酿酒酵母合成异源单萜类化合物的研究进展

单萜类化合物在食品、医药和工业等领域有重要的应用,具有可观的经济价值.随着合成生物学的日益发展,利用微生物作为细胞工厂合成单萜类化合物成为时下的研究热点.酿酒酵母是真核生物表达的模式菌株,其甲羟戊酸途径为单萜类化合物的合成提供直接前体,因此在酿酒酵母中构建异源单萜类化合物合成途径有较大优势.本文介绍了酿酒酵母细胞中异源单萜类化合物合成途径的构建.从甲羟戊酸途径代谢通量调控机制和融合酶调控酶催化反应效率两方面概述了酿酒酵母异源合成单萜类化合物的研究进展.     

萜类合成酶定向进化的新思路

萜类化合物是天然产物中种类最多且主要存在于植物和微生物体内的一类化合物。随着越来越多具有应用价值的萜类化合物被挖掘,其应用前景引起了人们的关注,但由于含量低、提取成本高等缺点,因此制约了萜类化合物的广泛应用。合成生物学的兴起,为异源合成具有应用价值的萜类化合物提供了新思路,使构建定向、高效的微生物细胞工厂成为现实。萜类合成酶常作为萜类化合物异源合成代谢调控的靶酶,但天然的萜类合成酶存在催化效率低、底物专一性差、立体/区域选择性差、稳定性差等问题,严重影响萜类化合物的产量。萜类合成酶的定向进化可以有效地解决上述问题,为实现微生物细胞工厂异源、高效合成萜类化合物奠定基础。本文综述了近年来酶的定向进化技术的最新进展及应用,并提出了萜类合成酶定向进化的策略。     

谷氨酸棒状杆菌异源合成萜类化合物的研究进展

萜类化合物具有可观的商业价值,但生产过程复杂,产量低,利用微生物异源合成萜类化合物已成为热点。谷氨酸棒状杆菌内含合成萜类色素的途径,具有异源合成萜类化合物的天然优势和研究前景。首次对谷氨酸棒状杆菌合成萜类化合物进行了综述,从萜类合成途径、关键酶和全局调控机制三个方面进行了途经介绍。概述了谷氨酸棒状杆菌中单萜、倍半萜、四萜类化合物的异源合成,并对利用谷氨酸棒状杆菌高效合成萜类化合物所需解决的问题进行讨论,为谷氨酸棒状杆菌高效合成萜类化合物提供建议。     

细胞区室化调控萜类化合物微生物合成

萜类化合物具有抗炎、抗氧化、抑制肿瘤细胞增殖等药学活性,在医药行业应用广泛。近年来,利用微生物合成萜类化合物受到广泛关注。在微生物中高效合成萜类化合物离不开代谢途径的调控与优化,其中细胞区室化是常用的调控策略之一,在微生物细胞工厂的构建中发挥着重要作用。代谢途径的细胞区室化具有许多优点,如增加酶和底物的局部浓度,抑制其向副产物转移和减少有毒中间体积累等,可实现萜类化合物的高效合成。近年来利用细胞区室化在微生物中合成萜类化合物的研究逐步展开,但目前对于区室化工程在构建细胞工厂中的应用总结较少。因此,围绕代谢途径区室化的作用,各种细胞器的生理特性及其在调控萜类化合物微生物合成中的应用进行了综述,讨论细胞区室化调控策略的发展、存在的问题及前景,以期为萜类化合物的高效微生物合成提供参考。     

萜类生物合成的基因操作

萜类是一组结构迥异的化合物家族,其中很多具有较大的应用价值,如青蒿素和紫杉醇等,它们在多种微生物和植物中合成,但其天然产量低。萜类代谢工程通过DNA重组技术改造萜类合成细胞中的代谢途径,以提高萜类最终产量或在不含萜类的生物中合成萜类,为促进有用萜类合成提供了新的机会。以萜类化合物生物合成途径的基因转移与表达为切入点,综述了目前在微生物及植物中应用代谢工程提高萜类产量的研究进展。     

