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。     

形态工程在生物基化学品生产中的应用进展

合成生物学和代谢工程是构建微生物细胞工厂、实现化学品绿色生物制造的重要方法,目前主要集中在微生物代谢网络的改造及调控上,很少考虑到微生物细胞特性的影响。形态工程通过改造微生物细胞形态相关蛋白,有目的地对微生物细胞形态及分裂方式进行合理调控,从而优化微生物细胞的特性,是降低生物炼制成本的一种新兴生物工程技术。文中首先介绍了与微生物细胞形态相关的各类蛋白,并重点总结了形态工程在生物基化学品合成方面的应用进展,包括调控细胞体积以提高胞内产物积累量、改善细胞通透性以促进胞外产物分泌、实现高密度发酵以降低生产成本、控制产物水解程度以提高产品性能。最后,提出了形态工程面临的主要问题并展望了其未来的发展趋势。     

谷氨酸棒杆菌的代谢工程使能技术研究进展

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum是重要的工业微生物,尤其是在氨基酸工业中,每年用于600余万t氨基酸的生物制造。近年来,谷氨酸棒杆菌代谢工程使能技术正在不断完善,不仅加快了细胞工厂的创建和优化,拓展了底物谱和产物谱,也推动了谷氨酸棒杆菌的基础研究,使谷氨酸棒杆菌成为代谢工程的理想底盘细胞。文中综述了近期针对谷氨酸棒杆菌开发的代谢工程使能技术,着重介绍了基于CRISPR的基因组编辑、基因表达调控、适应性进化和生物传感器等技术的开发和应用。     

细胞工厂黑曲霉的系统生物学

丝状真菌黑曲霉被广泛应用于发酵工业,用于生产柠檬酸和各种不同的工业用酶。在进一步开发生产燃料和化学品的生物过程中,黑曲霉是一个有趣的万能细胞工厂,因为它能耐受低pH值,可以利用广泛的碳源,并有相对较高的转化率。在将黑曲霉作为一般细胞工厂平台进行发展方面．已经拥有了一批系统生物学技术,     

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。     

面向工业生物技术的系统生物学

工业生物技术是以微生物细胞工厂利用可再生的生物原料来生产能源、材料与化学品等的生物技术,在解决资源、能源与环境等问题方面起着越来越重要的作用。系统生物学是全面解析微生物细胞工厂及其发酵过程从"黑箱"到"白箱"的重要研究方法。系统生物学借助基因组、转录组、蛋白质组、代谢组以及代谢流组等多组学数据,可解析微生物细胞工厂在RNA、蛋白与代谢物等不同水平上的变化规律与调控机制。目前,系统生物学在微生物细胞工厂的设计创建与发酵工艺优化中起着越来越重要的指导作用,许多成功应用实例不断涌现,推动着工业生物技术的快速发展。文中重点综述基因组、转录组、蛋白质组、代谢组与代谢流组以及基因组规模的网络模型等各组学技术的最新发展及其在工业生物技术尤其是菌株改造与发酵优化中的应用,并就工业生物技术中系统生物学的未来发展方向进行展望。     

反义RNA技术在丝状真菌代谢工程中的应用

丝状真菌作为一种重要的工业微生物,采用各种表达调控技术对其代谢途径进行改造以便适应生产需求成为当前的研究热点之一。反义RNA技术是代谢工程中调控基因表达的一种重要手段,且由于其操作简单避免了基因敲除技术的复杂性,在丝状真菌体系中有着良好的应用前景。本综述中,从反义RNA的作用机理、真菌体系的基因工程技术以及目前反义RNA技术的应用等方面,对反义RNA技术在丝状真菌代谢工程中的应用进行了概述。     

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。     

以酿酒酵母为细胞工厂的木质纤维素原料对木糖组分利用的研究进展

<正>年产量巨大的木质纤维素是可再生的生物基产品生产原料。近些年来得到广泛关注。木糖是木质纤维素原料的主要组分,其综合利用对充分利用原料、提高经济效益具有重要意义。食品级酿酒酵母是一种鲁棒性强的细胞工厂。且遗传改造技术相对成熟。文章综述了近年来基于代谢工程策略构建利用木糖产乙醇、木糖醇以及木糖酸产品的酿酒酵母细胞工厂方面的研究工作。     

工业生物技术创新与发展 —“中国工业生物技术发展高峰论坛·2008”专刊序言

资源匮乏、能源短缺和环境污染日趋恶化等现实问题,已经成为社会可持续发展的巨大障碍。工业生物技术作为生物技术发展的第三次浪潮,是解决目前人类所面临的资源、能源与环境问题的有效途径之一,是工业可持续发展最有希望的技术。本期“中国工业生物技术发展高峰论坛·2008”专刊, 集中展现了我国工业生物技术专家学者在生物炼制和生物基化学品、微生物基因组学和生物信息学、代谢工程与药物研发、现代工业酶技术、生物炼制细胞工厂、生物催化与生物转化、工业生物过程技术以及工业微生物菌种的选育和改良等工业生物技术领域所取得的最新进展。希望通过专刊的出版, 更好地促进我国工业生物技术领域的交流和发展。     

Genetic engineering of filamentous fungi--progress, obstacles and future trends

Filamentous fungi are widely used in biotechnology as cell factories for the production of chemicals, pharmaceuticals and enzymes. In order to improve their productivities, genetic engineering strategies can be powerful approaches. Different transformation techniques as well as DNA- and RNA-based methods to rationally design metabolic fluxes have been developed for industrially important filamentous fungi. However, the lack of efficient genetic engineering approaches still forms an obstacle for a multitude of fungi producing new and commercially interesting metabolites. This review summarises the variety of options that have recently become available to introduce and control gene expression in filamentous fungi and discusses their advantages and disadvantages. Furthermore, important considerations that have to be taken into account to design the best engineering strategy will be discussed.     

