微生物电合成-电能驱动的CO_2固定

CO_2代表着地球上最广泛的可再生资源,通过生物固碳途径将CO_2转化为有机物,是生产生物燃料和生物基化学品的重要方向,由于能量供给不足和微生物自身生理代谢的限制,生物固碳效率还有待提高.利用电能驱动微生物还原CO_2是实现CO_2高效转化的新策略,被称为微生物电合成.本文从电合成微生物种类、胞外电子传递、电极材料等方面综述了微生物电合成的研究进展,并对微生物电合成的未来研究方向进行了展望.     

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。     

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。     

CO_2固定的合成生物学

将CO2转化为燃料或化学品,实现CO2的资源化利用,是缓解化石能源枯竭和温室效应这两大问题的有效途径之一.自养生物能够以光能/氢气/硫等为能量来源,在常温常压下将CO2转化为有机物,提供了一种CO2资源化利用的途径.利用经过代谢工程改造的自养生物(如蓝藻),已经可以实现从CO2生物合成十余种化学品,但整体固碳和转化效率尚低,不能满足工业应用的需求.本文首先介绍了目前已发现的6条天然生物固碳途径,重点从固碳途径及能量供给两方面总结了近年来生物固碳合成生物学研究取得的进展,并对生物固碳的前景和未来方向进行了展望.     

微生物大片段DNA染色体整合技术研究进展

现代生物发酵工业聚焦于设计和创制高效的微生物细胞工厂,以实现原料向目标产品的定向转化。评判微生物细胞工厂性能优劣的主要标准是其合成能力及稳定性。由于质粒系统存在拷贝数不稳定、易于丢失等局限性,在菌株改造中将基因或产物合成途径整合至染色体上实现稳定表达通常是更优的选择。因此,染色体的基因整合技术作为实现这一目标的重要手段已受到广泛关注,并得到快速发展。本综述梳理了近年来微生物染色体上的大片段DNA整合方法的研究进展,归纳了各种技术的原理和特点,尤其是新兴的CRISPR相关转座系统,同时对未来的发展重点和方向进行了展望。     

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。     

加快微生物油脂研究为生物柴油产业提供廉价原料

当前国内外致力于发展生物柴油,因其性能优良,成为化石柴油的替代品。由于以植物油脂生产生物柴油原料成本占总成本的70％-85％,所以亟待开发廉价油脂资源。微生物油脂主要是微生物利用碳水化合物合成的甘油脂,其脂肪酸组成和植物油相近。产油微生物具有资源丰富、油脂含量高、碳源利用谱广等特点,开发潜力大。然而,目前微生物油脂生产成本偏高,研究工作仍以富含多不饱和脂肪酸的高附加值菌油为目标。随着现代分子生物学和生物化工技术的发展,对产油微生物菌种筛选、改良、代谢调控和发酵工程的研究日趋深入,将降低微生物油脂生产成本,为未来生物柴油产业提供廉价原料。     

合成生物学时代基于非模式细菌的工业底盘细胞研究现状与展望

工业微生物底盘细胞的开发将为工业生物技术的发展提供优良的细胞工厂,有利于实现环境保护及经济可持续发展。基于合成生物学"设计-构建-测试-学习"(Design-Build-Test-Learn,DBTL)策略,对底盘细胞进行多维度的理性或半理性改造是实现"建物致知"以及"建物致用"目标的重要手段。文中简述了合成生物学DBTL策略中各步骤相关的重要技术方法;概述了部分重要模式微生物底盘细胞的策略与研究进展;重点比较介绍了工业生物技术领域具有特殊生理功能、利用一碳化合物及高效生产平台化合物的部分非模式细菌;同时也提出了实现优良、安全合成微生物细胞工厂构建与应用的策略。这些方法策略包括依靠合成生物学技术方法,综合模式与非模式微生物优势,开发应用经济、高效的高通量智能装备,建立分子组学与表型组学研究平台,推动多层次系统生物学与表型组学大数据的解析、整合、模拟与可视化,以及建立高质量的数字细胞模型和基因组优化的底盘细胞,推动高效、优良工业细胞工厂的理性设计、构建与应用。     