代谢工程改造酿酒酵母合成植物萜类D-柠檬烯的策略

植物萜类化合物是以异戊二烯为结构单位的一大类植物天然的次生代谢产物。D-柠檬烯属于单萜类化合物,由于它具有抑菌、增香、抗癌、止咳、平喘等多种功能,已被广泛应用于食品、香料、医疗等行业。目前D-柠檬烯的工业生产主要是从植物的果皮或者果肉中提取的,但提取方法存在着分离纯化复杂、产率低、能耗大等缺点。而本世纪初合成生物学技术的兴起,为微生物异源合成天然活性化合物带来了全新的理念与工具,打破了物种间的界限,使微生物异源合成D-柠檬烯成为现实。构建定向、高效的异源合成D-柠檬烯的微生物细胞工厂,实现微生物发酵法替换传统的植物提取法,具有重要的经济与社会效益。本文主要回顾了近几年利用代谢工程改造酿酒酵母异源合成萜类化合物取得的成就,阐述了以酿酒酵母作为底盘微生物,利用代谢工程和合成生物学的手段构建高产D-柠檬烯的合成策略。     

酿酒酵母单萜合成的研究进展

萜类化合物是以异戊二烯为基本单元的一大类天然化合物,广泛存在于植物、微生物及昆虫中。其中,单萜类化合物主要用于高级香料及化妆品、食品添加剂、杀虫剂、除草剂和新型燃料等的生产,具有广泛的应用潜力。近年来,研究人员已构建出多种萜类化合物的酿酒酵母工程菌株,且通过代谢工程和合成生物学的方法有效提高了产品的产量。但是单萜的微生物合成却相对落后,其中前体供给不足及单萜对微生物毒性强等因素限制了其高效合成。主要从以下几个方面阐述了利用酿酒酵母合成单萜类化合物的目前研究进展:包括单萜合成酶在酿酒酵母中的表达,利用动态调控、蛋白质工程等策略增强酿酒酵母中前体香叶基焦磷酸的合成通量,减少单萜的内源性转化,提高酿酒酵母菌株对单萜的耐受性。在此基础上,结合本课题组的前期工作,针对微生物合成单萜过程中依然存在的瓶颈问题提出可能的解决策略,旨在为进一步优化酿酒酵母单萜合成细胞工厂提供参考。     

植物源二萜类化合物微生物合成研究进展

植物源二萜类天然产物结构复杂且功能多样,具有抗癌、抗炎和抗菌等多种药理活性,在药品、化妆品和食品添加剂等方面广泛应用。近年来,基于植物源二萜类化合物(diterpenoids)生物合成途径中功能基因的逐步揭示和合成生物技术的发展,科研人员采用代谢工程技术构建了多种二萜类化合物的微生物细胞工厂,且多个化合物达到克级产量。本文对植物源二萜类化合物微生物细胞工厂的构建情况进行综述,介绍并探讨植物源二萜类化合物微生物合成的研究进展和改造策略,为高产二萜类化合物细胞工厂构建和工业化生产提供参考。     

提高微生物合成萜类化合物产量的策略

萜类化合物种类繁多、结构复杂,在医药、能源等领域具有重要的应用价值。当前萜类化合物主要是从植物中提取或化学法合成,费效比较高,而微生物合成成本低、效率高,更具有发展潜力,但由于萜类代谢通路复杂、微生物自身代谢调控精细以致难以人为操控,多数萜类化合物尚未通过微生物合成获得可观的产量。对此,对提高微生物合成萜类化合物的策略进行综述,旨在为萜类化合物在微生物中的生产与研究提供参考。     

甲羟戊酸途径的代谢支路调控策略的研究进展

萜类化合物作为一大类重要天然产物,在食品、化工、医药和能源等领域广泛应用。微生物法合成萜类化合物因具有生产周期较短、可规模化生产等优点,是目前研究的热点。但是生产效率低严重制约着微生物法合成萜类化合物的工业化发展,而代谢调控是解决上述问题的主要有效手段之一。目前,多数学者集中于主路径的代谢调控研究,忽略了对于萜类化合物的生产至关重要的支路径。本文中,笔者围绕支路径调控直接相关的前体物质供应和辅助因子的协调、竞争途径的调控以及间接对代谢调控产生影响的宿主体的进化三个方面,综述萜类化合物甲羟戊酸途径的代谢途径支路调控策略研究进展,并对代谢路径支路调控的发展方向做进一步展望。     

Perspectives and limits of engineering the isoprenoid metabolism in heterologous hosts

