基于微生物法甾体羟基化反应

甾体化合物又称类固醇,是重要的药物活性成分和药物合成中间体,因其具有环戊烷多氢菲的基本骨架,反应类型丰富,其中羟基化反应因产品具有广阔的市场应用前景而受到广泛关注。羟基化反应有化学法和生物法两种,生物法具有区域和立体专一性、对映体专一性等特点而成为目前主要的生产方法。首先从反应原理、类型及机制3个方面介绍了甾体微生物羟基化过程;其次,基于文献及自身研究工作,从甾体羟基化反应的发酵条件、底物溶解性、跨膜运输及反应器内流体力学特性4个角度对羟基化过程的影响进行了综述;最后,基于甾体羟基化反应特性及当前研究进展,对该反应过程后续研究提出展望,旨在为后期甾体羟基化反应的相关研究提供一定参考依据。     

甾体微生物转化C11β-羟基化的研究进展

C11β-羟基化是甾体微生物转化中难以实现的一步反应。对甾体C11β-羟基化的机理及部分生理生化问题进行了讨论,对蓝色犁头霉和新月弯孢霉催化转化甾体C11β-羟基化的应用研究特点及其催化转化反应产物氢化可的松的工业生产现状及相关问题进行了评述,并对此技术开发前景进行了预测。     

甾体微生物转化反应关键酶3-甾酮-Δ1-脱氢酶的研究进展

3-甾酮-Δ~1-脱氢酶是甾体化合物微生物代谢的关键酶,负责催化3-酮基类甾体化合物A环上的C1,2位脱氢反应。其不仅在甾体母核的早期降解途径中发挥重要作用,而且能通过A环C1,2位上双键的导入显著提高甾体化合物的生理活性。本文详细阐述了3-甾酮-Δ~1-脱氢酶在微生物中的种属分布和序列特征、酶的生物学特性、生理作用、催化机理以及分子改造等,为深入研究该酶在甾体生物转化领域中的应用提供重要参考。     

化学制品在发酵工艺中的利用

把微生物直接作催化剂使用的方法,是由于微生物化学转化甾体的试验取得很大成功,才得到广泛证实的。霉菌、细菌或酵母作用于甾体,催化羟化、脱氢、侧链切断等多种反应。其中有几例已在工业上应用。过去这种方法特别在用化学方法     

合成生物技术生产甾体激素中间体的研究展望

甾体类药物是销售额仅次于抗生素的世界第二大类药物,不同的甾体药物分子结构均由甾体激素中间体衍生而来。甾体激素中间体的传统生产方法包括植物提取皂素法和化学全合成法,其对环境有害,反应产物结构不唯一且成本较高,不利于工业化生产。目前主要的生产工艺是利用微生物对特殊原料进行转化的半合成法,但会遇到微生物酶转化率低、发酵周期长等问题。合成生物学的出现为构建利用糖为唯一碳源生产甾体激素中间体的人工细胞提供了理论上的可行性和可靠的技术支持。重点综述了合成生物技术在甾体激素中间体生产中的应用,以有利于工业发酵的酿酒酵母、分枝杆菌等为底盘细胞,通过引入外源合成功能模块,实现胆甾醇、雄烯二酮等甾体激素中间体的生物合成,并对合成生物技术在医药生产方式转变中的应用进行了展望,以期推动甾体类药物生物制造技术的进步。     

哺乳类药物代谢的微生物模型概念

合成药物化学中微生物方法学的应用带来了革命性的变化。1952年,Peterson和Murray报道了应用霉菌完成对黄体酮的11α-羟基化反应,从而使抗炎抗风湿皮质甾体激素药物可的松的合成取得了突破性的进展,导致建立了以化学法和微生物发酵法相结合的甾体医药工业体系。这是合成化学史上的又一个里程碑。     

系列甾体药物关键中间体转化菌种构建及智能化生产应用

甾体激素药物是仅次于抗生素的第二大类药物,当前甾体工业的初始原料已经由从黄姜等植物中提取的薯蓣皂素转向植物甾醇。作为食用油工业的副产物,植物甾醇来源广泛,价格低廉,经微生物转化后可生成雄烯二酮(androstenedione, AD)、雄二烯二酮(androstadiendione, ADD)、9α-羟基-雄烯二酮(9α-hydroxy-androstenedione, 9α-OH-AD)等一系列化合物,这些关键中间体可用于甾体药物合成。甾体代谢途径长、副产物多、调控复杂,传统的微生物筛选、诱变育种方法和油水两相转化体系已经不适于当前的工业生产需求。文中以笔者团队与浙江仙居君业药业有限公司联合开发的新一代甾体药物关键中间体的转化菌株构建和智能化生产为例,综述甾体药物中间体菌种改造和转化工艺开发及其在产业化应用中的进展。未来,随着合成生物学技术的发展,有望开发出更适于甾体药物合成的新一代中间体;乃至以葡萄糖等为原料,使用微生物直接合成甾体原料药。这些生物技术(biotechnology, BT)创建的新一代菌株在基于信息化、智能化技术(intelligent technology, IT)建设的现代工厂中的应用,将会形成更高效、更绿色的生产方式,并产生显著的社会效益和经济价值。     

