合成生物学与天然产物开发

天然产物依然是临床用药的重要来源。合成生物学的诞生为天然产物的开发提供了全新的机遇,传统的微生物药物、植物天然产物等研究领域都因合成生物学而获得新生。重点介绍了合成生物学在天然产物开发中的应用,包括新化合物及其生物合成元件的筛选,基于理性设计的天然产物异源生物合成,人工底盘细胞的系统优化等。     

真菌天然产物异源生产研究进展

真菌天然产物是天然药物的重要来源之一,大规模真菌基因组序列测序的完成表明真菌具有产生丰富的次级代谢产物的潜能。然而,许多真菌或生长缓慢,或不适宜在实验室条件下培养,或难以进行遗传操作,或化合物产量极低等,这些因素导致大量有价值的真菌天然产物无法获得。利用异源表达系统对真菌天然产物进行生产是发现新天然产物及解析其生物合成途径的有效手段,并为定向的以合成生物学的手段去合成重要活性分子奠定基础。本文对目前用于真菌天然产物生产的各种异源表达系统进行了综述,并结合最新的DNA组装技术展望了异源表达系统在真菌天然产物研究中的应用价值和前景。     

植物来源药用天然产物的合成生物学研究进展

大多数药用天然产物在植物中含量低微,提取分离困难;而且这些化合物一般结构复杂,化学合成难度大,还容易造成环境污染.基于合成生物学技术获得药用天然产物具有绿色环保和可持续发展等优点.文中以药用萜类化合物人参皂苷、紫杉醇、青蒿素、丹参酮,生物碱类化合物长春新碱、吗啡以及黄酮类化合物灯盏花素为例,总结了植物来源药用萜类、生物...     

微生物次级代谢产物生物合成的研究进展

微生物能够产生多种具有生物活性的天然次级代谢产物,这些次级代谢产物在医疗、农业和食品领域有着广阔的应用前景.分子生物学、生物信息学和测序技术的发展为次级代谢产物的挖掘奠定了理论基础,并提供了作工具.近年来,对微生物次级代谢产物的研究越来越多.传统的方法已经难以得到令人满意的结果,对微生物进行分子水平的操作将会是新的方向...     

芳香类天然产物的合成生物学研究进展

植物芳香类天然产物具有重要的药用价值,可制成具有抗菌、抗炎、镇痛、抗氧化、杀虫驱虫、祛痰止咳、安神镇静和抗肿瘤等药效的医药保健用品.然而,由于植物中芳香类天然产物含量较低并且难以提取和纯化,严重限制了其工业化生产及应用.合成生物学和代谢工程技术的发展为天然产物的生产提供了新的思路,可以利用人工微生物细胞工厂来实现多种芳...     

合成生物学助力天然产物的高效合成及创新发现

天然产物是候选药物以及药物先导化合物的重要来源,但传统的天然产物生产方式及新天然产物发现的速度和数量日益无法满足社会的巨大需求.随着合成生物学各方面技术的发展,合成生物学在天然产物高产和发现两个领域上的新策略、新方法、新应用应运而生,尤其在复杂天然产物的高效生物全合成、天然产物复杂前体结构的化学半合成、沉默天然产物的高...     

微生物次级代谢产物生物合成基因簇的克隆与异源表达

微生物次级代谢产物结构、功能极为多样,具有抗感染、抗肿瘤、免疫调节等多种生物活性,是新药研发的重要来源.随着新一代DNA测序技术以及生物信息学工具的快速发展,微生物基因组中大量次级代谢产物的生物合成基因簇(biosynthetic gene clusters,BGCs)被发现,BGCs克隆与异源表达在研究次级代谢产物中...     

隐性次级代谢产物生物合成基因簇的激活及天然产物定向发现

传统的\"活性-化合物\"天然药物发现方法导致大量已知化合物被重复分离,大大加剧了新药发现的难度。规模化基因组测序揭示了微生物基因组中存在大量的隐性(cryptic)次级代谢产物生物合成基因簇,如何激活这些隐性基因簇成为当今世界天然产物研究领域的难点与热点。本文从途径特异性和多效性两个角度综述了隐性生物合成基因簇激活策略;同时,对基因组信息指导下结构导向(structure-guided)的化合物定向分离技术进行了归纳。隐性基因簇的激活为定向发掘具有优良活性的新型天然产物提供了新的契机。     

天然产物的生物合成专刊序言

天然产物是创新药物、食品、香料和日化产品等的重要来源,和人民的健康生活息息相关。近年来,随着现代生物学技术和天然产物化学技术的发展和融合,天然产物生物合成研究得到了迅猛的发展。一批天然产物的生物合成途径被解析,许多天然产物生物合成相关的途径酶与后修饰酶被挖掘和功能表征。进一步,这些参与天然产物生物合成的途径酶编码基因被组装到不同的底盘细胞中,利用合成生物学技术构建细胞工厂,用于天然产物的生物合成。此外,包括基因组编辑等新技术在内的生物技术也被用于天然产物的生物合成。为了进一步促进天然产物生物合成研究的发展,《生物工程学报》特组织出版\"天然产物的生物合成\"专刊,重点阐述了在天然产物生物合成途径的解析,工具酶的挖掘和功能表征以及生物合成技术制备天然产物三方面所取得的研究进展,并展望未来的发展趋势,为天然产物生物合成的进一步发展提供借鉴和指导。     

