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3...     

生物丁醇代谢工程的研究进展

丁醇作为一种重要的大宗化学品具有广泛的用途,同时又是一种潜在的生物燃料。随着能源与环境危机的日益加重,利用可再生原料通过微生物法生产丁醇受到全世界的普遍关注。代谢工程为定向改造微生物生产丁醇提供了有力的工具。通过改造经典的丙酮丁醇发酵和定向改造模式微生物生产丁醇是生物丁醇研究的两个重要方向。笔者从代谢工程改造的角度评述近5年来生物丁醇研究的进展,同时讨论了生物丁醇研究中需要着力解决的问题。     

从碳代谢流角度新解代谢工程策略

代谢工程通过改造微生物代谢过程,进而利用微生物生产各种有用的医药、化学产品及工业原料.本文从细胞代谢中碳代谢流的角度入手,将代谢工程的传统与新型策略进行分类解析.其中,传统代谢工程手段主要对目标代谢路径的关键酶进行改造,通过过表达或基因敲除增大目的代谢路径碳代谢流.然而,在代谢路径改造需要进行多基因表达的情况下,传统手段在如何最佳表达多种酶使碳流通畅上会受到很大限制.本文提出利用高碳流路径,通过简单基因改造以获得高效目标产物生产的新策略.同时,随着合成生物学与系统生物学的发展,精细调控多基因表达成为可能.本文进一步举例讨论了代谢工程中粗略与精细调控基因表达水平对碳流的影响,以期对教学与前沿科研有助.     

启动子和细胞全局转录机制的定向进化在微生物代谢工程中的应用

通过随机突变和定向选择而进行的定向进化(又称分子进化或人工进化)在改造酶的催化特性和稳定性、扩展酶的底物范围等方面具有广泛的应用。近年来,定向进化也开始应用在对结构基因的启动子区域和具有调节功能的蛋白如转录因子等进行代谢工程改造,并成功选育了对环境胁迫因素具有较强耐受性,以及发酵效率提高的微生物菌种。以下着重介绍近年来启动子的定向进化,包括启动子的强度和调节功能的分子进化,以及细胞全局转录工程等技术在微生物代谢工程中的应用,这些定向进化技术使人们可以更精细地调节基因表达水平,并可同时改变细胞内多个基因的转录水平,是代谢工程研究新的有力工具。     

合成芳香族化合物的酵母底盘改造策略*

芳香族化合物种类丰富,在多个行业具有广泛的用途,需求量大。通过构建微生物细胞工厂合成芳香族化合物具有独特的优势和工业化应用前景,其中酵母底盘因其清晰的遗传背景、完善的基因操作工具以及成熟的工业发酵体系等优势,常被用于构建细胞工厂。目前改造酵母底盘生产芳香族化合物的研究取得了一系列进展,并针对关键问题提出了一些可行的解决策略。针对酵母合成芳香族化合物的策略与挑战,从芳香族化合物合成路径改造、多样化碳源利用及转运系统改造、基因组多靶点改造、特殊酵母底盘及混菌系统构建、合成生物学高通量技术的应用这五个方面进行系统地梳理和阐述,为生产芳香族化合物的酵母底盘构建与改造提供思路。     

微生物法生产烷烃研究进展

烷烃在自然界中广泛存在。它不仅是化石能源的主要组成部分,而且在润滑剂、化妆品、水果保藏、植物防护等方面具有广泛的应用价值。本文概述了天然产烷烃的微生物及其烷烃的天然合成途径及其途径中关键酶催化的作用机理,并对近几年国内外运用代谢工程手段改造微生物使其细胞合成烷烃的研究进展作了介绍。微生物生产烷烃可以通过改造烷烃的天然合成菌株或通过在模式微生物中引入异源烷烃合成途径两种方法来强化。最后文章讨论了微生物法生产烷烃存在的不足和今后研究的方向与展望。     

利用代谢工程技术提高工业微生物对胁迫的抗性

代谢工程是工业微生物菌种改造的平台技术,不仅可用于改变微生物细胞内的代谢流向,也可以用于改善工业微生物的生理功能。在工业生产过程中,微生物细胞会面临多种胁迫作用,这些胁迫诱导的基因调节作用,都有可能影响细胞的许多重要生理功能,从而影响生物转化过程的效率。从工业应用的观点出发,选择生产性能良好、对发酵过程中的主要胁迫因素有较强耐受性的菌株至关重要。以下评述了借鉴传统代谢工程技术和反向代谢工程技术来提高工业微生物对胁迫抗性的若干研究策略,提出了该领域目前存在的问题,以及利用代谢工程技术改善微生物胁迫抗性——即微生物生理功能工程的发展方向。     

琥珀酸的生物制造:细菌还是酵母?