微生物发酵降解植物甾醇侧链生产17-酮甾体研究进展

微生物发酵降解植物甾醇侧链,生产雄甾-4-烯-3,17-二酮(AD),雄甾-1,4-二烯-3,17-二酮(ADD),和9α-羟基-AD甾体药物中间体的工业生物技术对改变制造甾体激素药物半合成原料薯蓣皂素短缺的现状,实现甾体激素药物半合成原料多元化,合理利用我国甾体植物资源具有重要意义。重点评述了近期微生物法断植物甾醇侧链制AD、ADD和9α-羟基-AD的研究现状,内容包括:1)微生物菌种选育;2)菌种相关的细胞生理,酶学性质和生物催化过程;3)相关酶的细胞定位及生物反应器;4)发酵工艺选择和甾醇原料的合理利用。     

甾体皂苷生物转化研究进展

甾体皂苷是中药中一类较为复杂的糖苷类化合物,具有多方面的药理活性。生物转化是利用各种酶系或微生物对天然活性化合物进行生物合成与结构修饰。利用生物转化技术可以对甾体皂苷类化合物完成化学法难以进行的结构改造和修饰,从而获得具有更高药用价值的目标化合物。本文对近几年利用微生物和酶法转化对甾体皂苷结构修饰的研究进展进行了综述,并分析了甾体皂苷生物转化研究中存在的问题,展望了其研究的前景。     

工业分枝杆菌植物甾醇转化途径及菌种改造研究进展

相比于传统的化学转化法,微生物转化法在甾体药物的生产中显示出了明显的优势。利用分枝杆菌降解植物甾醇可以生成一系列甾体药物的中间体,这极大地方便了甾体药物的生产。通过基因工程、分子生物学和结构生物学等学科的技术手段,人们对甾醇转化菌株进行了深入的探索和改造。本文对工业分枝杆菌植物甾醇转化途径及菌种改造的研究进展进行了综述。     

微生物对环境中难降解有机污染物共代谢作用

对微生物共代谢途径的概念、机理、类型进行了综述,详细介绍了微生物共代谢作用在去除难降解有机污染物过程中所起到的重要作用,并对微生物共代谢作用降解有机污染物的关键因素及其应用价值做出分析。     

微生物胞外电子传递效率的合成生物学强化

电活性微生物(产电微生物和亲电微生物)通过与外界环境进行双向电子和能量传递来实现多种微生物电催化过程(包括微生物燃料电池、微生物电解电池、微生物电催化等),从而实现在环境、能源领域的广泛应用,并为开发有效且可持续性生产新能源或大宗精细化学品的工艺提供了新机会。但是,电活性微生物的胞外电子传递效率比较低,这已经成为限制微生物电催化系统在工业应用中的主要瓶颈。以下综述了近年来利用合成生物学改造电活性微生物的相关研究成果,阐明了合成生物学如何用于打破电活性微生物胞外电子传递途径低效率的瓶颈,从而实现电活性微生物与环境的高效电子传递和能量交换,推动电活性微生物电催化系统的实用化进程。     

微生态制剂在水产养殖中的应用

随着健康养殖发展的需求,微生态制剂在水产动物中的应用逐渐成为当今的研究热点。有益菌在提高人和动物营养和防病方面的作用已得到证实。关于高等动植物的生物防治理论也应用于水产养殖中,微生态制剂的应用作为抗生素的替代品逐渐成为水产养殖动物病害防治的一种生物控制模式。本文简要介绍了微生态制剂概念的形成和发展过程,分别在营养特性、免疫特性和改善养殖生态环境三个方面阐述了其在水产养殖中的应用。虽然,微生态制剂在水产中的应用取得了一定的成效,但是仍然处于发展的初级阶段,有待进一步的研究。文章还阐明了微生态制剂的生产工艺和施用原则,最后就微生态制剂的应用问题提出了作者自己的观点和展望。     

