ARTP诱变技术在食品和饲料加工生物催化剂改造中的应用进展

食品和饲料的生物催化转化和发酵技术成为保障餐桌安全及绿色发展的重要领域,其用酶量在工业酶制剂市场中占比最大,且增长最快。性能优良的酶制剂能显著缩短发酵周期,降低生产成本,提高目标产物的转化率,进而提高市场竞争力。食品和饲料加工产业除了应用分离提取的酶制剂外,很多发酵过程仍以微生物为细胞工厂进行多种酶催化转化。该发酵过程通常涉及复杂的代谢网络和调控机制,且很多体系不能采用基因工程技术,因此理性基因工程改造通常难以满足应用需求。诱变育种仍然是食品和饲料加工用酶及微生物菌株改造的主要手段,需要与时俱进不断发展新技术。近年发展起来的常压室温等离子体(ARTP)诱变育种技术因其具有操作简单、安全、环境友好、突变率高、突变库容大等特点,在食品和饲料加工微生物育种中得到了广泛应用,取得了良好的成效。重点介绍近年ARTP在食品与饲料加工酶制剂及发酵微生物改造中的相关应用进展。     

真菌诱导子在发酵工业中的应用现状及展望

真菌诱导子是一类能诱导植物和微生物产生次级代谢产物的活性物质,它一经识别,将通过信号转导途径,引起相关基因表达发生变化,从而调节次级代谢产物合成途径中相关酶的活性,诱导特定次级代谢产物的积累。近年来国内外在真菌诱导子诱导途径及机制方面进行了深入研究,同时在生物工业领域,尤其在发酵工业中的应用也引起了广泛关注。以下结合本实验室的研究工作,重点介绍了真菌诱导子在植物和微生物细胞次级代谢产物合成方面的应用现状、诱导机制和存在的问题及展望。     

微生物发酵过程生理参数检测传感器技术与过程优化

工业生物发酵过程是一个复杂的代谢表达调控系统。阐述了开发和利用先进的发酵过程传感仪表技术,进行环境参数和细胞生理代谢特性参数的实时精确测定,是系统了解和分析工业微生物的宏观与微观代谢特性的基础。实现生物传感器与信息技术、过程多参数智能化过程分析的软件识别系统联合,是构建新型的智能化工业生物过程控制与生产模式、建立生产过程的绿色智能制造新技术的关键。     

发酵工业菌种的迭代创制

生物发酵是以微生物菌种为生物催化剂,以淀粉糖、生物质等可再生资源为原料发酵生产各种食品、化学品、燃料、材料等物质的生产过程,具有绿色、低碳和可持续等特征。我国拥有全球规模最大的生物发酵产业,尤其氨基酸、维生素等传统发酵产品占全球市场份额的60%–80%。发展生物发酵产业对于我国实现“碳中和、碳达峰”的战略目标和生物经济发展具有重要的意义。微生物工业菌种是生物发酵产业的核心,直接影响原料路线、产品种类和生产成本。创新发酵工业菌种,提升其原料转化利用效率,提高产物生产水平,拓展产品种类,是生物发酵产业高质量发展的关键。近年来,合成生物学、系统生物学等学科的发展,进一步加深了研究者对微生物底盘细胞生理代谢机制的理解,加速了基因编辑等菌种设计创制使能技术的发展,为发酵工业菌种改造提升提供了新动能。本文选取了具有代表性的大宗氨基酸、B族维生素、柠檬酸、燃料乙醇等发酵产业,从其工业微生物底盘的基础研究和技术开发角度,综述发酵工业菌种改造提升的最新进展,并展望人工智能、自动化与生命科学交叉融合将对工业菌种迭代产生的重要影响。     

工业生物过程智能控制原理和方法进展

工业生物过程是一个复杂的系统过程,对活体细胞代谢过程的认识是实现高效工业生物制造的基础。文中首先综述了工业发酵过程多尺度优化控制原理和实践,包括多尺度理论与装备、细胞宏观代谢在线检测传感技术以及生理代谢参数相关分析。在此基础上,对工业生物过程智能控制——感知细胞内生理代谢特性新型传感技术、大数据库建立和数据深度计算以及生物过程智能决策进行了综述和展望。     

