历久弥新：进化中的代谢工程

20世纪90年代,Bailey及Stephanopoulos等提出了经典代谢工程的理念,旨在利用DNA重组技术对代谢网络进行改造,以达到细胞性能改善,目标产物增加的目的。自代谢工程诞生以来的30年,生命科学蓬勃发展,基因组学、系统生物学、合成生物学等新学科不断涌现,为代谢工程的发展注入了新的内涵与活力。经典代谢工程研究已进入到前所未有的系统代谢工程阶段。组学技术、基因组代谢模型、元件组装、回路设计、动态控制、基因组编辑等合成生物学工具与策略的应用,大大提升了复杂代谢的设计与合成能力;机器学习的介入以及进化工程与代谢工程的结合,为系统代谢工程的未来开辟了新的方向。文中对过去30年代谢工程的发展趋势作了梳理,介绍了代谢工程在发展中不断创新的理论与方法及其应用。     

代谢工程30年专刊序言 (2021)

代谢工程利用重组DNA技术、合成生物学、基因组编辑来改变生物体的细胞网络,包括代谢、基因调控和信号网络等。它可以实现加强包括化学品、燃料、化学原料药和其他生物技术产品等代谢物生产的目标,提升生物制造能力与效率。为了梳理和凝练代谢工程30年来的发展状况,《生物工程学报》特组织出版专刊,从代谢工程总体发展、共性技术以及以什么宿主和做什么产品等4个方面展现该领域的发展动态和趋势,并为代谢工程领域的进一步发展提出建设性的意见与展望。     

代谢工程技术方法研究进展

代谢工程技术是构建微生物细胞工厂的重要方法。过去20年,代谢工程技术在生产高附加值生物活性物质和大宗商业化学品等方面被广泛应用,极大地推动了医药、能源、环境等行业的技术变革和高速发展。近些年来,随着合成生物学、分子生物学以及计算机科学等相关学科技术的发展,代谢工程在代谢网络分析、提高菌株性能、途径酶的共定位表达等方面呈现许多新的发展,本文对这些技术方法的研究和应用进行了概述。     

合成生物学与代谢工程

随着DNA重组技术的日趋成熟,代谢工程的理论和应用已经得到了迅速发展。合成生物学是近年来蓬勃发展的一门新兴学科,在许多领域都具有重要的应用。以下从改造细胞代谢的关键因子、代谢途径的调节和宿主细胞与代谢途径构建的关系等方面详细讨论了合成生物学的最新进展和合成生物学在代谢工程领域的应用。     

代谢工程发展30年

代谢工程学科建立30年以来先后与分子生物学、系统生物学和合成生物学发生深度的交叉融合,并在此基础上获得了飞速发展,极大地促进了生物技术产业的进步和升级。文中首先基于SCI论文发表情况对30年来代谢工程学术研究现状和我国在该领域的地位和影响力进行了分析,随后总结了近10年来系统生物学方法和合成生物学的主要使能技术在代谢工程中的应用。最后讨论了目前代谢工程发展中存在的主要问题和今后的发展趋势。     

《生物工程学报》2010年“代谢工程”专刊征稿通知

<正>代谢工程自1991年诞生以来,在改造植物、动物、微生物的代谢功能方面得到了广泛的应用。为了展现代谢工程科研工作者取得的最新进展,促进我国代谢工程研究的进步和发展,本刊2009年第9期设立了"代谢工程与细胞工厂"专栏,国内该领域著名学者对代谢工程的技术发展进行了总结,介绍了合成生物学等新理论和新技术,并发表了     

酿酒酵母细胞融合机制及交配信号通路的合成生物学应用

细胞融合是大多数真核生物发育中的一个基本生物过程。酿酒酵母作为真核生物基因组合成和转移的经典模式生物,其细胞融合机制不清楚,因此限制了它的合成生物学应用。在酿酒酵母的融合过程中,细胞对信息素做出反应,触发促分裂原活化的蛋白激酶（MAPK）级联反应以启动交配,随后细胞发生极化、细胞壁重塑、膜融合和核配。其中,研究可能的“融合酶”——受信息素调控的多跨膜蛋白（Prm1）为推动细胞融合可控性提供方向。酵母交配信号通路的合成生物学应用基于生物元件、生物装置与生物系统以及多细胞互作3个层次,本文分析了信息素诱导型启动子、G蛋白偶联受体、支架蛋白、转录因子、双稳态开关、调谐器、底盘细胞等在生物传感器及代谢工程等领域的应用。开发理性设计的模块化线路和优化交配途径来精确调控酵母交配的生理事件,对于细胞融合的人工可操纵性发展具有重要意义。     

适于二代燃料乙醇生产酿酒酵母的精准构制

以木质纤维素为原料的二代燃料乙醇工业生产对发酵微生物的基本要求,一是可对木质纤维素组分中的全糖发酵,二是对预处理过程产生的毒性物质具有高耐受性。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是具有优良生产性能的传统乙醇发酵生产菌株,是适合包括二代燃料乙醇等生物基化合物转化的理想底盘细胞。近30年来,利用理性代谢工程改造、非理性适应性进化以及新兴起的合成生物学等策略,对酿酒酵母进行精准构制,极大地提高了其二代燃料乙醇生产的产业化性能。综述了适于二代燃料乙醇生产酿酒酵母精准构制过程中的己糖和戊糖代谢途径工程、辅酶工程、糖转运蛋白、抗性元件发掘以及产业化推进等方面的研究进展。     

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。     

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。     

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.     