酵母生物多样性开发及工业应用

酵母是一类包括酿酒酵母和非常规酵母在内的多种单细胞真菌的总称,其中酿酒酵母是应用较多的重要工业微生物,广泛应用于生物医药、食品、轻工和生物燃料生产等不同生物制造领域。近年来,研究者从不同生态环境中分离了大量的酵母菌株,鉴定了多个新种,也发现了抗逆性不同以及具有多种活性产物合成能力的菌株,证明天然酵母资源具有丰富的生物多样性和功能多样性。利用基因组挖掘以及转录组、蛋白组等多组学分析研究,可进一步开发利用酵母遗传多样性,获得酶和调节蛋白的基因以及启动子等遗传元件改造酵母菌株。除了利用酵母的天然遗传多样性,还可通过诱变、驯化、代谢工程改造及合成生物学等技术产生具有多种非天然多样性的菌株。此外,对天然遗传元件也可以进行突变和定向进化,所产生的新遗传元件可用于有效提升菌株的性能。开发利用酵母的生物多样性,对构建高效酵母细胞工厂,生产生物酶、疫苗以及多种活性天然产物等产品具有重要意义。文中对酵母生物多样性的研究现状进行综述,并对未来高效开发利用酵母菌株资源和遗传资源的研究进行了展望。文中所总结的研究方法和思路也可为研究其他工业微生物的多样性及进行高效菌株的选育提供参考。     

工业微生物：创新与突破专刊序言(2021)

工业微生物及其产品广泛用于工业、农业、医药等诸多领域,相关产业在国民经济中具有举足轻重的地位。高效的菌株是提高生产效率的核心,而先进发酵技术和仪器平台对充分开发菌株代谢潜能也很重要。近年来,工业微生物领域的研究取得了快速进展,人工智能、高效基因组编辑技术和合成生物学技术逐渐广泛使用,相关产业应用也在不断扩展。为进一步促进工业微生物在生物制造等领域的应用,《生物工程学报》特组织出版专刊,从微生物菌株的多样性和生理代谢、菌株改造技术、发酵过程优化和放大,高通量微液滴培养装备开发以及工业微生物应用等方面,分别阐述目前的研究进展,并展望未来的发展趋势,为促进工业微生物及生物制造等产业的发展奠定基础。     

絮凝微生物采收微藻的作用机制研究进展

微藻广泛分布于自然界,其易培养,生长快且应用价值高,普遍用于生物燃料、医学原料、优质食品源及畜牧养殖业等。近年来,通过对光生物反应器改造设计、高产藻株筛选、代谢通路基因改造等方法实现微藻产量的提高,而在微藻处理的下游过程的研究与创新不足,特别是微藻采收已经成为其产业发展的瓶颈。本文综述了絮凝法在微藻采收中的作用,重点讨论了絮凝微生物在微藻采收中的作用,并对絮凝微生物对微藻的絮凝机制进行广泛探讨,为絮凝微生物采收微藻提供理论依据。     

蓝细菌固碳合成乳酸技术的发展与展望

乳酸是一种重要的工业化学品,被广泛应用于各个行业。近年来,随着聚乳酸(PLA)市场的兴起,乳酸原料的需求也在不断增加。糖基异养生产乳酸所带来的高昂成本与市场需求的矛盾吸引着研究人员积极寻找其他有利的解决方案。蓝细菌光合固碳生产乳酸是一种潜力巨大的新型原料供应策略,基于光合自养的细胞工厂,可以在单一平台上以太阳能为驱动力,从二氧化碳中直接生产出高光学纯度的乳酸。该方法原料廉价易得、过程简单可控、产物明确且易分离,同时达到节能减排和高附加值产品生产的双重效果,具有重要的研究与应用价值。文中回顾了蓝细菌固碳产乳酸技术的发展历程,从代谢基础、代谢工程策略、代谢动力学分析与技术应用等方面,梳理其研究进展和所遇到的技术难点,并对该技术的未来进行展望。     

微生物发酵产光学纯度D-乳酸研究进展

D-乳酸作为一种重要的手性中间体和聚乳酸合成的原料,其生产已越来越受到人们的重视。然而,低光学纯度D-乳酸在很多领域的应用都受到限制。微生物发酵法能够生产高光学纯度的D-乳酸。除了乳酸生产的传统菌株-乳酸细菌,研究者们还通过基因工程的手段不断探索其它种属菌株利用更廉价的可再生资源高产光学纯度D-乳酸的可行性。介绍了D-乳酸的物化性质及其在工业生产、化学加工和聚乳酸合成中的应用,并详细综述了国内外发酵法生产光学纯度D-乳酸的最新研究进展,着重介绍了采用基因工程育种策略提高菌株的D-乳酸产量、转化率、生产强度以及光学纯度,降低副产物的合成,扩大底物利用范围的研究成果。所涉及的菌株包括:乳酸细菌、大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌以及酵母等。这些研究表明,应用基因工程手段改造生产菌株的代谢途径是选育D-乳酸发酵生产菌株的发展趋势。最后还对D-乳酸发酵生产的前景进行了展望。     

