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。     

灵芝中基于内源ura3基因的多基因沉默系统的建立及其应用

灵芝是一种重要的药用真菌,然而由于近几年缺乏有效的反向遗传体系研究,灵芝的分子遗传相关研究进展相对缓慢。该研究建立了一种更加简便快捷的灵芝电穿孔转基因方法,利用灵芝内源乳清酸核苷-5′-单磷酸脱羧酶基因(ura3)作为反向筛选标记,构建4种沉默载体(颈环结构沉默载体,正向沉默载体,反向沉默载体以及正反双向启动子沉默载体),并基于此转基因方法实现了对灵芝内源基因的沉默。通过系统比对以上4种沉默方法,发现4种沉默方法都不同程度地下调了ura3基因的表达,其中双向启动子沉默不仅载体构建方便并且能够获得最高的沉默效率(达到81.9%)。利用这种双向启动子沉默载体以及ura3的反向筛选特性,建立了灵芝的共沉默体系,发现共沉默下基因转录的下调有一定的相关性,提高了基因沉默的筛选效率。该反向遗传体系的建立有助于深入研究灵芝中单基因或多基因的功能,推动灵芝等大型担子菌的分子遗传研究进展。     

手性医药化学品的绿色生物合成

手性在自然界中普遍存在,与生命现象密切相关,也显著影响物质的性能。手性医药化学品的化学合成存在原子经济性、过程经济性差、环境污染和资源浪费严重等问题。生物合成技术具有过程绿色、选择性好等优势。近年来,生物合成技术在手性医药化学品合成关键酶的选择、催化机制解析、光学纯手性中间体合成途径构建、工艺开发及放大生产等方面均取得长足进步,有望解决手性中心构筑复杂、光学纯度低、污染大等手性化学品制造的瓶颈问题,推动我国医药行业的绿色可持续发展。本文主要总结了中国科学院天津工业生物技术研究所成立以来在手性医药化学品生物催化合成方面的一些研究进展。     

新型生长快速需钠弧菌基因组无痕编辑体系构建

需钠弧菌Vibrio natriegens作为近几年发展起来的一种新型生长快速底盘细胞,在合成生物学领域展现出良好的应用前景。基因组编辑是合成生物学研究中不可或缺的遗传操作手段。但是,开展需钠弧菌的合成生物学研究仍然有待进一步发展精准、高效的基因组编辑系统。针对这个问题,首先对6株需钠弧菌的生理表型进行检测,选取生长快速、表型稳定的CICC 10908菌株作为基因组编辑研究的宿主细胞。其次,建立并优化需钠弧菌自然转化系统。优化后的系统将筛选标记基因cat-sacB或KanR整合到需钠弧菌染色体上的同源重组效率分别达到4×10–5和4×10–4。再次,在优化的自然转化系统基础上,利用双向选择性筛选方法,建立了精准、高效的需钠弧菌基因组无痕编辑体系。通过测试,基因敲除、回补、插入和替换这4种不同类型基因编辑的阳性率分别为93.8%、100%、95.7%和100%。最后,需钠弧菌可以实现质粒的高效转化和消除。该工作为需钠弧菌合成生物学研究提供精准、高效的基因组无痕编辑手段。     

芳香族化合物微生物代谢工程研究进展

代谢工程从20世纪90年代初期发展至今已有近30年历史,对微生物菌种改良和选育工作起到了极大的推动作用。芳香族化合物是一类可以通过微生物发酵生产的化学品,广泛应用于医药、食品、饲料和材料等领域。利用代谢工程手段对莽草酸和芳香族氨基酸合成途径进行理性改造,微生物细胞可以定向地大量积累人们需要的各种芳香族化合物。笔者对近30年来国内外代谢工程改造微生物合成各种芳香族化合物的研究策略和生物合成途径进行了梳理和总结,以期为开展相关研究提供参考。     

芳香族香料化合物生物合成研究进展

芳香族化合物在香料中占很大的比重,传统生产方式有化学合成和植物提取。化学合成依赖于石油资源,并具有环境不友好、反应条件恶劣等缺点。植物提取方法受限于植物资源,且占用耕地。近年来,随着代谢工程和合成生物学技术的发展,利用可再生原料,微生物合成芳香族香料化合物成为一种新的生产方式。文中介绍了大肠杆菌和酵母菌等模式微生物合成芳香族香料的研究进展,包括利用莽草酸途径合成香兰素等,聚酮途径合成覆盆子酮等。综述重点介绍了生物合成途径解析、人工合成途径创建及代谢调控等,为微生物发酵法生产芳香族香料化合物提供参考。     

定向进化改造酪氨酸解氨酶提高大肠杆菌合成对香豆酸产量

对香豆酸是一种具有多种药理活性的天然酚类化合物,也是多种天然药用产物生物合成的前体物质,广泛应用于食品、化妆品、医药等领域。通过微生物合成对香豆酸相对于化学合成和植物提取工艺具有节能减排等优势。但是,目前微生物合成对香豆酸产量较低,难以满足大规模工业发酵生产的要求。为了进一步提高对香豆酸产量,对粘红酵母酪氨酸解氨酶 (Tyrosine ammonia-lyase,TAL) 进行定向进化改造,利用高通量筛选方法从随机突变体文库中筛选TAL催化活性提高的突变体。通过初筛和复筛两轮筛选,从大约10 000个突变体中获得1个TAL催化活性提高1倍的突变体。该突变体包含3个氨基酸突变位点,分别为S9Y、A11N、E518A。进一步通过单点氨基酸饱和突变验证,当S9位点突变为Y、I、N和A11位点突变为N、T、Y时,TAL的催化活性提高1倍以上。通过对S9和A11位点3种类型突变进行组合突变验证,S9Y/A11N和S9N/A11Y突变体的TAL催化活力显著高于其他组合。将S9N/A11Y突变体质粒转入酪氨酸高产菌株CP032。通过摇瓶发酵,该菌株在48 h时的对香豆酸产量达到394.2 mg/L,比对照菌提高2.2倍。本研究工作对促进微生物合成对香豆酸的代谢工程研究具有一定的参考价值。