脂肪酸合成系统潜能的挖掘与释放

在全球石油资源不断减少和温室气体不断积累的情况下,急需发展可再生燃料能源及各种生物化工原料和产品。基于该目的,能够生产高能量密度液体生物燃料和高附加值化工品的微生物脂肪酸合成系统备受关注。首先介绍了大肠杆菌脂肪酸代谢系统的组成,然后详细总结了通过改造脂肪酸代谢途径生产脂肪酸以及脂肪酸衍生物的最新研究进展,并介绍了利用体外重建体系来研究脂肪酸合成途径对该系统进行深入挖掘,以及根据得到的信息指导体内脂肪酸途径的改造来释放脂肪酸合成系统的潜能。     

大肠杆菌代谢工程改造合成L-高丝氨酸及其衍生物研究进展

l-高丝氨酸及其衍生物(O-琥珀酰-l-高丝氨酸和O-乙酰-l-高丝氨酸)是生物合成l-甲硫氨酸的前体,同时也是合成多种C4化合物(异丁醇、g-丁内酯、1,4-丁二醇、2,4-二羟基丁酸等)和l-草铵膦等的平台化合物。因此,发酵法生产l-高丝氨酸及其衍生物成为近年内研究的热点。然而,利用生物法合成l-高丝氨酸及其衍生物仍存在一些不足之处,如发酵产量不高或糖酸转化率过低等。此外,对l-高丝氨酸及其衍生物合成的总体代谢和调控机制鲜有报道。本文综述了大肠杆菌代谢工程改造合成l-高丝氨酸及其衍生物O-琥珀酰-l-高丝氨酸和O-乙酰-l-高丝氨酸的研究进展,从底物摄取、关键节点碳流分配改造、辅酶NADPH的循环供应以及目标产物的外运输出等方面,系统分析了大肠杆菌全发酵法生产l-高丝氨酸及其衍生物的代谢途径及改造策略,为其后续代谢改造及生物法生产提供一定的研究思路。     

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。     

乙醇合成途径的计算机重构

目的:用计算机重构乙醇合成途径,为合成生物燃料乙醇提供理论依据。方法:利用KEGG反应、化合物数据提取反应等式,过滤掉42个通用代谢物参与的反应,然后利用剩下的反应构建反应矩阵;利用广度优先搜索算法在反应矩阵中搜索生成乙醇的代谢途径。结果:计算机重构了23 108条乙醇合成途径,以大肠杆菌作为产乙醇基因工程菌为例,通过限制改构菌整合的关键酶数目,分别得到了78条以酒精O-乙酰基转移酶为关键酶的乙醇合成通路和89条以丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶为关键酶的乙醇合成通路,并构建了相应的乙醇合成网络图,标注每个反应的酶及编码该酶的基因。结论:通过计算机方法重构了多种乙醇合成途径,可以为利用微生物工业化生产乙醇提供理论依据。     

大肠杆菌通过甲羟戊酸途径合成紫苏醇

紫苏醇,即[4-异丙烯基-1-环己烯]甲醇,是一种具有类似芳樟醇和松油醇特殊气味的单环单萜烯醇。在医药、食品和化妆品等行业具有广阔市场空间和研究价值。文中研究了以工程大肠杆菌通过甲羟戊酸途径合成紫苏醇的方法。首先在大肠杆菌中构建来源于粪肠球菌的MVA代谢途径合成柠檬烯,随后柠檬烯通过细胞色素P450烷烃羟化酶的羟基化转化为紫苏醇。然后将构建的紫苏醇合成菌株在摇瓶发酵条件下进行优化,研究发现工程大肠杆菌以葡萄糖为原料,通过MVA代谢途径可合成约50.12 mg/L的紫苏醇。本研究构建合成紫苏醇的MVA代谢途径也可用于其他萜类化合物的合成,为今后生物法合成萜类化合物提供了理论依据和技术支持。     

先进生物燃料导向的脂肪酸途径合成生物学改造

化石能源日益枯竭,迫切需要寻找新型燃料。脂肪族生物燃料由于其热值高、性能好而受到广泛重视。微生物脂肪酸代谢途径是生产先进生物燃料的重要途径。文中综述了近几年基于合成生物学理念改造脂肪酸途径的进展,介绍了合成生物学在微生物柴油、中长链脂肪醇、长链烃类化合物生物合成中的应用,并展望了脂肪族生物燃料的发展方向。     

