合成生物学在微生物细胞工厂构建中的应用

通过微生物发酵的方法生产大宗化学品和天然产物能够部分替代石油化工炼制和植物提取。合成生物学技术的发展极大地提高了构建微生物细胞工厂生产大宗化学品和天然产物的能力。一方面综述了合成生物学在构建细胞工厂时的关键技术,包括最优合成途径的设计、合成途径的创建与优化、细胞性能的优化;另一方面,介绍了应用这些技术构建细胞工厂生产燃料化学品、大宗化学品和天然产物的典型案例。     

高级醇的微生物绿色制造

高级醇是含有两个以上碳原子的醇类,具有比乙醇更优秀的燃料性能,是化石燃料的重要补充与替代品。利用微生物以可再生的生物质为原料进行高级醇的生产可同时缓解当前的能源与环境危机,已成为绿色生物制造的重大发展方向。天然的微生物仅能少量生产个别种类的高级醇,因此,通过代谢工程及合成生物学技术,在模式工业菌株中重构高级醇的合成途径,成为了克服高级醇生产瓶颈的必要手段。该领域自兴起以来已历经数十年发展,取得了多项开创性成果。本文作者有幸亲历了该领域从零到一、直至实现跨越式突破的完整历程。在代谢工程学科创立30周年之际,文中回顾了高级醇异源微生物合成的数个里程碑式工作,从途径创建、途经优化、原料扩展、底盘改造、产业化进程等多方面进行了分析总结。望以此激发学界对高级醇代谢工程的深入关注,促进新技术、新策略的开发应用,推动我国生物能源产业的创新升级。     

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。     

构建酿酒酵母细胞工厂高效合成摩尔酸

[目的] 摩尔酸作为齐墩果烷型三萜化合物具有抗HIV、抗炎等多种生物学活性,其前体物质是计曼尼醇,本研究基于合成生物学策略构建酿酒酵母细胞工厂高效合成摩尔酸。[方法] 运用CRISPR/Cas9技术,首先分别整合不同来源的氧化鲨烯环化酶（OSCs）,筛选高产计曼尼醇底盘细胞;进一步异源表达长春花来源的细胞色素P450氧化酶（CYP716AL1）和麻风树来源的细胞色素P450还原酶（JcCPR）,构建摩尔酸生物合成途径;并通过CYP716AL1和不同来源的CPR适配研究以及过表达甲羟戊酸（MVA）代谢途径中关键酶的方式提高摩尔酸的产量。[结果] 整合苹果来源的氧化鲨烯环化酶MdOSC获得的重组菌株计曼尼醇产量最高,达68.3 mg/L;以此为底盘细胞进一步整合CYP716AL1和JcCPR实现了摩尔酸的生物合成,产量为15.0 mg/L;共表达CYP716AL1和拟南芥来源的CPR获得的重组菌株摩尔酸产量最高,达到24.3 mg/L;最后过表达MVA代谢途径中的关键酶法呢基焦磷酸合酶（ERG20）和鲨烯环氧酶（ERG1）,获得的重组菌株摩尔酸产量高达34.1 mg/L。[结论] 本研究实现了摩尔酸的高效生物合成,为构建高产齐墩果烷型三萜酿酒酵母细胞工厂提供了理论和技术依据。     

微生物细胞工厂生产大宗化学品及其产业化进展

通过微生物发酵的方法生产大宗化学品能够部分替代石油化工炼制,节能减排。合成生物学技术的发展极大地提高了构建微生物细胞工厂生产大宗化学品的能力。介绍了使用合成生物学技术构建微生物细胞工厂生产大宗化学品的研究和产业化进展,并展望了微生物细胞工厂未来的研究重点。     

