酿酒酵母代谢工程技术

自20世纪90年代初期诞生以来,代谢工程历经了30年的快速发展。作为代谢工程的首选底盘细胞之一,酿酒酵母细胞工厂已被广泛应用于大量大宗化学品和新型高附加值生物活性物质的生物制造,在能源、医药和环境等领域取得了巨大的突破。近年来,合成生物学、生物信息学以及机器学习等相关技术也极大地促进了代谢工程的技术发展和应用。文中回顾了近30年来酿酒酵母代谢工程重要的技术发展,首先总结了经典代谢工程的常用方法和策略,以及在此基础上发展而来的系统代谢工程和合成生物学驱动的代谢工程技术。最后结合最新技术发展趋势,展望了未来酿酒酵母代谢工程发展的新方向。     

聚羟基脂肪酸酯PHA代谢工程研究30年

聚羟基脂肪酸酯 (Polyhydroxyalkanoate,PHA) 是微生物合成的可降解高分子材料,种类及性能多样,应用前景广阔,然而其大规模生产受制于它较为高昂的生产成本。30年来,代谢工程的应用日益广泛,通过代谢流调控、代谢通路改造引入新通路等方法,微生物合成PHA的效率得到了很大提高,也丰富了PHA的单体种类、结构多样性和底物多样性;同时通过改变细胞形态和PHA颗粒大小等方法实现了更加高效的下游生产处理,降低了PHA生产成本。近年来,基于极端微生物,尤其是嗜盐菌的“下一代工业生物技术” (Next generation industrial biotechnology,NGIB) 发展迅速。NGIB实现了PHA生产过程的开放性和连续性,节约能源和淡水,简化了PHA的生产过程。结合代谢工程技术,盐单胞菌可以作为多种PHA的低成本生产平台,将有望提高PHA的市场竞争力和推进其商业化。     

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。     

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。     

代谢工程改造L-半胱氨酸供给模块促地衣芽胞杆菌 高效合成杆菌肽

杆菌肽是一种主要由芽胞杆菌产生的广谱性抗生素,目前作为兽药广泛应用于畜禽养殖领域。前体氨基酸供应不足可能是限制微生物发酵高产杆菌肽的重要因素。文中以杆菌肽工业生产菌株——地衣芽胞杆菌Bacillus licheniformis DW2为出发菌株,研究l-半胱氨酸供给模块强化对杆菌肽合成的影响。首先,构建了l-半胱氨酸合成酶基因cysK强化表达菌株,杆菌肽效价相比于对照菌株提高了9.47%。接着,为提高l-半胱氨酸合成前体供给,对l-丝氨酸乙酰转移酶基因cysE和硫代硫酸盐/硫酸盐胞内转运蛋白基因cysP进行强化,杆菌肽产量分别提高了7.23%和8.52%。随后,结果表明转运蛋白TcyP负责从胞外向胞内转运胱氨酸,强化表达TcyP后胞内l-半胱氨酸浓度和杆菌肽效价分别提高了29.19%和7.79%。通过组合代谢工程育种,在整合表达了基因cysK基础上,利用强启动子PbacA分别替换基因cysP、cysE和tcyP原始启动子,得到工程菌株CYS4 (DW2::cysK-PbacA(cysP)- PbacA(cysE)-PbacA(tcyP)),杆菌肽效价达到910.02 U/mL,相比于出发菌株DW2 (747.71 U/mL) 提高了21.10%。最后,通过3 L发酵罐小试实验,进一步证实了强化l-半胱氨酸有利于杆菌肽合成。研究表明,强化胞内l-半胱氨酸供给水平是提高地衣芽胞杆菌中杆菌肽产量的有效策略,为杆菌肽工业生产提供了一株具有良好应用前景的菌株。     

异源表达多巴脱羧酶促进大肠杆菌从头合成多巴胺

多巴胺是多种天然抗氧化药物生物合成的前体物质,在人体内作为神经递质调控中枢神经系统的多种生理功能,常用于多种类型休克的临床治疗。目前,通过微生物合成技术已经实现了多巴胺的从头合成,但是合成效率很低。针对该问题,在左旋多巴 (l-DOPA) 大肠杆菌工程菌基础上,利用不同拷贝数质粒表达野猪Sus scrofa来源的多巴脱羧酶基因Ssddc,实现了葡萄糖到多巴胺的生产。为了进一步提高多巴胺合成效率,从100个候选基因中筛选出5个多巴脱羧酶基因进行测试,其中来源于人Homo sapiens多巴脱羧酶基因Hsddc的工程菌摇瓶发酵的多巴胺产量最高,达到3.33 g/L;而来源于果蝇Drosophila melanogaster多巴脱羧酶基因Dmddc的工程菌摇瓶发酵的左旋多巴残余量最低,仅有0.02 g/L;这两株工程菌分批补料发酵表明,多巴胺的产量可以分别达到13.3 g/L和16.2 g/L,左旋多巴残余量分别是0.45 g/L和0.23 g/L。将多巴脱羧酶基因Dmddc和Ssddc分别整合到基因组上,获得遗传稳定的工程菌,在分批补料发酵条件下,多巴胺产量最高达到17.7 g/L,是目前国内外报道的最高产量。     

代谢工程发展30年

代谢工程学科建立30年以来先后与分子生物学、系统生物学和合成生物学发生深度的交叉融合,并在此基础上获得了飞速发展,极大地促进了生物技术产业的进步和升级。文中首先基于SCI论文发表情况对30年来代谢工程学术研究现状和我国在该领域的地位和影响力进行了分析,随后总结了近10年来系统生物学方法和合成生物学的主要使能技术在代谢工程中的应用。最后讨论了目前代谢工程发展中存在的主要问题和今后的发展趋势。     

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。     

甲醇酵母代谢工程研究进展

甲醇酵母由于独特优点被认为是绿色生物制造的潜在宿主。特别是其天然甲醇利用性能有望建立甲醇生物转化路线,拓展生物炼制底物,具有重要经济价值和环保意义。文中综述了代谢工程改造甲醇酵母合成蛋白质和化学品的最新研究进展,并比较了其与模式生物酿酒酵母作为细胞工厂的优缺点。随后,分析了甲醇酵母代谢工程改造面临的挑战,并展望了潜在解决方案。随着基因操作工具开发和细胞代谢阐释,甲醇酵母将在未来绿色生物制造发挥越来越重要的作用。     

中国古人类遗址年代学的研究进展与问题

我国丰富的古人类遗存为研究东亚乃至全球古人类起源、迁徙和演化提供了重要的基础材料与数据。对已发表的2000多处旧石器时代古人类遗址年代学数据的整理和统计分析发现,绝大多数遗址目前仍缺少基本的年代学数据,不足20%的遗址开展过测年,仅10%左右具有相对可靠的年代学数据,只有极少数开展了多种测年方法的交叉定年。对于80多处出土古人类化石的遗址,亦过半存在明显的年代学争议。我们对一些古人类遗址中的常见各种复杂的同沉积和沉积后改造现象进行了详细分析,探讨了我国测年平台和测年队伍建设、考古发掘以及年代学采样与测年方法学等方面存在的问题,及其对遗址年代学研究的可能影响。基于此,笔者提出改善我国古人类年代学研究现状的可能措施,希望可以抛砖引玉,引发对该研究领域更多的关注和思考。