白僵菌天然产物及其药理活性和生物合成研究进展

白僵菌是重要的昆虫病原真菌,能产生多肽类、聚酮类、生物碱类、苯丙素类、萜类、核苷类等多种结构类型的天然产物,其中很多天然产物显示出优良的抗肿瘤、抗菌、抗病毒和杀虫等活性,具有极大的应用开发潜力。随着白僵菌基因组测序的完成,白僵菌素、白僵菌交酯、球孢交酯、卵孢素及纤细素等活性分子的生物合成基因簇及其生物合成机制已得到阐明,这些研究将大大促进白僵菌来源的新结构活性天然产物的基因组挖掘和发现以及已知重要活性分子的开发应用。本文对已知白僵菌产生的天然产物、药理活性及重要活性分子的生物合成途径进行了概括总结,为系统开发白僵菌天然产物资源提供参考。     

合成生物学在微生物细胞工厂构建中的应用

通过微生物发酵的方法生产大宗化学品和天然产物能够部分替代石油化工炼制和植物提取。合成生物学技术的发展极大地提高了构建微生物细胞工厂生产大宗化学品和天然产物的能力。一方面综述了合成生物学在构建细胞工厂时的关键技术,包括最优合成途径的设计、合成途径的创建与优化、细胞性能的优化;另一方面,介绍了应用这些技术构建细胞工厂生产燃料化学品、大宗化学品和天然产物的典型案例。     

酿酒酵母基因组位置效应对外源基因表达的影响

外源基因元件和模块在底盘细胞中发挥特定功能是合成生物学研究的基本过程,而外源元件和模块在基因组中的位置对其功能的实现具有显著影响。为了系统、全面地表征酿酒酵母基因组位置效应对外源基因的表达影响,以绿色荧光蛋白为报告基因,通过双交换同源重组方法,对酿酒酵母单基因敲除库进行高通量转化,构建酿酒酵母基因组单位点荧光标记菌株库。结合流式细胞术和高通量测序技术对单位点荧光标记库菌株进行分析,构建高表达位点库和低表达位点库,共发现促进绿色荧光蛋白表达的位点428个,抑制绿色荧光蛋白表达的位点444个。通过分析高、低表达位点在酵母染色体上的分布,从全基因组尺度上对酿酒酵母基因组整合位置对基因表达的影响进行表征。本研究可为酿酒酵母基因组位置效应的分布规律和产生机理研究提供重要参考,对外源蛋白工业生产和合成生物学中的基因表达精细调控也具有重要的指导意义。     

Synthetic biology approach to reconstituting the ubiquitylation cascade in bacteria

Covalent modification of proteins with ubiquitin (Ub) is widely implicated in the control of protein function and fate. Over 100 deubiquitylating enzymes rapidly reverse this modification, posing challenges to the biochemical and biophysical characterization of ubiquitylated proteins. We circumvented this limitation with a synthetic biology approach of reconstructing the entire eukaryotic Ub cascade in bacteria. Co‐expression of affinity‐tagged substrates and Ub with E1, E2 and E3 enzymes allows efficient purification of ubiquitylated proteins in milligram quantity. Contrary to in‐vitro assays that lead to spurious modification of several lysine residues of Rpn10 (regulatory proteasomal non‐ATPase subunit), the reconstituted system faithfully recapitulates its monoubiquitylation on lysine 84 that is observed in vivo. Mass spectrometry revealed the ubiquitylation sites on the Mind bomb E3 ligase and the Ub receptors Rpn10 and Vps9. Förster resonance energy transfer (FRET) analyses of ubiquitylated Vps9 purified from bacteria revealed that although ubiquitylation occurs on the Vps9‐GEF domain, it does not affect the guanine nucleotide exchanging factor (GEF) activity in vitro. Finally, we demonstrated that ubiquitylated Vps9 assumes a closed structure, which blocks additional Ub binding. Characterization of several ubiquitylated proteins demonstrated the integrity, specificity and fidelity of the system, and revealed new biological findings.     

合成生物学中的DNA组装技术

合成生物学旨在应用工程学的研究思路及手段去设计或改造生物系统,是一个综合了科学与工程的拥有发展潜力的新兴学科,在生物医药、农业、能源、环保等方面发挥着巨大作用。DNA组装技术是合成生物学中的关键技术,也是合成生物学快速发展的限制性技术。综述了众多DNA组装技术的发展及其在合成生物学研究中的意义和应用。     

适用于链霉菌大片段基因组DNA 克隆和异源表达的细菌人工染色体(BAC)载体的构建及应用

【目的】很多链霉菌来源的天然产物的生物合成基因簇往往很大,用传统的cosmid载体很难完整的克隆和异源表达。本研究通过载体改造,成功构建出一个新的细菌人工染色体(BAC)载体,用于链霉菌来源的天然产物生物合成基因簇的克隆及异源表达实验。【方法】从复合型载体pCUGIBAC1出发,通过λRED介导的PCR-targeting方法,用链霉素抗性基因替换掉原有的氯霉素抗性基因标记,同时插入链霉菌中常用的安普拉霉素抗性标记、转移起始位点oriT、φC31整合酶基因int、整合位点attP等元件。【结果】成功构建出可装载链霉菌大片段DNA的BAC载体pMSBBACs。使用pMSBBACs构建出链霉菌U27的基因组BAC文库,平均插入片段大小为100 kb。选取其中一个大小为140 kb的BAC质粒进行功能验证,实验证明通过接合转移和原生质体转化的方法都能够将这个大型BAC质粒导入链霉菌模式菌株,并通过位点特异性重组整合到染色体中进行异源表达。【结论】BAC载体pMSBBACs可成功用于放线菌大片段基因组DNA的克隆和异源表达实验。