Terpenoids belong to the largest class of natural compounds and are produced in all living organisms. The isoprenoid skeleton is based on assembling of C5 building blocks, but the biosynthesis of a great variety of terpenoids ranging from monoterpenoids to polyterpenoids is not fully understood today. Terpenoids play a fundamental role in human nutrition, cosmetics, and medicine. In the past 10 years, many metabolic engineering efforts have been undertaken in plants but also in microorganisms to improve the production of various terpenoids like artemisinin and paclitaxel. Recently, inverse metabolic engineering and combinatorial biosynthesis as main strategies in synthetic biology have been applied to produce high-cost natural products like artemisinin and paclitaxel in heterologous microorganisms. This review describes the recent progresses made in metabolic engineering of the terpenoid pathway with particular focus on fundamental aspects of host selection, vector design, and system biotechnology.     

Microbial production of odd-chain fatty acids

Odd-chain fatty acids (OcFAs) and their derivatives have attracted much attention due to their beneficial physiological effects and their potential to be alternatives to advanced fuels. However, cells naturally produce even-chain fatty acids (EcFAs) with negligible OcFAs. In the process of biosynthesis of fatty acids (FAs), the acetyl-CoA serves as the starter unit for EcFAs, and propionyl-CoA works as the starter unit for OcFAs. The lack of sufficient propionyl-CoA, the precursor, is usually regarded as the main restriction for large-scale bioproduction of OcFAs. In recent years, synthetic biology strategies have been used to modify several microorganisms to produce more propionyl-CoA that would enable an efficient biosynthesis of OcFAs. This review discusses several reported and potential metabolic pathways for propionyl-CoA biosynthesis, followed by advances in engineering several cell factories for OcFAs production. Finally, trends and challenges of synthetic biology driven OcFAs production are discussed.     

Microbial production of lactate-containing polyesters

Due to our increasing concerns on environmental problems and limited fossil resources, biobased production of chemicals and materials through biorefinery has been attracting much attention. Optimization of the metabolic performance of microorganisms, the key biocatalysts for the efficient production of the desired target bioproducts, has been achieved by metabolic engineering. Metabolic engineering allowed more efficient production of polyhydroxyalkanoates, a family of microbial polyesters. More recently, non-natural polyesters containing lactate as a monomer have also been produced by one-step fermentation of engineered bacteria. Systems metabolic engineering integrating traditional metabolic engineering with systems biology, synthetic biology, protein/enzyme engineering through directed evolution and structural design, and evolutionary engineering, enabled microorganisms to efficiently produce natural and non-natural products. Here, we review the strategies for the metabolic engineering of microorganisms for the in vivo biosynthesis of lactate-containing polyesters and for the optimization of whole cell metabolism to efficiently produce lactate-containing polyesters. Also, major problems to be solved to further enhance the production of lactate-containing polyesters are discussed.     

Synthetic biology advances and applications in the biotechnology industry: a perspective

Synthetic biology is a logical extension of what has been called recombinant DNA (rDNA) technology or genetic engineering since the 1970s. As rDNA technology has been the driver for the development of a thriving biotechnology industry today, starting with the commercialization of biosynthetic human insulin in the early 1980s, synthetic biology has the potential to take the industry to new heights in the coming years. Synthetic biology advances have been driven by dramatic cost reductions in DNA sequencing and DNA synthesis; by the development of sophisticated tools for genome editing, such as CRISPR/Cas9; and by advances in informatics, computational tools, and infrastructure to facilitate and scale analysis and design. Synthetic biology approaches have already been applied to the metabolic engineering of microorganisms for the production of industrially important chemicals and for the engineering of human cells to treat medical disorders. It also shows great promise to accelerate the discovery and development of novel secondary metabolites from microorganisms through traditional, engineered, and combinatorial biosynthesis. We anticipate that synthetic biology will continue to have broadening impacts on the biotechnology industry to address ongoing issues of human health, world food supply, renewable energy, and industrial chemicals and enzymes.     