丝状真菌代谢工程研究进展

丝状真菌(Filamentous fungi)作为重要的工业发酵微生物,在有机酸、蛋白质及次级代谢产物等关键生物基产品生产方面发挥着重要作用。自20世纪90年代代谢工程理念提出以来,尤其是代谢工程使能技术的创新及发展,极大地促进了丝状真菌细胞工厂的构建及其在工业发酵领域的应用。文中将系统介绍近年来丝状真菌代谢工程技术的发展,及其在生物基化学品细胞工厂构建中的应用,最后讨论丝状真菌代谢工程中关键问题并展望其未来发展。     

氨基酸生物传感器的开发及应用研究进展

氨基酸是蛋白质的基本组成单元,对人和动物的营养健康十分重要,广泛应用于饲料、食品、医药和日化等领域。目前,氨基酸主要通过微生物发酵可再生原料生产,氨基酸产业是我国生物制造的重要支柱产业之一。氨基酸菌株主要通过随机诱变和代谢工程改造结合筛选获得。菌株生产水平进一步提高的核心限制之一是缺乏高效、快速和准确的筛选方法,因此,发展氨基酸菌株的高通量筛选方法对关键功能元件挖掘及高产菌株的创制筛选至关重要。本文综述了氨基酸生物传感器的设计,及其在功能元件、高产菌株的高通量进化筛选和代谢途径动态调控中的应用研究进展,讨论了现有氨基酸生物传感器存在的问题和性能提升改造策略,并展望了开发氨基酸衍生物生物传感器的重要性。     

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。     

酿酒酵母的工业化应用

酿酒酵母广泛应用于食品、酿造、化工、医药等领域.基于已建成投产或工业示范化生产的酿酒酵母生产线,回顾酵母生物质制造产业的发展历程和关键技术;综述酵母生物质在酿酒行业的应用,酵母生物质用于开发和制造功能性食品和食品添加剂的进展;总结酵母细胞工厂的发酵生产优势,介绍酿酒酵母制造大宗化学品、天然产物和生物燃料等产品的产业化进...     

放线菌工业菌种选育、过程优化与放大研究进展

放线菌属由于能够产生一系列结构复杂的生物活性物质而受到广泛关注, 这些活性代谢产物的大规模发酵生产在医药、农业等领域的应用中起着重要的作用。本文综述了近年来放线菌次级代谢产物产业化研究的一些新进展, 包括菌株的改造、生物过程优化和控制以及发酵放大技术, 并对这些方法和技术进行了讨论。     

后基因组时代基因组重排在微生物菌种选育中的应用及展望

基因组重排作为一种实用高效的育种技术,在缺乏遗传背景认知和可操作遗传体系等条件下,可以突破微生物种属间的限制,经过多轮递推的原生质体融合来加速其人工定向进化,在微生物菌种改良及代谢产物开发和产业化等研究领域得到了广泛应用。步入后基因组时代,快速发展的组学和生物信息学使基因组重排成为连接各种微生物育种方法的重要纽带,为我们深入探索微生物复杂的代谢网络和全局调控机制,更为精准地实施对微生物的人工调控和定向进化提供了契机。本文系统性地回顾了近年来基因组重排在微生物菌种选育中的应用研究,尤其针对围绕其开展的组学研究进行了详细阐述,并对基因组重排与组学、生物信息学和合成生物学等新兴技术的联合应用进行了展望。     

解淀粉芽孢杆菌分子遗传操作及其应用研究进展

解淀粉芽孢杆菌是FDA认定的安全级(generally recognized as safe,GRAS)菌株,在工业酶制剂、高分子聚合物、大宗化学品、绿色生物农药等方面的生产具有突出的优势。近年来,随着解淀粉芽孢杆菌的分子遗传操作技术越来越成熟,对利用该菌开发成微生物发酵平台化菌株用于合成生物学制造领域提出了更迫切的需求。文中围绕解淀粉芽孢杆菌的遗传操作工具、代谢改造应用和未来发展前景等方面进行了详细综述,为进一步推动解淀粉芽孢杆菌合成生物学技术的创新与发展提供借鉴和参考。     

微生物耐受乙醇与丁醇机制及其在生物燃料生产与生物转化中的应用

生物法获取乙醇与丁醇过程中有机溶剂的毒性是生产菌重要环境胁迫因素之一,且当有机溶剂超过一定浓度时便会抑制微生物的生长,甚至引起微生物的死亡,因此提高工业微生物的有机溶剂耐受性对工业生产具有重要的意义。对微生物乙醇及丁醇耐受机制的研究可为选育具有较强溶剂耐受菌提供理论基础。本文系统介绍了微生物耐受乙醇与丁醇的机制,并对其在生物燃料生产及生物转化中面临的机遇与挑战等问题进行简要的评述。     