低产高级醇酿酒酵母突变菌株的差异蛋白组分析及

【目的】高级醇是白酒微量香气成分中的重要组成部分,但是高级醇含量过高会对酒的品质产生不利影响,而白酒中的高级醇主要是在酒精发酵过程由酵母产生的,因此酿酒酵母高级醇合成相关蛋白的研究对于控制高级醇产生具有重要意义。【方法】以诱变得到的低产高级醇酿酒酵母菌株ARTP5和原始酿酒酵母菌株CF4为研究对象,比较两株酵母的胞内蛋白组差异,寻找高级醇合成相关蛋白。【结果】与原始菌株CF4相比,诱变菌株ARTP5高级醇产量降低了20%,有45个胞内蛋白表达量差异2倍以上,通过MALDITOF-MS质谱鉴定出29个,主要包括碳源和能量代谢、胁迫反应过程、蛋白翻译和折叠过程、氨基酸代谢和高级醇代谢等途径的蛋白,其中ARTP5菌株表达上调的支链氨基酸代谢合成途径的ILV5蛋白和表达下调的高级醇合成途径中的ADH1蛋白与诱变菌株ARTP5高级醇降低具有一定相关性。【结论】与高级醇合成具有一定相关性蛋白的发现对于酿酒酵母酒精发酵过程高级醇的合成机制的解析以及白酒酿造过程高级醇产量的控制有重要意义。     

酵母细胞工厂生产脂肪酸及其衍生物

脂肪酸及其衍生物具有广泛的应用前景,特别是作为先进燃料能够缓解目前全球范围内的能源危机与环境污染问题。从微生物出发,利用生物发酵的方法生产脂肪酸及其衍生物被认为是一种可再生且环境友好的生产模式。随着酵母细胞研究的不断深入以及基因操作平台的日益完善,酵母细胞工厂成为继大肠杆菌细胞工厂之后又一脂肪酸类化合物的高产平台,也在其工业化进程的不断推动下面临着前所未有的机遇与挑战。因此,本文中,笔者综述了近年来以酵母细胞(主要包括酿酒酵母、解脂耶氏酵母和圆红冬孢酵母)为宿主菌构建的细胞工厂在生产脂肪酸、脂肪醇和烷烃方面的研究进展。同时,提出了提高酵母产脂肪酸及其衍生物产量的基本合成生物学策略,为其进一步的研究和工业化进程奠定良好的理论基础。     

细胞工厂中的代谢传质与过程强化

细胞工厂是生物制造的重要技术平台,为生物质资源的开发和利用奠定了基础.代谢传质是细胞新陈代谢必不可少的部分,也是提高代谢产物合成的关键因素之一.胞内传质的方式和对象多样、效率不一,低效率的代谢传质严重影响了细胞工厂的生产能力.跨膜传质和无膜传质是代谢传质的两种主要形式,通过对这两种传质途径的改造和优化,可以提高细胞工厂生产初级代谢产物、次级代谢产物和生物大分子的能力.运用合成生物学和代谢工程手段,从多个角度对细胞的传质途径进行改造或从头设计、构建,可以有效提高代谢传质的效率、降低中间代谢物的损耗、提高目标产物的产量.本文从不同类型的代谢传质出发,总结了近年来利用强化代谢传质提高细胞工厂合成能力的研究,为更加深入、系统地研究代谢传质,拓宽其在细胞工厂生产中的应用提供了参考和策略.     

大肠杆菌通过甲羟戊酸途径合成紫苏醇

紫苏醇,即[4-异丙烯基-1-环己烯]甲醇,是一种具有类似芳樟醇和松油醇特殊气味的单环单萜烯醇。在医药、食品和化妆品等行业具有广阔市场空间和研究价值。文中研究了以工程大肠杆菌通过甲羟戊酸途径合成紫苏醇的方法。首先在大肠杆菌中构建来源于粪肠球菌的MVA代谢途径合成柠檬烯,随后柠檬烯通过细胞色素P450烷烃羟化酶的羟基化转化为紫苏醇。然后将构建的紫苏醇合成菌株在摇瓶发酵条件下进行优化,研究发现工程大肠杆菌以葡萄糖为原料,通过MVA代谢途径可合成约50.12 mg/L的紫苏醇。本研究构建合成紫苏醇的MVA代谢途径也可用于其他萜类化合物的合成,为今后生物法合成萜类化合物提供了理论依据和技术支持。     

酿酒酵母生物基化学品转化合成平台的研究进展

<正>酿酒酵母作为极具潜力的细胞工厂。近年来被广泛应用于合成各种生物基化学品的研究。文章介绍了酿酒酵母作为细胞工厂的特点和优势,从拓展底物范围、加强前体物供给以及优化产物合成三个方面介绍了以酿酒酵母作为转化合成平台,生产生物燃料、大宗化学品或精细化学品等的研究进展,并举例介绍了优化丁醇和青蒿素前体青蒿酸及紫穗槐二烯的合成的相关进展。