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。     

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。     

数字细胞模型的研究及应用

组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义,因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍,重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用,进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势,对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍,最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。     

微生物细胞工厂的代谢调控

代谢调控是构建微生物细胞工厂的重要技术手段。随着合成生物学技术的不断突破,挖掘和人工设计的高质量调控元件大幅度提升了对细胞代谢网络的改造能力;代谢调控研究也已从单基因的静态调控发展到系统水平上的智能精确动态调控。文中简要综述了近30年来代谢途径表达调控技术在代谢工程领域的研究进展。     

《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     

合成生物学在生物基化学品上的应用趋势及展望

合成生物学(synthetic biology)将工程学和生物学相结合, 它不同于对自然基因模拟的基因工程和对代谢途径模拟的代谢工程,而是在以基因组解析技术和化学合成技术为核心的现代生物技术基础上,以系统生物学思想和知识为指导,综合生物化学、生物物理和生物信息技术,建立基于基因和基因组、蛋白质和蛋白质组的基本要素(模块)及其组合的工程化的资源库和技术平台,旨在设计、改造、重建或制造生物分子、生物部件、生物系统、代谢途径与发育分化过程,以及具有生命活动能力的细胞和生物个体.     

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。     

一种基于代谢网络分析最小化基因组的方法及其在大肠杆菌中的应用

最小生命体的合成是合成生物学研究的重要方向。最小化基因组的同时而又不对细胞生长产生影响是代谢工程研究的一个重要目标。文中提出了一种从基因组尺度代谢网络模型出发,通过零通量反应删除及对非必需基因组合删除计算获得基因组最小化代谢网络模型的方法,利用该方法简化了大肠杆菌经典代谢网络模型iAF1260,由起始的1 260个基因简化得到了312个基因,而最优生物质生成速率保持不变。基因组最小化代谢网络模型预测了在细胞正常生长的前提下包含最少基因的代谢途径,为大肠杆菌获得最小基因组的湿实验设计提供了重要参考。     

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。     

Protein design in systems metabolic engineering for industrial strain development

Accelerating the process of industrial bacterial host strain development, aimed at increasing productivity, generating new bio-products or utilizing alternative feedstocks, requires the integration of complementary approaches to manipulate cellular metabolism and regulatory networks. Systems metabolic engineering extends the concept of classical metabolic engineering to the systems level by incorporating the techniques used in systems biology and synthetic biology, and offers a framework for the development of the next generation of industrial strains. As one of the most useful tools of systems metabolic engineering, protein design allows us to design and optimize cellular metabolism at a molecular level. Here, we review the current strategies of protein design for engineering cellular synthetic pathways, metabolic control systems and signaling pathways, and highlight the challenges of this subfield within the context of systems metabolic engineering.     

Engineering antibiotic production and overcoming bacterial resistance

Progress in DNA technology, analytical methods and computational tools is leading to new developments in synthetic biology and metabolic engineering, enabling new ways to produce molecules of industrial and therapeutic interest. Here, we review recent progress in both antibiotic production and strategies to counteract bacterial resistance to antibiotics. Advances in sequencing and cloning are increasingly enabling the characterization of antibiotic biosynthesis pathways, and new systematic methods for de novo biosynthetic pathway prediction are allowing the exploration of the metabolic chemical space beyond metabolic engineering. Moreover, we survey the computer-assisted design of modular assembly lines in polyketide synthases and non-ribosomal peptide synthases for the development of tailor-made antibiotics. Nowadays, production of novel antibiotic can be tranferred into any chosen chassis by optimizing a host factory through specific strain modifications. These advances in metabolic engineering and synthetic biology are leading to novel strategies for engineering antimicrobial agents with desired specificities.     

合成生物学技术在环境保护中的应用

合成生物学是一个基于生物学和工程学原理的科学领域，其目的是重新设计和重组微生物，以优化或创建具有增强功能的新生物系统。该领域利用分子工具、系统生物学和遗传框架的重编程，从而构建合成途径以获得具有替代功能的微生物。传统上，合成生物学方法通常旨在开发具有成本效益的微生物细胞工厂进而从可再生资源中生产化学物质。然而，近年来合成生物学技术开始在环境保护中发挥着更直接的作用。本综述介绍了基因工程中的合成生物学工具，讨论了基于基因工程的微生物修复策略，强调了合成生物学技术可以通过响应特定污染物进行生物修复来保护环境。其中，规律间隔成簇短回文重复序列（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats，CRISPR）技术在基因工程细菌和古细菌的生物修复中得到了广泛应用，生物修复领域也出现了很多新的先进技术，包括生物膜工程、人工微生物群落的构建、基因驱动、酶和蛋白质工程等。有了这些新的技术和工具，生物修复将成为当今最好和最有效的污染物去除方式之一。     

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。     

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.     

Metabolic engineering based on systems biology for chemicals production

Microorganisms have been the main sources for the production of chemicals. Production of chemicals requires the development of low-cost and higher-yield processes. Towards this goal, microbial strains with higher levels of production should be first considered. Metabolic engineering has been used extensively over the past two to three decades to increase production of these chemicals. Advances in omics technology and computational simulation are allowing us to perform metabolic engineering at the systems level. By combining the results of omics analyses and computational simulation, systems biology allows us to understand cellular physiology and characteristics, which can subsequently be used for designing strategies. Here, we review the current status of metabolic engineering based on systems biology for chemical production and discuss future prospects.     

Systems metabolic engineering of microorganisms for natural and non-natural chemicals

Growing concerns over limited fossil resources and associated environmental problems are motivating the development of sustainable processes for the production of chemicals, fuels and materials from renewable resources. Metabolic engineering is a key enabling technology for transforming microorganisms into efficient cell factories for these compounds. Systems metabolic engineering, which incorporates the concepts and techniques of systems biology, synthetic biology and evolutionary engineering at the systems level, offers a conceptual and technological framework to speed the creation of new metabolic enzymes and pathways or the modification of existing pathways for the optimal production of desired products. Here we discuss the general strategies of systems metabolic engineering and examples of its application and offer insights as to when and how each of the different strategies should be used. Finally, we highlight the limitations and challenges to be overcome for the systems metabolic engineering of microorganisms at more advanced levels.