元基因组文库分析技术研究进展

随着新的分析技术的不断出现和成熟,促进了微生物分子生态学及相关学科的诞生和迅速发展。其中,元基因组文库分析技术即是近年来微生物分子生态学研究领域兴起的一种新的分析技术。就元基因组分析技术诞生的背景及该技术的原理进行了讨论,着重阐述了元基因组文库分析技术在寻找新基因、开发新的生物活性物质、研究群落中微生物多样性、人类元基因组测序等方面的应用。另外,归纳总结了目前国际上常用的诸如PCR为基础的筛选、荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization,FISH）、底物诱导的基因表达筛选（substrate induced gene expression screening,SIGEX）、基因芯片等元基因组文库筛选方法,并就不同方法的优缺点进行了分析和讨论,指出了目前元基因组文库分析技术存在的主要问题并对今后该技术的发展进行了展望。     

The microbial changes during the biological control of cucumber damping-off disease using biocontrol agents and reductive soil disinfestation

Cucumber damping-off disease mainly caused by Rhizoctonia solani leads to serious loss in agricultural production. In this study, the effective and environmentally friendly methods, using two biological agents combined with applying organic matter or reductive soil disinfestation (RSD), were performed to control the disease. Real-time PCR and MiSeq pyrosequencing were used to investigate the microbial community changes during the biocontrol process. The results showed that the applications of organic matter and antagonists (Ant) significantly decreased R. solani population and disease incidence, and increased soil microbial population and activity. However, antagonists application combined with RSD (RSD + Ant) behaved much better in nearly all aspects, and facilitated to maintain the population and activity of antagonists. Compared to the applications of organic matter and antagonists, the combination of RSD and antagonists changed soil microbial community structure to a larger extent. In conclusion, the applications of biocontrol agents and organic matter improved soil microbial community and decreased cucumber damping-off disease incidence, but the combination of RSD and the antagonists was a more promising method for the improvement of soil microbial community and the stable and successful control of the disease.     

人工电活性微生物菌群的设计与应用

包括产电菌群和噬电菌群的人工电活性微生物菌群(synthetic electroactive microbial consortia)通过菌种间的物质能量级联反应介导化学能与(光)电能间的相互转化，其可利用底物来源广泛、双向电子传递速率快、环境稳定性强，在清洁电能开发、废水处理、环境修复、生物固碳固氮以及生物燃料、无机纳米材料、高聚物等高值化学品合成等多个领域具有广泛的应用前景。针对人工电活性微生物菌群设计、构建与应用，本文总结电活性微生物菌群界面电子传递和种间电子传递机制，概括基于“劳力分工”原理设计构建人工电活性微生物菌群物质能量级联反应基本架构，总结菌群关系与菌群生态位优化等人工电活性微生物菌群工程化策略，分类列举人工电活性微生物菌群在利用廉价生物质产电、生物光伏固碳产电，光驱噬电生物菌群固氮等相关应用。最后对人工电活性微生物菌群未来研究方向进行了展望。     

极地微生物资源的研究现状及挑战

南极和北极区域存在着苔原、冻土、海洋、冰川、湖泊和高山等多种地质地貌,其低温、干燥、强辐射和贫瘠等环境形成了独特而多样化的微生物群落,是微生物资源的宝库。本文对极地微生物的低温酶、多糖以及其代谢产物(抗菌活性物质、表面活性剂、色素、挥发性有机物等)的功能和应用进行了概述,综述了极地微生物及其模式菌株的种类和保藏量,以及极地微生物专利申请和相关研究机构的现况,探讨了在极地微生物勘探中关于可培养性、宏基因组方法以及大数据的挑战。     

微生物在成矿及矿区环境修复中的应用研究现状

随着近代微生物学与地质学研究的不断发展和深入,微生物在矿业相关领域的基础和应用研究日益受到重视。本文总结了近年来微生物及其技术在找矿、选矿、采矿等方面的应用研究进展情况,并着重对微生物在矿产的成矿以及废弃矿区的环境修复方面的研究进行了详细介绍。     

变性梯度凝胶电泳在微生物生态学中的应用

变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)是目前在微生物生态学上应用比较广泛的技术之一,具有简便、准确可靠和重复性好等优点。对DGGE的原理、流程、各项技术要点和在微生物生态学上的应用等方面进行了详细地论述,同时归纳和总结了DGGE的优缺点和局限性。     

Microbial catalysis in bioelectrochemical technologies: status quo, challenges and perspectives

Over the past decade, microbial electrochemical technologies, originally developed from an interesting physiological phenomenon, have evolved from a rush of initiatives for sustainable bioelectricity generation to a multitude of specialized applications in very different areas. Genetic engineering of microbial biocatalysts for target bioelectrochemical applications like biosensing or bioremediation, as well as the discovery of entirely new bioelectrochemical processes such as microbial electrosynthesis of commodity chemicals, open up completely new possibilities. Where stands this technology today? And what are the general and specific challenges it faces not only scientifically but also for transition into commercial applications? This review intends to summarize the recent advances and provides a perspective on future developments.