使用动态分子开关调控大肠杆菌生产莽草酸

莽草酸是大肠杆菌合成芳香族氨基酸的中间代谢物,也是抗流感药物"达菲"的重要合成前体。合成莽草酸需要截断莽草酸途径,导致芳香族氨基酸无法合成,因此面临细胞生长受到抑制的问题。使用动态调控策略通过将细胞生长和莽草酸的合成相互分离,可以提高菌株的生产性能。通过使用生长偶联型启动子和降解决定子(Degrons),组建动态分子开关。利用该动态分子开关实现细胞生长与莽草酸合成分离,在5L发酵罐中经过72h发酵得到了14.33g/L的莽草酸。结果表明,这种动态分子开关可以通过调控靶蛋白丰度来改变碳流量平衡,使菌株获得更优秀的生产性能。     

多酶组合催化制备L-高苯丙氨酸

【目的】L-高苯丙氨酸(L-HPA)是许多医药化学品的重要中间体,化学合成法生产L-HPA反应复杂、环境污染严重,本研究旨在开发高效环保的L-HPA酶法合成路线。【方法】采用模块化组装的方法,构建了一条以甘氨酸和苯乙醛为底物高产L-HPA的新途径。【结果】首先,根据文献挖掘设计了一条由苏氨酸醛缩酶(TA)、苏氨酸脱氨酶(TD)、苯丙氨酸脱氢酶(PheDH)和甲酸脱氢酶(FDH)组成的多酶组合催化途径,用于L-HPA的合成。其次,根据氨基基团的引入和重构,将L-HPA多酶组合催化途径分为基础单元和扩增单元,基础单元包括TA和TD,扩增单元包括PheDH和FDH。然后,利用不同表达水平的质粒,对基础单元和扩增单元进行蛋白表达的组合调节,获得最优工程菌BL21-C-M1-R-M2,使L-HPA产量达到208.6mg/L。最后,我们对全细胞转化体系进行优化,使L-HPA产量进一步提高到1226.6 mg/L,苯乙醛摩尔转化率为34.2%。【结论】该工艺路线绿色高效,为未来大规模生产L-HPA奠定基础。     

异养微生物固定CO2的合成生物学研究进展

人类活动造成大气二氧化碳（CO₂）浓度不断升高,使当今世界面临着气候变化的重大危机。微生物CO₂固定为实现地球“碳中和”提供了一条有前景的绿色发展路线。与自养微生物相比,异养微生物具有更快的生长速度和更先进的遗传工具,但是其固定CO₂的能力还很有限。近年来,基于合成生物学技术强化异养微生物CO₂固定受到诸多关注,主要包括优化能量供给、改造羧化途径以及基于异养微生物间接固定CO₂。本综述将围绕上述3个方面重点讨论异养微生物CO₂固定的研究进展,为将来更好地利用微生物CO₂固定技术实现“碳达峰、碳中和”提供参考。     

谷氨酸棒杆菌代谢工程高效生产L-缬氨酸北大核心CSCD

L-缬氨酸作为一种支链氨基酸,广泛应用于医药和饲料等领域。本研究借助多种代谢工程策略相结合的方法,构建了生产L-缬氨酸的微生物细胞工厂,实现了L-缬氨酸的高效生产。首先,通过增强糖酵解途径、减弱副产物代谢途径相结合的方式,强化了L-缬氨酸合成前体丙酮酸的供给;其次,针对L-缬氨酸合成路径关键酶—乙酰羟酸合酶进行定点突变,提高了菌株的抗反馈抑制能力,并利用启动子工程策略,优化了路径关键酶的基因表达水平;最后,利用辅因子工程策略,改变了乙酰羟酸还原异构酶和支链氨基酸转氨酶的辅因子偏好性,由偏好NADPH转变为偏好NADH,从而提高了L-缬氨酸的合成能力。在5L发酵罐中,最优谷氨酸棒杆菌工程菌株Corynebacterium glutamicum K020的L-缬氨酸产量、得率和生产强度分别达到了110g/L、0.51g/g和2.29 g/(L·h)。     

