动态调控:一种高效的细胞工厂工程化代谢改造策略

动态调控作为代谢工程优化中最有效的策略之一,通常包含输入信号发生器、生物传感器和执行机构3个部分。输入信号可以是细胞代谢物和环境条件变化,如化学分子、核糖核酸、温度、光信号等。而生物传感器是能够响应输入信号变化,并转化成特定信号输出的基因元件,其输出信号可以直接调控基因表达,也可以作为其他感应元件的输入。重点介绍了动态调控的基本原理及分类及其在微生物细胞工厂工程化改造中的应用实例,主要包括动态调控的优势和研究进展、动态调控系统的构建与表征,同时,也着重讨论了动态调控在细胞工厂改造中潜在的机遇与可能面临的挑战。     

基于转录因子的代谢物生物传感器的研究进展

基于转录因子的代谢物生物传感器在代谢工程和合成生物学中发挥着重要的作用。生物传感器感应代谢物浓度信号,将其转换为特定信号输出,具有灵敏度高、特异性强、分析速度快等特点,被广泛应用于目标代谢物的响应。文中介绍了基于转录因子生物传感器的作用原理,以及近年来在微生物细胞中的应用实例和应用方面面临的挑战,主要包括目标代谢物浓度的检测、高通量筛选、自适应实验室进化选择和动态控制,同时为了克服应用中的挑战,也着重介绍了基于转录因子生物传感器的性能调节策略,主要包括传统调节和计算机辅助的调节策略,讨论了生物传感器在实际应用中可能面临的机遇与挑战,并对其发展趋势进行了展望。     

基因编码型生物传感器在微生物细胞工厂中的应用进展

合成生物学的迅猛发展推动了微生物细胞工厂中多种复杂化学品的生物合成,但仍存在产量低、生产效率不高等诸多问题。基因编码型生物传感器可以感知细胞内外代谢物浓度及外界环境的波动,产生可测量的信号输出或调控通路中的基因表达水平,具有成本低、操作简单、可再生等优点。目前,基因编码型生物传感器已经成为合成生物学和代谢工程的重要组成部分,是微生物细胞工厂中代谢动态调控及理想表型进化/筛选的强大工具。概述了基因编码型生物传感器的组成及工作原理,重点介绍了基因编码型生物传感器在微生物代谢动态调控及高通量筛选中的最新研究进展,就基因编码型生物传感器设计与构建过程中面临的挑战进行探讨,并展望了其今后的发展方向。     

抗逆元件及其在高效微生物细胞工厂构建中的应用进展

微生物作为重要的细胞工厂,其应用时经常面临的各种胁迫条件严重制约细胞活力和生产性能。大量文献证明,微生物的胁迫耐受性是受到胞内多个代谢途径和生理系统调控的复杂表型。那么,挖掘和应用增强菌株胁迫耐受性的抗逆元件是构建高效微生物细胞工厂的有效手段。目前,已报道的微生物抗逆元件主要包括调控细胞壁和细胞膜、DNA修复、氧化应激、相容性溶质、能量产生和信号转导的相关基因以及外排泵、热激蛋白和全局转录因子等。着重介绍了近年来抗逆元件及其在高效微生物细胞工厂构建中的应用实例,同时,讨论了实际应用中可能面临的机遇与挑战。     

核开关：一个新的基因调控元件，一类潜在的药物靶点

核开关是一类通过结合小分子代谢物调控基因表达的mRNA元件.它位于特定的mRNA区域,可以不依赖任何蛋白质因子而直接结合小分子代谢物,继而发生构象重排,影响该mRNA的活动.核开关在特定细菌中,参与调控包括维生素B₁₂和甲硫氨酸生物合成等在内的代谢途径.核开关的发现,尤其是其可以特异性紧密结合特定配体,从而精确调控生物基本代谢途径的特征,使人们开始关注它在科研和医学上的应用潜力.核开关的研究进展、主要特点和作用机制已经引起了人们的关注和思考.     

