进一步对与C·tropicalis有关的分子遗传学方法,以及代谢工程方面在近年来的研究进展进行了介绍。     

生物法合成双乙酰的研究进展

随着对双乙酰生物合成途径的深入研究,利用代谢工程的方法定向改良菌株,优化双乙酰的代谢途径,成为提高双乙酰生产水平的新思路。本文总结了双乙酰的生产菌株和相关代谢途径,综述了改造双乙酰生产菌株的代谢工程策略,提出了未来的研究方向。