基于合成生物学的微生物制造研究进展

基于合成生物学的微生物制造在天然产物药物、生物能源、生物基化学品及生物传感器件的研究中发挥越来越重要的作用。本文系统地介绍了合成生物学研究领域的最新技术进展,包括DNA和染色体合成、新生物元件开发与元件库标准化、染色体工程与最小基因组技术、途径装配技术等,并阐述了合成生物学在微生物制造领域内所取得的突破和巨大的应用价值。     

基于2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4磷酸途径的产紫槐二烯大肠杆菌构建及其补糖策略优化

2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸(2-methyl-D-erythritol-4-phosphate, MEP) 途径是大肠杆菌Escherichiacoli 唯一的萜类前体合成途径,研究表明它比甲羟戊酸(Mevalonate, MVA)途径具有更高的理论产率。但目前有关MEP 途径的调控所知非常有限,故单独强化MEP 途径对萜类异源合成产量的提高效果并不理想。研究中通过引入外源MEP 途径基因强化E. coli 萜类合成的遗传改造策略和发酵过程补糖控制优化,尝试更有效地释放MEP 途径的潜力,建立青蒿素前体——紫槐二烯的高密度发酵过程。研究结果表明共表达阿维链霉菌Streptomyces avermitilis dxs2 基因和枯草芽胞杆菌Bacillus subtilis idi 基因可使紫槐二烯的摇瓶发酵产量比野生菌株提高12.2 倍。随后针对该菌株建立了高密度发酵过程,发现稳定期的中前期(24?72 h) 是产物合成的关键期,通过稳定期补糖速率的调整,明显改善了产物合成速度,使紫槐二烯的产量从2.5 g/L 提高到了4.85 g/L,但不影响产物积累的周期。考虑到72 h 后菌体老化可能会影响产物合成,进一步采取了调整对数期的补糖速率控制菌体生长的策略,使紫槐二烯的产量达到6.1 g/L。研究结果为基于MEP 途径的萜类异源合成工程菌构建及其发酵工艺的建立奠定了基础。     

大肠杆菌中从头合成白藜芦醇途径的设计及优化

白藜芦醇是一种极具药用价值的植物源芪类化合物。为了在E.coli实现白藜芦醇的从头合成,构建了由酪氨酸解氨酶(TAL),香豆酸-CoA合成酶(4CL)和白藜芦醇合成酶(STS)组成的非天然合成途径。经3天发酵后,白藜芦醇产量仅为2.67 mg/L,而其中间体香豆酸的积累达到了95.64 mg/L。为了进一步改善异源途径的效率,对4CL和STS模块采取融合表达、高拷贝表达及启动子工程改造的策略,最终使白藜芦醇产量提高到了9.6倍,达到了25.76 mg/L,同时香豆酸的积累减少到了20.38 mg/L。这些研究结果为更高效白藜芦醇从头合成工程菌的构建及最终实现白藜芦醇的微生物大规模生产奠定了基础。     

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。     

复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建

天然产物是人类疾病预防和治疗药物的最重要来源。合成生物学技术的蓬勃发展为天然产物的开发注入了全新的活力。文中重点介绍了如何利用合成生物技术进行复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建,包括与此相关的生物元件理性设计、生物元件挖掘、途径装配与集成,模块的组装与系统的适配等内容。     

大肠杆菌中从头合成白藜芦醇途径的设计及优化

白藜芦醇是一种极具药用价值的植物源芪类化合物。为了在E. coli实现白藜芦醇的从头合成,构建了由酪氨酸解氨酶（TAL）,香豆酸-CoA合成酶（4CL）和白藜芦醇合成酶（STS）组成的非天然合成途径。经3天发酵后,白藜芦醇产量仅为2.67 mg/L,而其中间体香豆酸的积累达到了95.64 mg/L。为了进一步改善异源途径的效率,对4CL和STS模块采取融合表达、高拷贝表达及启动子工程改造的策略,最终使白藜芦醇产量提高到了9.6倍,达到了25.76 mg/L,同时香豆酸的积累减少到了20.38 mg/L。这些研究结果为更高效白藜芦醇从头合成工程菌的构建及最终实现白藜芦醇的微生物大规模生产奠定了基础。