真菌芳香聚酮化合物的合成生物学研究进展*

真菌芳香聚酮化合物是由真菌非还原聚酮合酶(NR-PKSs)催化形成的具有广泛生物活性的一类天然产物。大部分内源真菌菌株存在难培养、致病性或产率低等问题,从根本上限制了真菌芳香聚酮化合物的开发和应用。随着合成生物学和代谢工程的发展,很多具有生物活性的聚酮产物实现了在工业微生物(如酿酒酵母、构巢曲霉等)中的异源生产,相关研究逐渐成为热点。从合成途径解析与挖掘、底盘细胞的构建与改造等方面综述了近年来真菌芳香聚酮化合物的合成生物学研究进展,为未来真菌芳香聚酮化合物人工代谢途径的高效构建和实现工业化生产奠定基础。     

Synthetic biology of avermectin for production improvement and structure diversification

Natural products are still key sources of current clinical drugs and innovative therapeutic agents. Since wild‐type microorganisms only produce natural products in very small quantities, yields of production strains need to be improved by breaking down the precise genetic and biochemical circuitry. Herein, we use avermectins as an example of production improvement and chemical structure diversification by synthetic biology. Avermectins are macrocyclic lactones produced by Streptomyces avermitilis and are well known and widely used for antiparasitic therapy. Given the importance of this molecule and its derivatives, many efforts and strategies were employed to improve avermectin production and generate new active analogues. This review describes the current status of synthetic strategies successfully applied for developing natural‐product‐producing strains and discusses future prospects for the application of enhanced avermectin production.     

CRISPR/Cas9技术在工业微生物中的应用

近年来,通过基因编辑技术对工业微生物底盘细胞改造从而获得的优良细胞工厂,促进了农业、医学、环境、能源等领域的可持续发展,提高了人民的生活水平。微生物底盘细胞的改造离不开基因编辑,作为现阶段主要的基因编辑技术,规律间隔成簇短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR）/Cas9系统自被发现以来,依靠其低成本、高效率等编辑优点,被广泛用于工业微生物底盘细胞的改造。本文主要简述了以CRISPR/Cas9为基础而衍伸出的各种基因编辑技术,提出了常用的工业微生物对应底盘细胞的改造策略,以期为研究者在进行微生物底盘细胞改造时选择出合适的基因编辑方法。最后指出了CRISPR基因编辑技术面临的PAM位点的依赖性、脱靶效应和应用广泛性等问题。     

合成生物学方法构建电活性大肠杆菌

电活性微生物具有独特的在细胞内外环境之间传递电子的能力。在对天然电活性微生物电子传递机制充分研究的基础上,通过合成生物学方法异源构建天然电活性微生物电子传递结构基础也可以将遗传背景清晰的非电活性大肠杆菌改造为电活性微生物。构建获得的工程化电活性大肠杆菌可以直接应用于微生物燃料电池和生物传感器等领域,同时也可以作为底盘细胞整合相应的目标产物合成通路实现电能驱动的生物合成。本文以合成生物学方法构建电活性大肠杆菌为主题,详细阐述天然电活性微生物电子传递的机理及结构基础,总结了工程化电活性大肠杆菌的构建策略、成功案例以及应用领域,并对合成生物学方法构建电活性大肠杆菌未来的研究方向进行了展望。     

合成生物技术生产甾体激素中间体的研究展望

甾体类药物是销售额仅次于抗生素的世界第二大类药物,不同的甾体药物分子结构均由甾体激素中间体衍生而来。甾体激素中间体的传统生产方法包括植物提取皂素法和化学全合成法,其对环境有害,反应产物结构不唯一且成本较高,不利于工业化生产。目前主要的生产工艺是利用微生物对特殊原料进行转化的半合成法,但会遇到微生物酶转化率低、发酵周期长等问题。合成生物学的出现为构建利用糖为唯一碳源生产甾体激素中间体的人工细胞提供了理论上的可行性和可靠的技术支持。重点综述了合成生物技术在甾体激素中间体生产中的应用,以有利于工业发酵的酿酒酵母、分枝杆菌等为底盘细胞,通过引入外源合成功能模块,实现胆甾醇、雄烯二酮等甾体激素中间体的生物合成,并对合成生物技术在医药生产方式转变中的应用进行了展望,以期推动甾体类药物生物制造技术的进步。     

光合微生物混菌体系的应用和研究进展

光合微生物与其他异养微生物混菌共培养是近年来的研究热点,该体系弥补了光合微生物纯培养时易染菌、不稳定等缺陷,在污水处理、土壤改善、生物降解有害物质、生产高附加值产物方面拥有广阔的应用前景。文中通过系统总结天然和人工光合微生物混菌体系的研究进展,探究人工构建的光驱动混菌体系的基础理论和应用前景,为进一步利用合成生物学等前沿技术理性改造基于光合微生物的混菌培养系统提供科学依据。