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。     

多约束代谢网络模型的研究进展

基于约束的基因组尺度代谢网络模型(genome-scale metabolic models,GEMs)分析已被广泛应用于代谢表型的预测。而实际细胞中代谢速率除计量学约束外,还受到酶资源可用性和反应热力学可行性等其他因素影响,在GEMs中整合酶资源约束或者热力学约束构建多约束代谢网络模型可以进一步缩小优化解空间,提升细胞表型预测的准确性。文中主要对近年来多约束模型的研究进展进行了综述,介绍了不同多约束模型的构建方法,以及其在研究基因敲除影响、预测可行途径和提供代谢瓶颈信息等方面的应用。将多种约束条件进一步与代谢模型整合,可更准确地预测细胞代谢的瓶颈和关键调控改造靶点,从而为工业菌种代谢工程改造提供精确的设计指导。     

乙酸合成途径阻断及NADH氧化酶表达对于谷氨酸棒杆菌生产乙偶姻的影响

【目的】研究乙酸合成途径阻断及NADH氧化酶表达对于谷氨酸棒杆菌生产乙偶姻的影响。【方法】在谷氨酸棒杆菌CGF2中异源表达als SD操纵子构建乙偶姻生产菌株CGT1,考察敲除乙酸生成途径cat和pqo对乙偶姻的影响。然后引入短乳杆菌的NADH氧化酶,在优化的溶氧条件下研究其对乙偶姻产量的影响。【结果】CGT1在摇瓶发酵中可积累6.27 g/L乙偶姻,敲除cat使乙偶姻产量显著提高30.94%,达到8.21 g/L;双敲除cat和pqo没有进一步提高产量。通过优化发酵的溶氧水平,乙偶姻产量达到10.06 g/L。在高溶氧水平下引入NADH氧化酶导致菌株的生长和糖代谢速率提高,但乙偶姻产量略有降低。在分批补料发酵中,重组菌株乙偶姻产量达到40.51 g/L,产率为0.51 g/(L?h)。【结论】在谷氨酸棒杆菌中阻断乙酸合成途径cat能够有效提高乙偶姻产量,NADH氧化酶在高溶氧水平下表达不利于乙偶姻的合成,需要进一步调节表达水平以确定其效果。     

生物法制备平台化合物乙偶姻的最新研究进展

乙偶姻(3-羟基-2-丁酮)作为一种应用广泛的食用香料和重要的平台化合物,具有广阔的工业应用前景。与传统的化学合成方法不同,高效、环保的乙偶姻生物制备方法,可以减轻资源和环境压力,促进我国低碳经济的发展。近来,生物法制备平台化学品乙偶姻取得了丰硕的研究成果。总结了最近几年国内外在该领域最新的研究热点及方向,简述了发酵法生产乙偶姻的优势菌株概况,重点综述了以糖类物质为底物生产乙偶姻的最新策略及研究成果、将微生物改造为生产手性乙偶姻的高效细胞炼制工厂以及将2,3-丁二醇或双乙酰作为发酵底物的研究趋势,并介绍了乙偶姻的分离纯化工艺。使用非致病性的安全菌株,高效率地利用廉价底物,并采用经济、简单、环保的分离纯化方式,从而生产具有高附加值的食品级或高手性纯度乙偶姻,是生物法制备乙偶姻产业化发展的可靠保障。     

嘌呤核苷及其衍生物的代谢工程

嘌呤核苷及其衍生物被广泛应用于食品和医药领域。利用诱变筛选技术可以获得嘌呤核苷类产品的工业生产菌株,但往往耗时,效率低,而且获得的某些高产菌株还存在不稳定的缺陷。菌株代谢调控与生理生化的研究为代谢工程优化嘌呤核苷类产品的合成提供了理论基础,利用代谢工程改造菌株合成嘌呤核苷也引起了研究人员的关注。系统地介绍了微生物嘌呤生物合成途径及其调控机制,综述了嘌呤核苷类产品及其衍生物的代谢工程研究进展,最后讨论了利用代谢工程改造菌株合成这些产品面临的问题及今后的研究方向。     

