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。     

抗逆元件及其在高效微生物细胞工厂构建中的应用进展

微生物作为重要的细胞工厂,其应用时经常面临的各种胁迫条件严重制约细胞活力和生产性能。大量文献证明,微生物的胁迫耐受性是受到胞内多个代谢途径和生理系统调控的复杂表型。那么,挖掘和应用增强菌株胁迫耐受性的抗逆元件是构建高效微生物细胞工厂的有效手段。目前,已报道的微生物抗逆元件主要包括调控细胞壁和细胞膜、DNA修复、氧化应激、相容性溶质、能量产生和信号转导的相关基因以及外排泵、热激蛋白和全局转录因子等。着重介绍了近年来抗逆元件及其在高效微生物细胞工厂构建中的应用实例,同时,讨论了实际应用中可能面临的机遇与挑战。     

合成生物学与代谢工程在谷氨酸棒杆菌产氨基酸中的应用

氨基酸是重要的化合物,在食品、医药、化工等领域具有广泛用途.多种氨基酸可以通过蛋白质水解提取法、化学合成法以及微生物法生产,现如今大部分的氨基酸都开始尝试微生物发酵法实现工业生产.谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)作为发酵生产氨基酸的先驱者,其生产的氨基酸产量已达年产数百万吨.随着合成生物学技术以及新一代基因编辑技术的兴起,谷氨酸棒杆菌能生产的氨基酸种类从传统的几种氨基酸扩大到了几乎所有氨基酸及其衍生物.本文综述了近年来利用代谢工程及合成生物学工具对谷氨酸棒杆菌的改造技术,并介绍了一些利用谷氨酸棒杆菌生产传统氨基酸以及非天然氨基酸的典型案例,为谷氨酸棒杆菌突破所有氨基酸生产瓶颈提供参考.     

植物中DREBs类转录因子及其在非生物胁迫中的作用

低温、干旱、高盐等非生物胁迫能够严重影响植物的生长及作物的产量。最近发现了许多调控多种与逆境相关基因表达的转录因子, 其中DREBs类转录因子能够通过与含有DRE/CRT顺式作用元件的抗逆相关基因启动子区相互作用, 进而调控一系列抗逆基因的表达, 使植物品质得到综合改良从而提高植物对非生物胁迫耐受力。文章通过对DREBs的结构、表达调控、作用方式及机理进行总结, 并结合其在植物胁迫信号通路中的作用以及提高转基因植株胁迫耐受性的最新研究成果加以综述, 并对其在农业生产中的应用前景进行展望。     

谷氨酸棒状杆菌集成细胞网络的构建与结构分析

谷氨酸棒状杆菌是一种重要的传统工业微生物,其基因组学和分子遗传操作工具的快速发展使得谷氨酸棒状杆菌具备了作为新型细胞工厂的潜力。但是,相对于大肠杆菌等模式生物,对于棒杆菌的代谢调控研究较少,特别是目前还缺乏谷氨酸棒状杆菌集成细胞网络的研究,这一现状阻碍了谷氨酸棒状杆菌的系统生物学研究和大规模菌种理性设计优化。文中综合应用公共数据库、文献数据库资源,首次构建了谷氨酸棒状杆菌的集成细胞网络,包含1 384个反应,1 276个代谢物,88个调节子,999对转录调控关系。其转录调控可分为5层,代谢网络呈现出清晰的bow-tie结构。文中还以赖氨酸的生物合成为例,提出了一种提取代谢调控子网络的新方法,这对氨基酸等产品高产生物机制的研究和工程菌株的重新设计具有指导意义。     

枯草芽孢杆菌在系统与合成生物技术中研究进展及工业应用

枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis是微生物生理生化机理研究的模式菌株,也是工业应用生产小分子化合物、大宗化学品、工业酶、药物及保健品等生物制剂的良好底盘细胞。近些年,研究枯草芽孢杆菌的合成生物技术和代谢工程方法日新月异,为利用其作为底盘细胞生产目标产品提供了良好的工具和理论参考。文中综述了利用枯草芽孢杆菌为细胞工厂,在代谢改造中通过调节全局调控因子,基因组精简及优化,多位点、多维调控,自身生物传感动态调控,膜蛋白工程等方法,系统调控优化菌株;在蛋白质试剂生产改造中,通过优化基因启动子、蛋白质信号肽、菌株自身蛋白质分泌元件,构建无化学诱导剂表达系统等方法,优化生产菌株。另外,文中对未来进一步针对优化枯草芽孢杆菌进行工业生产中需要注意和重点关注的问题、方向进行展望。     

植物非生物胁迫诱导启动子顺式元件及转录因子研究进展

顺式作用元件(cix-acting element)是与结构基因串联的特定DNA序列,是转录因子的结合位点,它们通过与转录因子结合调控基因转录的精确起始和转录效率,在植物基因表达调控过程中起着重要的作用.非生物胁迫诱导基因的表达受其上游启动子顺式作用元件及转录因子的调控,目前已发现了多种与非生物胁迫相关的顺势作用元件及转录因子,如DRE元件及DREB类转录因子、MYB元件及MYB类转录因子、GT-1元件及GT-1类转录因子等.顺式作用元件及转录因子的研究对研究植物非生物胁迫相关基因的表达调控具有重要意义,综述植物非生物胁迫诱导启动子功能元件及转录因子的研究进展.     