形态工程在生物基化学品生产中的应用进展

合成生物学和代谢工程是构建微生物细胞工厂、实现化学品绿色生物制造的重要方法,目前主要集中在微生物代谢网络的改造及调控上,很少考虑到微生物细胞特性的影响。形态工程通过改造微生物细胞形态相关蛋白,有目的地对微生物细胞形态及分裂方式进行合理调控,从而优化微生物细胞的特性,是降低生物炼制成本的一种新兴生物工程技术。文中首先介绍了与微生物细胞形态相关的各类蛋白,并重点总结了形态工程在生物基化学品合成方面的应用进展,包括调控细胞体积以提高胞内产物积累量、改善细胞通透性以促进胞外产物分泌、实现高密度发酵以降低生产成本、控制产物水解程度以提高产品性能。最后,提出了形态工程面临的主要问题并展望了其未来的发展趋势。     

面向工业生物技术的系统生物学

工业生物技术是以微生物细胞工厂利用可再生的生物原料来生产能源、材料与化学品等的生物技术,在解决资源、能源与环境等问题方面起着越来越重要的作用。系统生物学是全面解析微生物细胞工厂及其发酵过程从"黑箱"到"白箱"的重要研究方法。系统生物学借助基因组、转录组、蛋白质组、代谢组以及代谢流组等多组学数据,可解析微生物细胞工厂在RNA、蛋白与代谢物等不同水平上的变化规律与调控机制。目前,系统生物学在微生物细胞工厂的设计创建与发酵工艺优化中起着越来越重要的指导作用,许多成功应用实例不断涌现,推动着工业生物技术的快速发展。文中重点综述基因组、转录组、蛋白质组、代谢组与代谢流组以及基因组规模的网络模型等各组学技术的最新发展及其在工业生物技术尤其是菌株改造与发酵优化中的应用,并就工业生物技术中系统生物学的未来发展方向进行展望。     

ATP调控策略及其在微生物代谢产物合成中的应用

辅因子工程是代谢工程的一个新兴分支领域,主要通过直接调控细胞内关键酶的辅因子,如ATP/ADP、NADH/NAD+、NADPH/NADP+等的浓度和形式来实现代谢流的最大化,快速地将物质流导向目标代谢物。ATP作为一种重要辅因子参与微生物细胞内大量的酶催化反应,将物质代谢途径串联或并联成复杂的网络体系,最终使得物质代谢流的分配受到牵制。因此ATP调控策略有望成为微生物菌株改造的有利工具,用于提高目标代谢物的浓度和生产能力,强化微生物对于环境的耐受以及促进底物利用等。文中将重点论述目前常用的有效ATP调控策略以及ATP调控对于细胞代谢的影响,以期为微生物细胞工厂的高效构建提供参考。     

基于比较基因组学重构细菌的代谢途径和调控网络

微生物基因组学的迅速发展为从功能基因与蛋白、网络及其调控等不同的角度,全面理解与认识微生物的代谢过程、构建细胞工厂,提供了丰富的背景信息。基于基因组序列进行代谢网络重构,有助于发现新的代谢功能基因、调控元件、甚至新的代谢途径,从而优化设计细胞内从原料到产品的生物合成路线。然而,目前公共数据库平台中代谢途径基因的功能注释,许多是错误或不完整的。以下着重介绍了近年来出现的一些用于代谢途径和调控网络重构的新型比较基因组学技术,并以近期的丙酮丁醇梭菌中木糖代谢途径的重构工作为例来说明其应用。     

生物炼制细胞工厂:生物制造的技术核心

对生物炼制细胞工厂的发展进行了简要回顾,从微生物糖代谢的分子机制、细胞工厂的代谢网络及调控、细胞工厂的构建技术及细胞工厂的优化4个方面介绍了本期专刊发表的17篇生物炼制细胞工厂方面的论文。     

酿酒酵母中胆固醇生物合成与优化的研究进展

胆固醇是动物体内积累的主要甾醇化合物,在维持细胞膜功能、合成甾体激素、生产甾体药物中间体等方面具有重要的生物学意义和医学应用价值。传统动物组织提取胆固醇的方法费时费力并存在严重的环境污染问题,而甾醇分子结构的复杂程度也限制了其化学全合成。近些年,人们利用合成生物学方法构建的微生物细胞工厂已成功用于萜类、甾醇类等天然产物的开发与合成。文中综述了胆固醇微生物细胞工厂的研究进展,包括胆固醇生物合成途径的解析、底盘菌株的选择、异源基因元件的挖掘与优化、相关代谢通路的调控等方面,并讨论了当前研究面临的问题,以期为胆固醇的高效生物合成提供参考。     

微生物细胞工厂的代谢调控

代谢调控是构建微生物细胞工厂的重要技术手段。随着合成生物学技术的不断突破,挖掘和人工设计的高质量调控元件大幅度提升了对细胞代谢网络的改造能力;代谢调控研究也已从单基因的静态调控发展到系统水平上的智能精确动态调控。文中简要综述了近30年来代谢途径表达调控技术在代谢工程领域的研究进展。     