大肠杆菌乙酸耐受性菌株的构建及其耐受机制研究进展

乙酸是微生物发酵生产常见的副产物,也可作为碳源存在于木质纤维素水解液等非粮原料发酵培养基中。培养基中含有高浓度的乙酸/乙酸盐时会抑制细胞生长、降低生物量,影响目标产品的产量和产率。研究乙酸耐受性机制,改进菌株的乙酸耐受性,构建具有高乙酸耐受性工程菌株,对于以乙酸为碳源或利用含乙酸的原料进行高附加值产品发酵生产具有重要意义。本文综述了通过代谢工程、实验室适应性进化、全局转录机器工程和基于CRISPR可追踪基因组工程等方法构建大肠杆菌乙酸耐受性菌株的研究进展,进一步从乙酸同化代谢、氨基酸依赖型代谢、离子转运系统调节和细胞膜成分修饰等4个方面阐述了大肠杆菌乙酸耐受性菌株的耐受性应答机制,总结了大肠杆菌乙酸耐受菌株的生产应用,展望了提高大肠杆菌乙酸耐受方法和大肠杆菌乙酸耐受机制的研究方向。     

过表达羧化途径及失活苹果酸酶基因对大肠杆菌好氧发酵产苹果酸的影响

苹果酸是一种重要的C4二羧酸,在食品、医药、化工等领域有广泛的应用。本文主要研究羧化途径强化及苹果酸酶失活对大肠杆菌好氧发酵生产苹果酸的影响。首先在大肠杆菌E2中过表达了磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因ppc,得到菌株E21,苹果酸积累量从0.57 g/L提高到3.83 g/L。随后,分别过表达来自谷氨酸棒杆菌的丙酮酸羧化酶基因pyc和来自琥珀酸放线杆菌的磷酸烯醇式丙酮酸激酶pck基因,相应的工程菌株E21(pTrcpyc)和E21(pTrc-A-pck)分别产6.04和5.01 g/L苹果酸,得率分别达到0.79和0.65 mol/mol葡萄糖。敲除E21中的苹果酸酶基因mae A和mae B,苹果酸产量也显著提高了36%,达到5.21 g/L,得率为0.62 mol/mol。然而,在过表达pyc的基础上敲除苹果酸酶基因并不能进一步提高苹果酸的产量。经过摇瓶发酵条件的初步优化,菌株E21(pTrcpyc)生产12.45 g/L苹果酸,得率为0.84 mol/mol,达到理论得率的63.2%。     

逆向代谢工程的最新研究进展

随着高通量测序技术的快速发展,可以快速地通过基因组尺度的序列比较,来全面、系统地探讨工业生产菌株和实验室优良菌株的遗传基础,分析基因型-表型之间的关系;同时结合准确的基因组修饰技术,完成基于全基因组突变分析的逆向代谢工程。近年来,基于全基因组突变分析的逆向代谢工程已经成功地应用于微生物优良菌株选育,成为了研究的前沿和热点。综述了近几年逆向代谢工程发展的研究方法,突变型-表型相关性分析,逆向代谢工程的最新进展及其应用,并讨论其面临的问题及挑战。     

基于图论和约束优化的异源代谢途径设计方法及应用

构建高产高附加值产品的微生物细胞工厂是代谢工程的研究目标之一,设计高效的产品合成途径是实现这一目标的重要方式.不同微生物底盘因其代谢能力有所差异,故而可以利用的底物和生产的产品范围有限.为了扩大其生产能力,需要进行代谢途径从无到有的设计.传统代谢工程基于经验进行异源途径设计的方式低效且无法确保结果的全面性,而系统生物学...     

枯草芽孢杆菌无标记遗传操作技术研究进展

枯草芽孢杆菌是革兰氏阳性菌的模式生物,长期以来在代谢工程和工业微生物领域扮演重要角色。枯草芽孢杆菌无标记遗传操作技术对后基因组时代的基因功能研究和菌株生理特性的改造起着关键作用。综述枯草芽孢杆菌无标记遗传操作所使用的负筛选标记基因,总结目前主流的无标记遗传操作的策略,并提出枯草芽孢杆菌无标记遗传操作技术面临的主要问题和发展方向。