植物非生物胁迫诱导启动子顺式作用元件的研究方法

非生物胁迫严重影响植物生长发育,降低作物产量。植物通过各种途径忍受或抵抗非生物胁迫,主要表现是各种抗非生物胁迫基因的表达。基因表达受其上游启动子及转录因子的调控,目前对抗非生物胁迫诱导启动子顺式作用元件及转录因子的研究成为热点。本文综述了植物非生物胁迫诱导启动子顺式作用元件及转录因子的研究方法,并展望了顺式作用元件及转录因子研究的方向及前景。     

生物元件的挖掘、改造与标准化

生物元件是合成生物学中的三大基本要素之一,是合成生物学的基石。现阶段,生物元件的挖掘、鉴定和改造仍然是合成生物学领域的重要研究方向之一。合成生物学与基因工程和代谢工程最显著的差别在于能够将大量的生物元件进行快速、随意的组装,而实现这一目标的前提是将生物元件标准化。目前,已经有大量基因组被解析,通过这些基因组数据库的注释与功能验证,并借助于各种生物信息学软件预测启动子、终止子、操纵了、转录因子和转录因子结合位点、核糖体结合位点以及蛋白质编码区等部件,为合成生物学提供丰富的生物元件信息资源。随着元基因组技术的兴起,大量未培养微生物中的基因和基因簇信息被解析,使得我们可以从占自然界中实际存在微生物总数99％的未知微生物中挖掘更多的生物元件。另外,生物元件可以从自然界分离出来,也可以对天然生物元件进行修饰、重组和改造后得到新的元件。酵母是异源蛋白表达的通用宿主和生物基产品生产的细胞工厂,但其本身可用的启动子非常有限,近年来各国学者在酵母启动子改造和文库构建方面做了很多工作,该文也将概述酵母启动子改造和在合成生物生物学研究领域中的应用方面的研究进展。     

谷氨酸棒杆菌内源表达元件的筛选

【目的】构建谷氨酸棒杆菌表达元件探测载体,筛选能够启动蛋白表达的序列片段。【方法】基于谷氨酸棒杆菌表达载体p XMJ19,利用Golden Gate新型克隆方法构建表达元件插入位点,使筛选的片段能够与报告基因快速无缝衔接,同时避免残留额外的序列对表达元件效果测试产生可能存在的干扰。对本课题组前期的谷氨酸棒杆菌BZH001高、中、低溶氧条件下的发酵样品转录组数据进行分析,筛选出稳定于高转录水平的6个基因,通过软件预测每个基因的启动子区域和5′UTR区域,两者构成能够启动基因表达的功能性元件,并将其从基因组中克隆出来。以增强型绿色荧光蛋白基因egfp作为报告基因,快速测量出表达元件的效果。【结果】获得5个不同效果的内源性表达元件,最好的元件插入探测载体后在谷氨酸棒杆菌中表达的荧光强度大于3 500 RFU/OD600。【结论】通过结合转录组数据,探测载体能够快速有效筛选表达元件,为将来人们对谷氨酸棒杆菌基因工程改造和生物系统的构建提供更多基础材料。     

Lead biosorption by waste biomass of Corynebacterium glutamicum generated from lysine fermentation process

Biomass waste, mainly Corynebacterium glutamicum, is generated from large-scale lysine fermentation process. In this study, protonated C. glutamicum biomass was evaluated as a biosorbent for the removal of lead from synthetic wastewater. As Pb2+ were bound to the biomass, the solution pH deceased, indicating that protons in the biomass were exchanged with lead ions. The Corynebacterium biomass bound Pb2+ at up to 2.74 mmol g(-1) at pH 5, where lead does not precipitate. Compared with other biosorbents and conventional sorbents, such as natural zeolite, activated carbon and synthetic ion exchange resin, the protonated C. glutamicum biomass was considered to be a useful biomaterial for lead biosorption.     

Combinatorial Interactions of Biotic and Abiotic Stresses in Plants and Their Molecular Mechanisms: Systems Biology Approach

Plants are continually facing biotic and abiotic stresses, and hence, they need to respond and adapt to survive. Plant response during multiple and combined biotic and abiotic stresses is highly complex and varied than the individual stress. These stresses resulted alteration of plant behavior through regulating the levels of microRNA, heat shock proteins, epigenetic variations. These variations can cause many adverse effects on the growth and development of the plant. Further, in natural conditions, several abiotic stresses causing factors make the plant more susceptible to pathogens infections and vice-versa. A very intricate and multifaceted interactions of various biomolecules are involved in metabolic pathways that can direct towards a cross-tolerance and improvement of plant’s defence system. Systems biology approach plays a significant role in the investigation of these molecular interactions. The valuable information obtained by systems biology will help to develop stress-resistant plant varieties against multiple stresses. Thus, this review aims to decipher various multilevel interactions at the molecular level under combinatorial biotic and abiotic stresses and the role of systems biology to understand these molecular interactions.     

The Corynebacterium glutamicum genome: features and impacts on biotechnological processes

Corynebacterium glutamicum has played a principal role in the progress of the amino acid fermentation industry. The complete genome sequence of the representative wild-type strain of C. glutamicum, ATCC 13032, has been determined and analyzed to improve our understanding of the molecular biology and physiology of this organism, and to advance the development of more efficient production strains. Genome annotation has helped in elucidation of the gene repertoire defining a desired pathway, which is accelerating pathway engineering. Post genome technologies such as DNA arrays and proteomics are currently undergoing rapid development in C. glutamicum. Such progress has already exposed new regulatory networks and functions that had so far been unidentified in this microbe. The next goal of these studies is to integrate the fruits of genomics into strain development technology. A novel methodology that merges genomics with classical strain improvement has been developed and applied for the reconstruction of classically derived production strains. How can traditional fermentation benefit from the C. glutamicum genomic data? The path from genomics to biotechnological processes is presented.