代谢生物钟研究进展

生物时钟大致以24 h为一个周期,参与调节一系列代谢和生理功能。流行病学和遗传学的相关证据显示,生物时钟的紊乱直接导致许多病理状况,包括睡眠失调、抑郁、代谢综合征和癌症。在分子水平上,生物时钟系统的组成元件与细胞代谢的调控因子之间存在功能性的相互作用:一方面,生物时钟可以调控多种代谢途径;另一方面,代谢物的供给和进食行为也可以反过来作用于生物时钟。进一步理解生物时钟节律和细胞代谢的相互调节作用,将为代谢性疾病的干预治疗提供新的理论基础。     

谷氨酸棒状杆菌集成细胞网络的构建与结构分析

谷氨酸棒状杆菌是一种重要的传统工业微生物,其基因组学和分子遗传操作工具的快速发展使得谷氨酸棒状杆菌具备了作为新型细胞工厂的潜力。但是,相对于大肠杆菌等模式生物,对于棒杆菌的代谢调控研究较少,特别是目前还缺乏谷氨酸棒状杆菌集成细胞网络的研究,这一现状阻碍了谷氨酸棒状杆菌的系统生物学研究和大规模菌种理性设计优化。文中综合应用公共数据库、文献数据库资源,首次构建了谷氨酸棒状杆菌的集成细胞网络,包含1 384个反应,1 276个代谢物,88个调节子,999对转录调控关系。其转录调控可分为5层,代谢网络呈现出清晰的bow-tie结构。文中还以赖氨酸的生物合成为例,提出了一种提取代谢调控子网络的新方法,这对氨基酸等产品高产生物机制的研究和工程菌株的重新设计具有指导意义。     

光遗传学在细菌生产调控中的应用进展

合成生物学的发展使得人们可以根据需求对微生物进行改造,作为“工厂”高效地合成催化所需物质,并通过添加化学诱导物的方式对生命过程进行调控。然而,化学诱导的潜在毒性以及不可逆性等限制其应用。光遗传学技术利用特定波长的光信号实现对细胞生命过程的调控,具有特异性、可逆性、高时空分辨率等特点。近年来,人们对不同来源的光敏蛋白进行改造,开发出各种不同波长、不同效应的光遗传元件用于基因回路的构建,进而实现对细菌蛋白合成、代谢过程的调控。光遗传技术在人与细菌之间搭起了实时的信号沟通桥梁,实现更为精准的物质生产调控:(1)通过光控治疗因子的合成分泌进行药物递送;(2)通过代谢通路的控制提高目的产物的催化效率;(3)通过光诱导控制生物活材料的形成。随着探索的深入,更小体积、更多波长、更高效率的光遗传元件将被开发出来,实现多输入的细菌生命活动调控。     

基于细胞亚群调控提升生物合成效率的研究进展

采用合成生物学与代谢工程技术设计与构建微生物细胞工厂是实现化学品绿色生物制造的重要方法。微生物发酵过程中低产细胞亚群和非生产细胞亚群由于代谢负担轻,更加具有生长优势,会降低产物合成的综合效率。目前,基于响应产物浓度的生物传感器,偶联产物合成与生长的细胞亚群调控系统有助于解决这个问题。综述了细胞亚群调控系统设计和构建的常用方法,重点讨论了目前细胞亚群调控系统存在的问题及其解决策略。     

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。     

微生物小基因组细胞工厂研究进展

通过合理设计简化微生物基因组,减少细胞内冗余的调控和代谢网络,使得细胞更精简且便于控制,也能更高效地应用于工业生产。微生物小基因组细胞工厂只含有用于工业生产目的的基因,是研究组学的重要工具,也是生物制品工业生产的理想平台。介绍了构建小基因组细胞工厂的整体设计流程,列举了一些模式生物的相关研究进展,对微生物小基因组细胞工厂的应用前景进行了评述。     

核糖开关的研究及应用

核糖开关是一类自然界中天然存在的适配子,通过结合小分子代谢物调控基因的表达。它位于特定的mRNA非编码区,可以不依赖任何蛋白质因子而直接结合代谢物并发生构象变化,在转录和翻译水平上参与调控生物的基本代谢途径。目前已知核糖开关不仅广泛存在于细菌的代谢相关基因中,还存在于某些真菌和植物中。对核糖开关的深入研究将为基因功能研究、生物传感器研发以及新型抗菌药物开发等提供新的途径。     

刊首语

<正>生物制造是通过微生物细胞工厂或酶催化,利用可再生生物质资源生产大宗化学品和能源化学品等重要工业品的过程,是解决资源、能源和环境等问题的重要途径,已被各国列为战略发展产业。其中,微生物细胞工厂构建是微生物制造过程的核心。而代谢工程是构建细胞工厂的主要手段,其通过代谢路径设计