加强研究推动我国生物降解塑料产业化进程一访清华大学生物系教授、长江学者陈国强

陈困强,清华大学教授,博士生导师,教育部长江学者特聘教授。长期从事“工业微生物、生物塑料和生物燃料”的研究。研究领域及方向：工业生物技术和合成生物学;微生物合成高分子材料聚羟基脂肪酸酯（PHA）;PHA在微生物中生理作用的研究;PHA作为组织工程材料的应用研究;     

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。     

大肠杆菌代谢途径改造策略与应用研究进展

大肠杆菌由于具有稳定性强和易于操作的特点成为基因改造常用的宿主微生物。利用基因工程手段改造大肠杆菌的代谢途径,可用于生物燃料、手性药物及其衍生物的合成。利用代谢组学和合成生物学能够高效地以大肠杆菌作为生物催化剂生产目标物。综述了大肠杆菌中丙酮酸、乙酰辅酶A、甲羟戊酸和莽草酸代谢途径的改造策略,以及大肠杆菌代谢途径的改造在合成生物燃料、砌块化合物中的应用,为研究者以大肠杆菌合成目标化合物的研究提供一个整体的思路和方法。     

废油脂生物合成聚羟基脂肪酸酯的研究进展

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是微生物细胞内合成的高分子生物聚酯,当培养基中生长所必需的营养物质含量有限,而碳源物质过多时,会促进PHA的积累。众多PHA产品均具有生物可降解性以及优异的物理化学特性,有望替代传统塑料从而减少"白色塑料垃圾"的产生。但是较高的生产成本限制了PHA进一步的产业化和大规模应用。利用廉价易得的原材料作为微生物的碳源制备PHA是降低生产成本的有效途径之一。废弃油脂作为碳氢化合物,具有良好的微生物利用潜力。目前,以废油脂为原料、通过微生物合成可生物降解塑料已成为研究热点。该方法不但可以降低PHA的生产成本,解决废油脂的处理和高值化利用问题,还可以替代部分传统塑料的使用,符合我国绿色循环可持续发展的战略。文章系统总结了PHA的种类和应用,利用废弃油脂微生物合成PHA的最新进展以及微生物胞内PHA的提取方法,并对其合成PHA的有效实现和发展前景进行了展望。     

生产聚羟基脂肪酸酯的微生物细胞工厂

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类由微生物合成的、生物可再生、生物可降解、具有多种材料学性能的高分子聚合物,在很多领域有着广泛的应用前景。以下从辅酶工程、代谢工程、微氧生产等方面综述了微生物法生产PHA的研究进展,并对利用PHA合成基因提高基因工程菌的代谢潜能进行了讨论。     

嗜盐菌生物合成聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的研究进展

微生物体内积累的聚羟基脂肪酸酯(PHAs)是一种可降解的生物塑料,利用微生物合成绿色环保的PHAs替代石化塑料可减少白色污染。嗜盐菌合成PHA可省略繁琐的灭菌和无菌条件培养的苛刻条件,较其他微生物更具有经济效益和竞争性。结合目前国内外嗜盐菌合成PHA的研究进展,对嗜盐菌合成的PHA进行分类,并对由嗜盐菌合成PHA的影响因素进行总结分析。同时,对嗜盐菌合成PHA的发展前景进行了展望。     

聚羟基脂肪酸酯的应用展望

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,简称PHA)是由微生物合成的天然高分子基材料,作为微生物碳源和能源的储备物质。目前,PHA的单体种类有150多种,致使PHA的品种繁多、材料学性质各不相同。PHA具有材料多变性、非线性光学性能、压电性能、气体阻隔性能、热塑性、生物可降解性、良好的生物相容性等特点,使其在塑料包装、化工、医药、农业、生物能源等诸多领域的具有很大的应用前景。文中系统介绍了目前PHA的应用和未来的发展。     

工程大肠杆菌合成游离脂肪酸的研究进展

游离脂肪酸作为一种重要的平台化合物,其衍生产品被广泛应用到能源、化学工业中。作为更加可持续、绿色的生产策略,利用工程微生物合成游离脂肪酸是以石油基和动植物为原料生产脂肪酸类产品的重要补充。大肠杆菌作为经典的模式微生物,通过对其进行代谢工程改造,脂肪酸的积累已经从痕量提高到了约9g/L,展示了其作为脂肪酸合成菌株的巨大应用潜力。随着合成生物学技术的涌现,“感应-调控器”、体外重构、β氧化逆循环、异源合成途径的整合等思路的引入极大地加快了工程大肠杆菌脂肪酸合成的进化速率,并赋予大肠杆菌合成多种脂肪酸产品的能力。对近年来通过代谢工程和合成生物学手段改造大肠杆菌合成游离脂肪酸的研究进展进行综述,对其发展前景进行展望。     