琥珀酸又称丁二酸,是一种重要的有机合成中间体。许多微生物都可以通过优化和代谢工程改造产生琥珀酸。文章对细菌和酵母两种主要的产琥珀酸类群产琥珀酸的产量、产率及后提取等因素进行了详细的分析,并比较了两种微生物生产琥珀酸各自的优缺点,为今后开发利用琥珀酸的生物制造提供参考。     

L-精氨酸生物合成机制及其代谢工程育种研究进展

L-精氨酸是人体半必需的氨基酸,在生命代谢过程中起着非常重要的作用,且具有广泛的应用价值及市场需求。目前,L-精氨酸主要采用微生物发酵法进行生产,为了提高L-精氨酸的产量和稳定性,最有效的方法是优化L-精氨酸生产菌株,通过代谢工程改造微生物菌株有望达到这一目的。本文分析了微生物中L-精氨酸的代谢途径和调控机制,并综述了构建高产L-精氨酸的代谢工程策略。此外,展望了菌株稳定性和底物扩展利用的未来研究方向。     

遗传改造微生物代谢途径生产新型柴油燃料的研究进展

生物柴油是一种能替代柴油的可再生燃料,然而通过植物油料化学转酯化生产的第一代生物柴油在性能和生产工艺上有很多缺点。近年来随着合成生物学和代谢工程的迅速发展,通过选择合适的微生物并利用各种生物技术改造其代谢合成途径,如脂肪酸合成途径、异戊二烯合成途径,研究人员能利用微生物直接生产性能更加优越、品质更高的新型第二代生物柴油——长链烷烃。文章总结了目前遗传改造微生物代谢途径生产新型柴油的研究进展,并指出目前该领域存在的问题以及今后的发展方向。     

代谢工程在微生物法产辅酶Q_(10)中的应用

辅酶Q10作为细胞呼吸链上的重要组成部分在电子传递过程中发挥着重要的作用。辅酶Q10的抗氧化、抗衰老功能使其广泛应用于医药、食品和化妆品等行业。CoQ10市场需求不断增加,这使得大规模提高CoQ10工业化生产的产量显得十分必要。目前,主要依靠从自然界中筛选到的各种微生物作为生产菌种发酵生产CoQ10,但这些原始生产菌种由于产量低、营养要求高等各种原因很难实现大规模发酵生产。随着对CoQ10生物合成途径以及代谢调控机制的了解清楚,通过对易于商业化生产的优良宿主细胞(如大肠杆菌)进行代谢工程的改造,有助于促进代谢工程菌的CoQ10工业化生产发展。     

柠檬烯和红没药烯的微生物代谢工程

柠檬烯和红没药烯均为植物天然产物,分别属于单萜类和倍半萜类化合物,能够预防和治疗癌症等多种疾病。以其作为前体物,还可以转化合成多种具有高附加值的工业产品,例如药品、保健品、化妆品及生物燃料等。目前柠檬烯和红没药烯的工业生产主要是通过植物提取法实现的,但从植物组织中提取柠檬烯和红没药烯存在着产物含量低和分离纯化困难等缺点。微生物代谢工程的快速发展为这些植物天然产物的生产提供了一条更具潜力的生物合成路线。利用微生物代谢工程技术构建生产这些有价值的植物天然产物的微生物细胞工厂具有绿色清洁、可持续发展和经济效益好等独特优势。文中系统综述了近年来代谢工程技术在微生物合成柠檬烯和红没药烯过程中的应用进展,包括所涉及的宿主菌株、关键酶、代谢途径及其改造等,并探讨了其未来发展方向。     

芳香族化合物生物降解的研究进展

本文综述了以苯、取代苯、联苯和多环芳烃为代表的芳香族化合物的生物降解途径,其共同之处在于经过两步双加氧酶作用,生成二醇和开环。两步双加氧酶分别为芳环羟基化双加氧酶和芳环断裂双加氧酶。以甲苯途径为代表讨论了芳香族化合物的分子生物学研究情况。代谢工程研究是九十年代兴起的芳香族化合物生物降解的研究内容,通过对甲苯途径的代谢工程研究明确了途径中的关键酶,并通过对关键酶的活性提高使整个途径的代谢流增加。     