工业生物技术专刊序言

以生物催化和生物转化为核心的工业生物技术是实现社会和经济可持续发展的有效手段。本期专刊分别从基因工程、代谢工程与合成生物学、生理工程、发酵工程与生化工程、生物催化与生物转化、生物技术与方法等方面,介绍了我国在工业生物技术领域的最新研究进展。     

生物燃气技术及工程的发展现状

生物燃气俗称沼气,是微生物群体在厌氧条件下协同发酵可降解有机废弃物的产物,传统能源供应的萎缩和增加可再生能源在能源消费中份额的需求使沼气的重要性越来越突出。经过不断研究与工程实践,已经开发出了不同的发酵工艺处理生活垃圾和工农业生产废弃物等有机质生产生物燃气,其中全混式中温发酵占主导地位,欧洲的技术处于领先水平,特别是德国的沼气发电、热电联产。结合作者多年沼气研究积累的经验,综述了沼气技术的最新进展,包括厌氧发酵菌群、消化反应器结构和发酵工艺,沼气生产和应用等,指出了今后发展的重点和方向。     

Yeast flocculation and its biotechnological relevance

Adhesion properties of microorganisms are crucial for many essential biological processes such as sexual reproduction, tissue or substrate invasion, biofilm formation and others. Most, if not all microbial adhesion phenotypes are controlled by factors such as nutrient availability or the presence of pheromones. One particular form of controlled cellular adhesion that occurs in liquid environments is a process of asexual aggregation of cells which is also referred to as flocculation. This process has been the subject of significant scientific and biotechnological interest because of its relevance for many industrial fermentation processes. Specifically adjusted flocculation properties of industrial microorganisms could indeed lead to significant improvements in the processing of biotechnological fermentation products such as foods, biofuels and industrially produced peptides. This review briefly summarises our current scientific knowledge on the regulation of flocculation-related phenotypes, their importance for different biotechnological industries, and possible future applications for microorganisms with improved flocculation properties.     

工业生物发酵过程模拟：进展与发展趋势

工业生物发酵是工业生物技术规模化生产必需的基本操作单元。对微生物细胞及其反应器进行数学模拟将有助于加深对发酵过程的理解,也将为新的合成生物构建提供解决策略。文中对工业发酵系统的特点、数学模拟的发展历史、数学模型的分类和特点、用途等作了深入阐述,并展望了全发酵系统模拟的发展趋势。     

Production and potential biotechnological applications of microbial surfactants: An overview

Microbial surfactants are amphipathic molecules that consist of hydrophilic and hydrophobic domains, which allow partition of two fluid phases of varying degree of polarity. They are classified into two main groups: bioemulsifier and biosurfactant, depending on their molecular weight. Microbial surfactants occur in various categories according to their chemical nature and producing organisms. These biomolecules are produced by diverse groups of microorganisms including fungi, bacteria, and yeasts. Their production is significantly influenced by substrate type, fermentation technology and microbial strains. Owing to inherent multifunctional properties and assorted synthetic aptitude of the microbes, microbial surfactants are mostly preferred than their chemical counterparts for various industrial and biomedical applications including bioremediation, oil recovery; as supplements in laundry formulations and as emulsion-stabilizers in food and cosmetic industries as well as therapeutic agents in medicine. The present review discusses on production of microbial surfactants as promising and alternative broad-functional biomolecules for various biotechnological applications.     

The genus Gluconobacter oxydans: comprehensive overview of biochemistry and biotechnological applications

The genus Gluconobacter comprises some of the most frequently used microorganisms when it comes to biotechnological applications. Not only has it been involved in "historical" production processes, such as vinegar production, but in the last decades many bioconversion routes for special and rare sugars involving Gluconobacter have been developed. Among the most recent are the biotransformations involved in the production of L-ribose and miglitol, both very promising pharmaceutical lead molecules. Most of these processes make use of Gluconobacter's membrane-bound polyol dehydrogenases. However, recently other enzymes have also caught the eye of industrial biotechnology. Among them are dextran dextrinase, capable of transglucosylating substrate molecules, and intracellular NAD-dependent polyol dehydrogenases, of interest for co-enzyme regeneration. As such, Gluconobacter is an important industrial microbial strain, but it also finds use in other fields of biotechnology, such as biosensor-technology. This review aims to give an overview of the myriad of applications for Gluconobacter, with a special focus on some recent developments.