Formic acid production from H2 and bicarbonate by a formateutilizing methanogen

Summary Resting cells of a formate-utilizing methanogen (strain HU) were used as a biocatalyser for formic acid production from H₂ and bicarbonate. In the presence of methyl viologen, a potent inhibitor of methanogenesis, the cells could accumulate formic acid in the reaction mixture, whereas methane was produced in the absence of the inhibitor. Under optimal conditions (pH 8.0, 32°C, 100% H₂ gas phase), 674 mmol·l^-1 of formic acid (31 g·l^-1 yield; 33% conversion of bicarbonate) was obtained at about 0.7 atm of gas pressure. When the reaction was carried out in an ultrafiltration vessel with a hydrogen pressure of 3 atm, a final product concentration of 1.02 mol·l^-1 (47 g·l^-1 yield, 51% conversion) could be obtained, indicating that the hydrogen lyase system of this methanogen has a high tolerance to formic acid, bicarbonate and hydrogen. The results obtained in this work open a new perspective for the utilization of methanogens for processes other than methane production.     

L-乳酸的发酵生产和聚L-乳酸的化学加工

L-乳酸广泛应用于食品、医药、日化和工业等各个领域。近年来随着石化资源的不断紧缺,众多化学合成的高分子材料的生产受到了限制。以生物质资源为基础的L-乳酸因此被大量用于加工生产成聚L-乳酸等环境友好型生物可降解材料。正是由于L-乳酸需求量的增大,如何高效低成本地生产L-乳酸显得尤为重要。系统综述了L-乳酸生产菌株的选育,用于L-乳酸发酵生产的廉价资源的开发利用,L-乳酸的发酵生产和L-乳酸的分离纯化等方面的研究进展。目前研究的热点和难点正是基于上述四个部分:菌种方面,以可以高效代谢利用廉价底物,且营养需求低的选育目标获得了多个优良的生产菌种,然而具备综合代谢优势的菌种还有待进一步选育;发酵底物方面,已开发利用多种廉价,来源丰富且易于菌种代谢并高效转化成乳酸的底物,但是对这些底物工业规模应用还有待进一步研究;发酵工艺方面,建立了环境友好型,劳动强度低的发酵工艺,然而实际应用中仍然存在成本高的问题;后提取方面,通过选育低营养需求的生产菌种和采用新型发酵工艺有效地简化了后提取过程,但是实际应用方面仍受发酵工艺成本高的制约。最后对聚L-乳酸的化学加工以及聚L-乳酸的生物降解进行了探讨并提出了一些建议。     

白蚁消化系统转化和降解木质纤维素酶研究进展

木质纤维素是地球上最丰富的有机聚合物,白蚁是古老但进化最成功的高效木质纤维素降解者之一。了解白蚁降解高度抗性植物聚合物的机制对工业上生物质能源转化和生物仿生设计有重要的借鉴和指导价值。白蚁和其共生微生物产生的木质纤维素酶在其转化利用木质纤维素上发挥着重要作用。本文从来源作用方面对白蚁自身及其肠道原虫、细菌和真菌产生的纤维素酶、木聚糖酶和漆酶等酶研究概况进行了总结,对其存在的问题和前景进行了展望。本综述有助于全面了解白蚁消化系统木质纤维素酶的基因种类、来源、分布、表达以及酶活性和功能。     

Influence of culture conditions of Gordonia jacobaea MV-26 on canthaxanthin production.

Commercial interest in the use of natural pigments isolated from microorganisms has increased in recent years; hence, molecules belonging to the polyisoprenoid group (i.e. beta-carotene, astaxanthin, and canthaxanthin) have been the focus of much attention. The bacterium Gordonia jacobaea readily synthesizes and accumulates large amounts of canthaxanthin (beta-beta'-carotene-4,4'-dione), which is widely used in the food and cosmetics industries. In the present work, the effects of different low-cost raw materials on fermentation and canthaxanthin accumulation by a hyperpigmented strain of G. jacobaea were studied. Canthaxanthin production and peak levels of accumulation varied according to the different media used.     

D-乳酸产生菌的研究进展

D-乳酸作为一种重要的工业有机酸,是许多手性物质的中间体,特别是高光学纯度D-乳酸因其可以提高聚乳酸材料的性能而广泛应用。微生物发酵法是目前D-乳酸的主要生产方法,而菌种在发酵生产中占有非常重要的地位,是决定整个生产过程的关键。就近几十年来产D-乳酸常用菌株、菌种进化、研究方法、存在问题及前景做一综述。