链霉菌中高效生产聚酮化合物的研究方法及进展北大核心CSCD

聚酮化合物是通过聚酮合成途径产生的一大类结构和生物活性多样的次级代谢产物,是链霉菌产生的主要次级代谢产物,具有重要的经济价值。为了在链霉菌中提高聚酮化合物产量,以满足工业生产需求,近年来,代谢工程的方法被广泛应用,例如,过表达合成途径中限速酶或途径特异性激活蛋白、强化前体供应、去除产物反馈抑制、合成基因簇异源表达等。本文将从代谢工程改造实例入手,全面综述链霉菌中聚酮化合物高效生物合成的研究方法及进展,并对利用合成生物学策略智能动态适配各个相关途径,进而提高该类化合物产量的研究思路进行展望。     

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。     

丁醇在大肠杆菌中的生物合成研究进展*

生物丁醇作为一种重要的化学品和石油基燃料的替代品引起了人们的广泛关注。大肠杆菌(Escherichia coli)是生物合成化学品的优良底盘菌株,已在其体内构建了丁醇的生物合成途径。但大肠杆菌合成丁醇存在:(1)代谢通量非最优;(2)辅因子和氧化还原不平衡;(3)丁醇产量和产率低等问题,为此,从高效酶选择、碳代谢流调控、辅因子调控、丁醇生产和工艺等方面已经对丁醇合成途径和丁醇发酵进行了优化。从该角度出发阐述近几年来大肠杆菌生物合成丁醇的研究进展,并展望了利用工程大肠杆菌生产丁醇的研究方向,旨在为应用其进行高效的丁醇生产提供参考。     

丁醇在大肠杆菌中的生物合成研究进展*

生物丁醇作为一种重要的化学品和石油基燃料的替代品引起了人们的广泛关注。大肠杆菌(Escherichia coli)是生物合成化学品的优良底盘菌株,已在其体内构建了丁醇的生物合成途径。但大肠杆菌合成丁醇存在:(1)代谢通量非最优;(2)辅因子和氧化还原不平衡;(3)丁醇产量和产率低等问题,为此,从高效酶选择、碳代谢流调控、辅因子调控、丁醇生产和工艺等方面已经对丁醇合成途径和丁醇发酵进行了优化。从该角度出发阐述近几年来大肠杆菌生物合成丁醇的研究进展,并展望了利用工程大肠杆菌生产丁醇的研究方向,旨在为应用其进行高效的丁醇生产提供参考。     

吃进“废气”,吐出“宝贝”——记代谢工程改造光合细胞工厂生产异戊二烯

异戊二烯主要用于生产合成橡胶,还用于生产多种精细化工品及黏合剂和润滑剂。目前异戊二烯完全由石化原料生产。随着全球气候变暖和化石资源的日益短缺,构建以廉价生物质或CO2为原料的异戊二烯生物法合成线路已引起研究者的极大关注。中国科学院上海植物生理生态研究所杨琛课题组在蓝细菌中构建异戊二烯合成途径,利用代谢流量分析和代谢组学分析指导蓝细菌中异戊二烯合成途径的设计和改造,通过循环鉴定合成途径限速步骤和解除限速步骤,逐步提高异戊二烯合成途径的代谢通量,最终经过一系列改造后获得的工程菌可将光合作用所固定的碳的40%用于异戊二烯的合成,产量高达1.26 g/L。除了高效合成异戊二烯,该研究所构建的工程菌还可以作为平台,构建光合自养细胞工厂,合成各种萜类化合物。     

美研究人员用大肠杆菌合成高能效乙醇

美国加州大学洛杉矶分校的研究人员日前利用基因改造技术，首次促使大肠杆菌合成出一种高能效的生物燃料成分。即拥有8个碳原子的长链乙醇。     

大肠杆菌产琥珀酸基因工程研究进展

生物合成琥珀酸摆脱了对不可再生战略资源石油的依赖,以其社会、经济和环境效益展现出良好的发展前景。野生型大肠杆菌的琥珀酸生产强度难以满足生物合成琥珀酸工业化的要求,但遗传背景清楚,容易改造。近年来,人们深入研究了大肠杆菌的琥珀酸代谢途径,通过强化大肠杆菌琥珀酸合成途径、抑制琥珀酸旁路代谢途径、构建产琥珀酸乙醛酸循环和有氧生产体系等多种基因工程策略,对大肠杆菌进行菌株改造和代谢进化筛选,提高了琥珀酸产量。综述了大肠杆菌产琥珀酸的基因工程研究进展。     

大肠杆菌异源合成三萜化合物研究进展和前景分析

三萜化合物具有可观的药用价值和经济价值,但是目前的生产过程复杂、产量低,利用微生物异源合成三萜化合物已成为当前研究趋势,大肠杆菌作为常用萜类合成底盘细胞具有异源合成三萜化合物及其前体的天然优势和研究前景。对三萜化合物微生物异源合成研究进展进行了综述,从三萜化合物合成代谢途径、关键酶的特点及大肠杆菌三萜表达模块和底盘细胞适配三个方面对该途径进行了阐述和分析,针对实现大肠杆菌高效合成三萜类化合物所需要解决的基础问题进行讨论,为扩展大肠杆菌作为三萜化合物合成底盘细胞提供建议和前景分析。     