芳香族化合物生物降解的研究进展

本文综述了以苯,取代苯,联苯和多环芳烃为代表的芳香族化合物的生物降解途径,其共同之处在于经过两步双加氧酶作用,生成二醇和开环,两步双加氧酶分别为芳环羟基化双加氧酶和芳环断裂双加氧酶,以甲苯途径为代表讨论了芳香族化合物的分子生物学研究情况,代谢工程研究是九十年代兴起的芳香族化合物生物降解的研究内容,通过对甲苯途径的代谢工程研究明确了途径中的关键酶,并通过对关键酶的活性提高使整个途径的代谢流增加。     

平台化学品短链支链脂肪酸和短链支链醇的微生物代谢工程

短链支链脂肪酸和短链支链醇均为重要的平台化学品,是合成多种高附加值产品的前体物质,市场需求巨大。目前两者的生产主要是利用基于石化原料的化学合成法。化学合成法存在着严重依赖化石燃料、反应效率低以及极易造成环境污染等缺点。微生物代谢工程的快速发展为这些平台化学品的生产提供了一条极具潜力的生物合成路线。利用微生物代谢工程技术构建生产这些平台化学品的微生物细胞工厂具有绿色清洁、可持续发展和经济效益好等独特优势。本文系统综述了近年来微生物代谢工程技术在短链支链脂肪酸和短链支链醇合成方面的研究进展,包括所涉及的宿主菌株、关键酶、代谢途径及其改造等,并探讨了未来的发展前景。     

微生物木糖发酵产乙醇的代谢工程

利用木质纤维素发酵生产乙醇具有广泛的应用前景。而自然界中缺少有效转化木糖为乙醇的微生物是充分利用纤维素水解产物、提高乙醇产率、降低生产成本的关键因素。多年来研究者利用分子生物学技术对微生物菌株进行了代谢工程改造,使其能更有效地利用木糖生产乙醇。以下主要对运动发酵单胞菌、大肠杆菌和酵母等候选产乙醇微生物的木糖代谢工程研究进展进行了概述。     

谷氨酸棒杆菌生产琥珀酸的代谢工程研究进展

琥珀酸是一种具有重要应用价值的四碳平台化合物。微生物法发酵生产琥珀酸以其社会、环境和经济优势展现出良好的发展前景。谷氨酸棒杆菌被广泛应用于氨基酸、核苷酸等高附加值化学品的工业化生产,在厌氧条件下细胞处于生长停滞状态,但仍能高效利用碳源合成有机酸,通过代谢工程改造的谷氨酸棒杆菌有望成为理想的琥珀酸生产菌株。结合近年来谷氨酸棒杆菌生产琥珀酸取得的最新成果,本文综述了构建高产琥珀酸工程菌株的代谢工程策略、底物的扩展利用,并展望了将来的研究方向。     

微生物发酵生产C_4二元羧酸研究进展

C4二元羧酸(苹果酸、延胡索酸和琥珀酸等)是TCA循环中重要的中间代谢产物,广泛用于食品、医药和化工等行业。由于市场潜在需求量巨大,微生物发酵法生产C4二元羧酸备受关注。从自然界筛选的微生物可以大量积累C4二元羧酸,但存在诸多问题。而利用模式微生物生产C4二元羧酸具有很多优势,已成为国内外的研究热点。从三个方面综述了C4二元羧酸的研究进展:利用自然筛选及改造的微生物生产C4二元羧酸,代谢工程改造模式微生物生产C4二元羧酸,C4二元羧酸的发酵生产的代谢调控。最后,提出了微生物发酵法生产C4二元羧酸今后要解决的问题和发展方向。     

反义RNA技术在丝状真菌代谢工程中的应用

丝状真菌作为一种重要的工业微生物,采用各种表达调控技术对其代谢途径进行改造以便适应生产需求成为当前的研究热点之一。反义RNA技术是代谢工程中调控基因表达的一种重要手段,且由于其操作简单避免了基因敲除技术的复杂性,在丝状真菌体系中有着良好的应用前景。本综述中,从反义RNA的作用机理、真菌体系的基因工程技术以及目前反义RNA技术的应用等方面,对反义RNA技术在丝状真菌代谢工程中的应用进行了概述。     

代谢工程中基因修饰与基因表达的工具

代谢工程利用重组DNA技术导入定向改造的基因 ,以改进微生物细胞的某些代谢特性 ,已经发展成为一个工业微生物育种和优化发酵过程的强有力工具。基因的修饰与表达是代谢工程的重要组成部分。本文介绍了近年来代谢工程中基因修饰与表达所用的工具方面的进展。