光驱动二氧化碳转化系统的构建、优化与应用

利用光能驱动二氧化碳(carbon dioxide, CO₂)还原生产化学品对于缓解环境压力、解决能源危机具有重要意义。光捕获、光电转化和CO₂固定等作为影响光合作用效率的关键因素,同时也制约着CO₂的资源化利用效率。为了解决上述问题,本文从生物化学与代谢工程相结合的角度,系统总结了光驱动杂合系统的构建、优化与应用,并从酶杂合系统、生物杂合系统以及杂合系统应用3个方面分析了光驱动CO₂还原合成化学品的最新研究进展。在酶杂合系统方面,采用的策略主要有提升酶催化活性、增强酶稳定性等;在生物杂合系统方面,采用的方法主要包括增强生物捕光能力、优化还原力供应以及改善能量再生等;在杂合系统应用方面,主要阐述了光驱动CO₂还原生产一碳含能化合物、生物燃料以及生物食品等。最后,从纳米材料(包括有机材料和无机材料)和生物催化剂(包括酶和微生物)两个方面,展望了人工光合系统的进一步发展方向。     

生物酶法合成L-精氨酸衍生物的研究进展

L-精氨酸是一种碱性氨基酸,具有多样化的官能团,是合成多种有用化合物的前体,其衍生物广泛应用于医疗、食品和化妆品等领域。L-精氨酸衍生物的合成方法有化学法、发酵法和酶法。在当前绿色经济和可持续发展的背景下,对比各种生产方法,生物酶法合成L-精氨酸衍生物具有明显优势。因此本文重点介绍了L-精氨酸衍生化的典型产品和合成技术,并介绍了生物酶法合成L-精氨酸衍生物未来可能的发展方向。     

微生物辅因子平衡的代谢调控

辅因子平衡对于酶制剂、药品和化学品的生产具有重要的作用。为了满足工业化生产的需求,维持辅因子长期有效的平衡是实现代谢流高效化导向目标代谢产物的必要手段。本文在总结辅因子生理功能的基础上,从生化工程和代谢工程两方面分析归纳了辅因子的代谢调控策略,并展望了辅因子进一步精深调控的发展方向。     

应用代谢网络模型解析工业微生物胞内代谢

为了快速、高效地理解工业微生物胞内代谢特征,寻找潜在的代谢工程改造靶点,基因组规模代谢网络模型(GSMM)作为一种系统生物学工具越来越受到人们的关注。文中在回顾GSMM 20年发展历程的基础上,分析了当前GSMM的研究现状,总结了GSMM的构建及分析方法,从预测细胞表型和指导代谢工程两个方面阐述了GSMM在解析工业微生物胞内代谢中的应用,并展望了GSMM未来的发展趋势。     

三酶级联催化L-苏氨酸生产L-2-氨基丁酸

L-2-氨基丁酸(L-ABA)是一种重要的化工原材料和手性医药中间体,为了实现L-ABA的高效生产,本研究在大肠杆菌EscherichiacoliBL21(DE3)中分别表达大肠杆菌来源的苏氨酸脱氨酶(Threonine deaminase,TD)、苏云金芽孢杆菌来源的亮氨酸脱氢酶(Leucine dehydrogenase,LDH)和博伊丁假丝酵母来源的甲酸脱氢酶(Formatedehydrogenase,FDH),构建体外级联酶催化反应实现L-苏氨酸向L-ABA的转化,体系中TD、LDH和FDH添加最适比例为1∶1∶0.2。为了简化生产工艺,将3种酶在一株菌E. coli 3FT+L中共表达并实现上述配比,在30 L发酵罐中用E. coli 3FT+L全细胞转化12 h,L-ABA的产量为68.5 g/L,底物L-苏氨酸的摩尔转化率达到99.0%。该工艺路线绿色高效,为未来大规模生产L-ABA提供借鉴。     

调控大肠杆菌胞内ATP和NADH水平促进琥珀酸生产

琥珀酸作为一种重要的C4平台化合物,广泛应用于食品、化学、医药等领域。利用大肠杆菌(Escherichia coli)发酵生产琥珀酸受胞内辅因子不平衡的影响,存在产率低、生产强度低、副产物多等问题。为此,对不同氧气条件下琥珀酸产量和化学计量学分析发现,微厌氧条件下E.coli FMME-N-26高效积累琥珀酸需要借助三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)为还原性三羧酸途径(reductive tricarboxylic acid pathway,r-TCA)提供足够的ATP和NADH。通过减少ATP消耗、强化ATP合成、阻断NADH竞争途径和构建NADH回补路径等代谢工程策略,组合调控胞内ATP与NADH含量,获得工程菌株E.coli FW-17。通过发酵条件优化,菌株E.coli FW-17在5 L发酵罐能积累139.52 g/L琥珀酸,比出发菌株提高了17.81%,乙酸浓度为1.40 g/L,降低了67.59%。进一步在1000 L发酵罐中进行放大实验,琥珀酸产量和乙酸浓度分别为140.2 g/L和1.38 g/L。