合成生物学技术在聚羟基脂肪酸酯PHA生产中的应用

合成生物学的迅猛发展使其在各个领域得到了广泛应用,底盘设计、元件组装、代谢网络的从头构建、大片段DNA克隆、多片段DNA拼接等合成生物学技术的开发和利用大大提高了工业生物技术的竞争力.聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一种具有生物可降解和生物相容性等优良特性的生物塑料,可以在许多细菌胞内合成,已经被开发应用于多个领域.但是,PHA高昂的生产成本阻碍了其大规模应用.基于合成生物学研究而得到的新方法、新技术可以改变细菌生长模式、生长条件以及细菌形态,从而进一步降低PHA的生产成本.另一方面,通过改造细菌基因组如弱化?-氧化途径可以得到不同种类的重组菌株,用于生产具有不同性能的包括无规共聚物、嵌段共聚物、带有官能团的聚合物等在内的新型多功能PHA材料.合成生物学的应用开创了低成本、高附加值的PHA材料生产的新时代,为PHA的产业化奠定了坚实的基础.     

2013合成生物学专刊序言

合成生物学目前在全球得到迅猛发展。在此专刊中,综述了一些相关技术在合成生物学领域的进展,其中有:链霉菌无痕敲除方法、基因合成技术、DNA组装新方法、最小化基因组的方法及分析、合成生物系统的组合优化。也讨论了应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘、产溶剂梭菌分子遗传操作技术、蛋白质预算(Protein budget)作为合成生物学的成本标尺。最后,用几个例子说明了合成生物学的应用,包括复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建、微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品以及构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇。     

启动子优化提高重组大肠杆菌PHA产量

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类由微生物合成的高分子聚酯的统称,具有生物可降解性、生物可再生性和良好的生物相容性,应用前景广阔。PHA具有类似塑料的材料学性能,倍受到科学界和工业界的关注,但是生产成本较高等原因极大地限制了其大规模应用。本研究通过筛选优化在微氧条件下能够高效调控基因表达的启动子,能有效提高生产菌株在微氧条件下积累PHA的能力,减少生产能耗,降低成本。首先,在大肠杆菌基因表达库中筛选出5个在微氧条件下高效调控基因表达的启动子,与编码红色荧光蛋白的RFP报告基因相连,通过酶标仪检测RFP的荧光信号值,对5个不同的微氧启动子的表达强度进行评估,比较得到其中最高效的启动子Pslp。为进一步提高生产PHA的效率,将2个Pslp序列采用串联的方式构建得到一个新启动子P2slp,利用其调控PHA代谢合成途径中3个关键基因phbC、phbA和phbB的表达。通过发酵扩大生产,在启动子P2slp的调控下,重组大肠杆菌的细胞干重由22 g/L提高至29 g/L,PHA的产量由49.1%提高至81.3%。本研究通过筛选优化启动子提高了重组大肠杆菌生产PHA的产量,为PHA的产业化应用提供了一种有效的提高PHA产量的方法,具有实际价值。     

基于模式微生物生长特性调控的食品功能因子生物制造研究进展

食品功能因子作为功能性食品制造的基础素材,是食品中真正起生理作用的有效成分,在调节人体机能,改善睡眠和促进生长发育等方面发挥着重要作用.合成生物学作为一种更安全、更健康和绿色可持续的食品获取方式,已经成为推动食品行业发展的重要技术支撑.食品合成生物技术主要通过采用合成生物学技术设计构建食品组分的合成途径,创建具有食品工业应用能力的智能化细胞工厂,大幅提升食品功能因子等高附加值产品的合成效率.目前,以大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌和酿酒酵母等模式微生物作为合成载体,通过对其生长进行精细调控,食品功能因子的生物制造已取得重大进展.本文主要从转运蛋白工程改造提高细胞生长速率、重编程细胞能量代谢和平衡细胞生长与产物合成方面总结了基于模式微生物生长特性调控合成食品功能因子的研究策略和进展,提出了目前所面临的挑战,并对其未来发展做出展望.     