酿酒酵母转化木糖生产化学品的研究进展

木糖的有效利用是木质纤维素生产生物燃料或化学品经济性转化的基础。30年来,通过理性代谢改造和适应性进化等工程策略,显著提高了传统乙醇发酵微生物——酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae的木糖代谢能力。因此,近年来在酿酒酵母中利用木糖生产化学品的研究逐步展开。研究发现,酿酒酵母分别以木糖和葡萄糖为碳源时,其转录组和代谢组存在明显差异。与葡萄糖相比,木糖代谢过程中细胞整体呈现出Crabtree-negative代谢特征,如有限的糖酵解途径活性减少了丙酮酸到乙醇的代谢通量,以及增强的胞质乙酰辅酶A合成和呼吸能量代谢等,这都有利于以丙酮酸或乙酰辅酶A为前体的下游产物的有效合成。文中对酿酒酵母木糖代谢途径改造与优化、木糖代谢特征以及以木糖为碳源合成化学品的细胞工厂构建等方面进行了详细综述,并对木糖作为重要碳源在大宗化学品生物合成中存在的困难和挑战以及未来研究方向进行了总结与展望。     

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。     

甲烷生物利用及嗜甲烷菌的工程改造

作为来源广泛、储量丰富的有机碳一气体,甲烷被认为是下一代工业生物技术中最具潜力的碳原料之一。嗜甲烷菌能够利用其体内的甲烷单加氧化酶,将甲烷作为唯一的碳源和能源进行生长和代谢,这为温室气体减排及其开发利用提供了新的策略。目前,嗜甲烷菌生物催化体系的相关研究已开展多年,随着系统生物学和合成生物学的快速发展,利用代谢工程合理改造嗜甲烷菌代谢途径以提高甲烷转化效率,已经实现了生物转化甲烷制备多种大宗化学品和生物燃料。本文详细讨论并介绍了嗜甲烷菌催化氧化甲烷的相关代谢途径、高效细胞工厂构建及部分化学品生物合成的最新研究进展,并对甲烷生物转化未来的发展方向和面临的技术挑战进行了讨论和展望。     

细胞工厂中的代谢传质与过程强化

细胞工厂是生物制造的重要技术平台,为生物质资源的开发和利用奠定了基础.代谢传质是细胞新陈代谢必不可少的部分,也是提高代谢产物合成的关键因素之一.胞内传质的方式和对象多样、效率不一,低效率的代谢传质严重影响了细胞工厂的生产能力.跨膜传质和无膜传质是代谢传质的两种主要形式,通过对这两种传质途径的改造和优化,可以提高细胞工厂生产初级代谢产物、次级代谢产物和生物大分子的能力.运用合成生物学和代谢工程手段,从多个角度对细胞的传质途径进行改造或从头设计、构建,可以有效提高代谢传质的效率、降低中间代谢物的损耗、提高目标产物的产量.本文从不同类型的代谢传质出发,总结了近年来利用强化代谢传质提高细胞工厂合成能力的研究,为更加深入、系统地研究代谢传质,拓宽其在细胞工厂生产中的应用提供了参考和策略.     

天然产物合成生物学体系的优化策略

天然产物是新药研发的重要源泉。天然产物合成生物学通过设计、重构目标化合物的高效生物合成途径,借助宿主改造,利用发酵生产目标化合物,可以有效弥补有机合成化学在复杂天然产物类药物生产方面的不足。虽然合成生物学已经取得了一些进展,但是通过合成生物学技术使目标产物的产量达到工业化生产水平依然是一项非常具有挑战性的任务。综述了天然产物合成生物学体系的优化策略,通过综合运用单个元件、外源代谢途径、底盘系统和发酵条件的优化技术,可以实现生物合成系统的最优化,最大化目标产物的产量,为来源稀缺的复杂天然产物的开发提供持续、稳定、经济的原料供给,推动天然产物类新药的研发。     

芳香族香料化合物生物合成研究进展

芳香族化合物在香料中占很大的比重,传统生产方式有化学合成和植物提取。化学合成依赖于石油资源,并具有环境不友好、反应条件恶劣等缺点。植物提取方法受限于植物资源,且占用耕地。近年来,随着代谢工程和合成生物学技术的发展,利用可再生原料,微生物合成芳香族香料化合物成为一种新的生产方式。文中介绍了大肠杆菌和酵母菌等模式微生物合成芳香族香料的研究进展,包括利用莽草酸途径合成香兰素等,聚酮途径合成覆盆子酮等。综述重点介绍了生物合成途径解析、人工合成途径创建及代谢调控等,为微生物发酵法生产芳香族香料化合物提供参考。