丝状真菌高效表达异源蛋白研究进展

丝状真菌是具有高效分泌蛋白质潜力的真核表达系统, 能对蛋白质进行翻译后修饰, 如蛋白质糖基化等; 并且比植物、昆虫和哺乳动物细胞具有更快的生长速率。近年来, 随着真菌分子遗传技术和菌种改良策略的进步, 尤其是真菌基因组学的发展, 利用丝状真菌生产异源蛋白越来越受到关注。综述了丝状真菌作为细胞工厂生产异源蛋白的最新探索与进展, 其中包括功能基因组学在蛋白表达与分泌研究中的应用, 同时探讨了异源蛋白表达和生产的改进策略。     

丝状真菌高效表达异源蛋白研究进展

丝状真菌是具有高效分泌蛋白质潜力的真核表达系统, 能对蛋白质进行翻译后修饰, 如蛋白质糖基化等; 并且比植物、昆虫和哺乳动物细胞具有更快的生长速率。近年来, 随着真菌分子遗传技术和菌种改良策略的进步, 尤其是真菌基因组学的发展, 利用丝状真菌生产异源蛋白越来越受到关注。综述了丝状真菌作为细胞工厂生产异源蛋白的最新探索与进展, 其中包括功能基因组学在蛋白表达与分泌研究中的应用, 同时探讨了异源蛋白表达和生产的改进策略。     

Autophagy in filamentous fungi

Autophagy is a ubiquitous, non-selective degradation process in eukaryotic cells that is conserved from yeast to man. Autophagy research has increased significantly in the last ten years, as autophagy has been connected with cancer, neurodegenerative disease and various human developmental processes. Autophagy also appears to play an important role in filamentous fungi, impacting growth, morphology and development. In this review, an autophagy model developed for the yeast Saccharomyces cerevisiae is used as an intellectual framework to discuss autophagy in filamentous fungi. Studies imply that, similar to yeast, fungal autophagy is characterized by the presence of autophagosomes and controlled by Tor kinase. In addition, fungal autophagy is apparently involved in protection against cell death and has significant effects on cellular growth and development. However, the only putative autophagy proteins characterized in filamentous fungi are Atg1 and Atg8. We discuss various strategies used to study and monitor fungal autophagy as well as the possible relationship between autophagy, physiology, and morphological development.     

The state of proteome profiling in the fungal genus Aspergillus.

Aspergilli are an important genus of filamentous fungi that contribute to a multibillion dollar industry. Since many fungal genome sequencing were recently completed, it would be advantageous to profile their proteome to better understand the fungal cell factory. Here, we review proteomic data generated for the Aspergilli in recent years. Thus far, a combined total of 28 cell surface, 102 secreted and 139 intracellular proteins have been identified based on 10 different studies on Aspergillus proteomics. A summary proteome map highlighting identified proteins in major metabolic pathway is presented.     

The essential role of fungal peroxisomes in plant infection

Several filamentous fungi are ecologically and economically important plant pathogens that infect a broad variety of crops. They cause high annual yield losses and contaminate seeds and fruits with mycotoxins. Not only powerful infection structures and detrimental toxins, but also cell organelles, such as peroxisomes, play important roles in plant infection. In this review, we summarize recent research results that revealed novel peroxisomal functions of filamentous fungi and highlight the importance of peroxisomes for infection of host plants. Central for fungal virulence are two primary metabolic pathways, fatty acid β-oxidation and the glyoxylate cycle, both of which are required to produce energy, acetyl-CoA, and carbohydrates. These are ultimately needed for the synthesis of cell wall polymers and for turgor generation in infection structures. Most novel results stem from different routes of secondary metabolism and demonstrate that peroxisomes produce important precursors and house various enzymes needed for toxin production and melanization of appressoria. All these peroxisomal functions in fungal virulence might represent elegant targets for improved crop protection.     

The effect of Galleria mellonella apolipophorin III on yeasts and filamentous fungi

Galleria mellonella apolipophorin III (apoLp-III) has been implicated in the innate immune response against bacterial infections. The protein binds components of bacterial cell wall and inhibits growth of selected Gram-positive and Gram-negative bacteria. Interaction of apoLp-III with fungal β-1,3-glucan suggests antifungal properties of the protein. In the present study, the effect of apoLp-III on the growth, metabolic activity and cell surface characteristics of selected yeasts and filamentous fungi was investigated using light, confocal and atomic force microscopy. ApoLp-III bound to the cell surface of different yeasts and filamentous fungi as confirmed by immunoblotting with anti-apoLp-III antibodies. Incubation of the fungi in the presence of apoLp-III induced alterations in growth morphology. Candida albicans underwent transition from yeast-like to hyphal growth with formation of true hyphae, whereas Fusarium oxysporum hyphae exhibited decreased metabolic activity, increased vacuolization and appearance of numerous monophialids with microconidia. Atomic force microscopy imaging demonstrated evident alterations in the fungal cell surface after incubation with apoLp-III, suggesting that the protein affected the cell wall components.     

丝状真菌表面展示技术研究进展

丝状真菌表面展示技术是将表达的目的蛋白固定在丝状真菌细胞表面的一项新兴基因工程技术。丝状真菌具有极强的蛋白质分泌能力和良好的蛋白质翻译后加工能力,因而越来越多的丝状真菌表面展示技术得到开发和应用。本文就丝状真菌表面展示系统的研发和应用进展进行综述,并介绍与该系统构建密切相关的丝状真菌的细胞壁组成、锚定蛋白和遗传转化方法等技术。