合成生物学技术在环境保护中的应用

合成生物学是一个基于生物学和工程学原理的科学领域,其目的是重新设计和重组微生物,以优化或创建具有增强功能的新生物系统。该领域利用分子工具、系统生物学和遗传框架的重编程,从而构建合成途径以获得具有替代功能的微生物。传统上,合成生物学方法通常旨在开发具有成本效益的微生物细胞工厂进而从可再生资源中生产化学物质。然而,近年来合成生物学技术开始在环境保护中发挥着更直接的作用。本综述介绍了基因工程中的合成生物学工具,讨论了基于基因工程的微生物修复策略,强调了合成生物学技术可以通过响应特定污染物进行生物修复来保护环境。其中,规律间隔成簇短回文重复序列(Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats, CRISPR)技术在基因工程细菌和古细菌的生物修复中得到了广泛应用,生物修复领域也出现了很多新的先进技术,包括生物膜工程、人工微生物群落的构建、基因驱动、酶和蛋白质工程等。有了这些新的技术和工具,生物修复将成为当今最好和最有效的污染物去除方式之一。     

PHA生物制造及加工过程进展

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类全生物可降解的高分子聚酯材料.近年来,随着代谢工程和合成生物学等技术的发展,PHA的微生物发酵生产取得了进一步突破.目前PHA的生物制造体系主要分为传统工业生物技术和下一代工业生物技术.本文从下一代工业生物技术体系比较分析出发,简要综述了PHA生物合成过程强化、PHA分离纯化及改性加工等研...     

大肠杆菌最小基因组分析和删减进展

大肠杆菌是基础研究最透彻、应用广泛的微生物,构建含减小甚至是最小基因组的大肠杆菌将为合成生物学的研究和应用提供理想的底盘生物。介绍了大肠杆菌最小基因组的生长与繁殖必需基因的生物信息学分析和实验鉴定,基因组敲除技术,以及删减基因组的大肠杆菌菌株的构建和应用等方面的研究进展。     

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。     

聚羟基脂肪酸酯的研究进展

微生物合成的聚羟基脂肪酸酯(PHA)近来正向着材料的多样性和生产技术的先进性发展。材料的多样性在多种单体及其分布、分子量、聚合方式等方面越来越细化,形成了PHA组学的概念。而合成生物学技术的应用与蓝水生物技术的出现,有望大幅度降低PHA的生产成本,更有经济性和竞争性。PHA已经有一些商业化的例子;同时,PHA在医药等领域的高附加值也被不断开发出来。     

合成未来：从大肠杆菌的重构看合成生物学的发展

合成生物学（synthetic biology）是伴随着基因工程、系统生物学以及生物信息学的发展而出现的一个新的交叉学科。大肠杆菌（Escherichia coli）作为一种宿主在合成生物学的发展中功不可没。从某种意义上讲,合成生物学的每一次进展都离不开大肠杆菌。从大肠杆菌的角度出发,对合成生物学的发展进行深入分析,并提出了合成生物学在中圉发展的重点。     

聚羟基脂肪酸酯纳米微球：结构特征、生物合成及其在生物技术和生物医药领域的应用

聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoate）PHA 纳米微球是很多微生物在营养失衡的情况下,在体内合成的一种可生物降解的细胞内聚酯,主要作为微生物的碳源及能量储备。天然 PHA 微球的内部是由疏水的聚酯链构成的疏水核心,其外层是由磷脂界膜及膜上嵌入或附着的包括 PHA合酶 PhaC 和 PHA 颗粒相关蛋白 PhaP 等蛋白构成的边界层。PhaC 通过共价键连接在PHA微球表面,而 PhaP 通过疏水相互作用吸附在 PHA 微球表面。通过将外源性功能蛋白与 PhaC 或 PhaP 进行融合表达,在重组微生物体内就能直接合成表面带有功能蛋白的纳米微球复合体。由于该纳米微球在微生物细胞内是以独立的包涵体形式存在,因此通过细胞破碎及离心等方法就能简便、有效地使其从细胞中分离并得以纯化。鉴于 PHA 微球这种表面易被修饰改造的特性,越来越多的功能蛋白通过与 PHA 微球表面蛋白（PhaC 或 PhaP）的融合表达,呈递在了 PHA 微球表面,使其成为一种廉价、高效的蛋白固定化及呈递的新技术。本文在介绍了 PHA 微球的结构特性及生物合成的基础上,着重综述了目前关于功能化 PHA 微球在蛋白纯化、固定化酶、生物分离、靶向递药、疾病诊断、成像技术及新型疫苗开发方面的研究现状及其未来在生物医药等领域的广泛应用前景。     

剩余活性污泥完全资源化利用微生物集成技术

剩余活性污泥完全资源化利用微生物集成技术包括: 使用土著PHA合成菌回注法驯化并发酵活性污泥, 生产生物降解材料聚羟基脂肪酸酯(PHA); 采用土著嗜酸性氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌进行生物淋滤, 去除重金属; 以解磷菌和解钾菌为菌种, 进行固态发酵, 生产生物菌肥。结果表明, 500 L中试PHA占挥发性悬浮固体的20%以上; 重金属含量达到国家排放要求; 生物菌肥中活菌数大于1×108 个/g以上。实现了剩余活性污泥的近零排放。