2013合成生物学专刊序言

合成生物学目前在全球得到迅猛发展。在此专刊中,综述了一些相关技术在合成生物学领域的进展,其中有:链霉菌无痕敲除方法、基因合成技术、DNA组装新方法、最小化基因组的方法及分析、合成生物系统的组合优化。也讨论了应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘、产溶剂梭菌分子遗传操作技术、蛋白质预算(Protein budget)作为合成生物学的成本标尺。最后,用几个例子说明了合成生物学的应用,包括复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建、微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品以及构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇。     

Advancing secondary metabolite biosynthesis in yeast with synthetic biology tools

Secondary metabolites are an important source of high-value chemicals, many of which exhibit important pharmacological properties. These valuable natural products are often difficult to synthesize chemically and are commonly isolated through inefficient extractions from natural biological sources. As such, they are increasingly targeted for production by biosynthesis from engineered microorganisms. The budding yeast species Saccharomyces cerevisiae has proven to be a powerful microorganism for heterologous expression of biosynthetic pathways. S. cerevisiae's usefulness as a host organism is owed in large part to the wealth of knowledge accumulated over more than a century of intense scientific study. Yet many challenges are currently faced in engineering yeast strains for the biosynthesis of complex secondary metabolite production. However, synthetic biology is advancing the development of new tools for constructing, controlling, and optimizing complex metabolic pathways in yeast. Here, we review how the coupling between yeast biology and synthetic biology is advancing the use of S. cerevisiae as a microbial host for the construction of secondary metabolic pathways.     

Engineering of microorganisms for the production of biofuels and perspectives based on systems metabolic engineering approaches

The increasing oil price and environmental concerns caused by the use of fossil fuel have renewed our interest in utilizing biomass as a sustainable resource for the production of biofuel. It is however essential to develop high performance microbes that are capable of producing biofuels with very high efficiency in order to compete with the fossil fuel. Recently, the strategies for developing microbial strains by systems metabolic engineering, which can be considered as metabolic engineering integrated with systems biology and synthetic biology, have been developed. Systems metabolic engineering allows successful development of microbes that are capable of producing several different biofuels including bioethanol, biobutanol, alkane, and biodiesel, and even hydrogen. In this review, the approaches employed to develop efficient biofuel producers by metabolic engineering and systems metabolic engineering approaches are reviewed with relevant example cases. It is expected that systems metabolic engineering will be employed as an essential strategy for the development of microbial strains for industrial applications.     

非常规酵母的分子遗传学及合成生物学研究进展

先进的合成生物学技术与传统的分子遗传学技术的结合更有助于实现酵母底盘细胞的快速改造和优化。酵母合成生物学研究最早开始于常规酵母——酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae),近些年来又迅速扩展至一些非常规酵母,包括巴斯德毕赤酵母(Pichiapastoris)、解脂耶氏酵母(Yarrowialipolytica)、乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)和多形汉逊酵母(Hansenula polymorpha)等。借助合成生物学技术与工具,目前科学家们已经成功开发出了能够高效生产生物材料、生物燃料、生物基化学品、蛋白质制剂、食品添加剂和药物等工业产品的重组非常规酵母工程菌株。本文系统总结了合成生物学工具(主要是基因组编辑工具)、合成生物学组件(主要是启动子和终止子)和相关分子遗传学方法在上述非常规酵母系统(底盘细胞)中的最新研究进展和应用情况,并讨论了其他合成生物学技术在这些非常规酵母表达系统中的潜在适用性和应用前景。这为研究人员利用合成生物学方法在这一新型非模式微生物底盘细胞中设计和构建各种高附加值工业产品的异源合成模块并最终实现目标化合物的高效生物合成提供了科学的理论指导。     

Translational synthetic biology

Synthetic biology is a recent scientific approach towards engineering biological systems from both pre-existing and novel parts. The aim is to introduce computational aided design approach in biology leading to rapid delivery of useful applications. Though the term reprogramming has been frequently used in the synthetic biology community, currently the technological sophistication only allows for a probabilistic approach instead of a precise engineering approach. Recently, several human health applications have emerged that suggest increased usage of synthetic biology approach in developing novel drugs. This mini review discusses recent translational developments in the field and tries to identify some of the upcoming future developments.     

石油烃生物降解过程的研究进展

石油烃污染物属于难降解混合物,生物修复已经成为石油烃污染环境的主要修复方法。文中简述了微生物对石油烃的间期适应过程和转运过程,并通过对部分典型石油烃成分的微生物降解机理和代谢路径的梳理和综述,阐释了石油烃生物降解过程中的菌株、基因、代谢路径等研究进展。此外,利用基因工程和代谢工程等手段,可对野生型石油烃降解菌进行改造,进一步提升其对石油烃污染环境的生物修复能力。最后,从石油烃降解菌的代谢途径改造、人工混菌体系的设计构建等角度,结合合成生物学和代谢工程的手段,提出了对石油烃降解的研究展望,以期提升对石油烃污染物的生物修复效果。