基于一体化生物加工过程的木质纤维素合成生物丁醇的研究进展

一体化生物加工过程(Consolidated bioprocessing,CBP)是在一个生物反应器中完成水解酶生产、酶解、微生物发酵等多步生物过程的工艺。因其过程步骤简单、成本低,被认为是生产二代生物燃料最具发展前景的工艺。然而,由于木质纤维素降解与丁醇合成路径的复杂性,鲜有天然微生物可以直接利用木质纤维素合成丁醇。随着合成生物学技术的发展,在纤维素降解梭菌中引入丁醇合成途径,可以使单菌利用木质纤维素直接合成丁醇。但是该策略存在菌株代谢负荷重、丁醇产量低等问题。而混菌策略可以通过不同菌株的劳动分工,使单菌代谢负担得到缓解,因此进一步提高了丁醇合成效率。文中从单菌策略和混菌策略分析了近年来一体化生物加工过程利用木质纤维素合成丁醇的相关研究进展,为生物丁醇以及其他生物燃料的一体化生物加工过程研究提供借鉴。     

微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品

当前,全球经济的高速发展与日益减少的石油资源储备进一步加剧了能源供需矛盾。人类对开发利用可再生的纤维素生物质资源寄予厚望。木糖是木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖,因此对木糖高效率生物转化的研究成为影响其工业化前景的关键因素之一。针对近几年的研究,文中综述了生物转化木糖方面的进展,包括木糖代谢途径的鉴定和设计、木糖运输途径的改造、生物基化学品制备。为了解决当前全球面临的能源危机与环境问题,运用合成生物学技术发展新一代生物燃料技术,特别是开发能够代谢木糖高产乙醇的微生物工程菌株是实现可持续发展的重要方式。     

重组肠道细菌作为产乙醇生物催化剂的研究进展

以木质纤维素水解液发酵生产的燃料酒精作为一种清洁的可再生能源引起人们极大的关注。本文介绍了燃料酒精工业发展的最新动态,并对多种产乙醇重组肠道细菌的研究进展作了综述。     

统合生物工艺与纤维素分解性高温菌乙醇转化的研究进展

生物乙醇是可再生的绿色能源,作为可以完全或部分替代化石能源的新型能源,近年来受到了世界各国的关注.木质纤维素作为生物乙醇的生产原料具有巨大的市场潜力,而统合生物工艺(CBP)能有效降低木质纤维素乙醇的生产成本,为纤维素乙醇的工业化生产提供了新的工艺思路.主要介绍利用高温纤维素分解菌的统合生物工艺策略以及国内外对高温纤维素分解茵代谢工程研究的最新进展.     

体外多酶分子机器的现状和最新进展

体外多酶分子机器遵循所设计的多酶催化路径,将若干种纯化或部分纯化的酶元件进行合理的优化与适配,高效地在体外将特定的底物转化为目标化合物。体外多酶分子机器反应系统呈现元件化和模块化的特点,在设计、组装和调控方面具有较高的自由度。近年来,体外多酶分子机器在实现反应过程的精准调控和提高产品得率方面的优势逐渐体现,展示了其在生物制造领域重要的应用潜力。对体外多酶分子机器的相关研究已成为合成生物学的一个重要分支领域,日益受到广泛的关注。文中系统地综述了基于酶元件/模块的体外多酶分子机器的构建策略,以及改善该分子机器中酶元件/模块之间适配性的研究进展,并分析了该生物制造平台的发展前景与挑战。     

系统生物学和合成生物学研究在生物燃料生产菌株改造中的应用

基于生物质资源生产环境友好的生物燃料,对经济和社会的可持续发展具有重要意义,但其生产成本高的问题十分突出,而高效生产菌株的获得是解决这一问题的根本出路。以下综述了利用系统生物学研究所获得的信息进行菌种改造的过程,重点论述了生产菌株胁迫耐受性方面的研究进展,并讨论了系统生物学、合成生物学和代谢工程技术在改造生物燃料生产菌株中的应用,展望了合成生物学在构建高效生物能源生产菌株方面应用的前景。     

合成支架在代谢工程中的研究进展

代谢工程作为通过引入外源合成途径或改造优化代谢网络,进行高附加值的天然代谢产物生物合成的技术,已经得到广泛应用。但随着目标合成产物的结构日渐复杂,构建多基因的从头合成途径造成宿主生物代谢失衡与中间产物对宿主细胞产生毒害作用等一系列问题发生的可能性也随之增加。为解决这些问题合成支架策略应运而生,合成支架将途径酶共定位以提高局部酶和代谢物的浓度,来增强代谢通量并限制中间产物与宿主细胞环境间的相互作用,成为生物催化和合成生物学研究的热点之一。尽管由核酸、蛋白质构成的合成支架策略已经应用于多种代谢物的异源合成,并取得了不同程度的成功,但合成支架的精确组装仍然是一项艰巨的任务。文中详细介绍了合成支架技术的研究现状,详细阐述了合成支架技术的原理和实例,并初步探讨了其应用前景。     

纤维素乙醇生物加工过程中的抑制物对酿酒酵母的影响及应对措施

以木质纤维素为原料生产乙醇,预处理是必需的环节,这一过程中不可避免产生了多种对微生物有抑制作用的化合物,这些抑制物主要有3大类:弱酸、呋喃醛类和酚类化合物。这些化合物影响后续乙醇发酵微生物酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的生长及发酵性能,降低了乙醇的得率和产量,是木质纤维素原料大规模生产乙醇的一个主要障碍。以下介绍了3类抑制物的形成及作用机制,并介绍了应对抑制物作用、提高酵母发酵能力的措施及研究进展,包括发酵前预处理原料脱毒、通过进化工程驯化菌种或通过对抑制物耐受性相关基因的代谢工程操作提高酿酒酵母耐受性,及通过发酵过程控制减少抑制物影响等。     

能源微生物油脂技术进展

微生物油脂技术是缓解生物柴油规模化生产原料短缺的有效途径之一。介绍了国内外利用产油真菌生产能源微生物油脂的现状,包括拓展发酵原料、选育优良菌株、建立新型调控策略和不同培养模式以及解析油脂过量积累的分子机制;概括了微生物油脂技术产业化面临的问题及其解决方案;最后指出了能源微生物油脂研究未来发展方向。     

噬菌体重组酶系统在合成生物学中的应用*

合成生物学技术采用工程化设计理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,对重塑非自然功能的“人造生命”具有重要意义。噬菌体重组系统具有高效、精确和广谱适用性等特点,在基因工程、代谢工程以及生物治疗等合成生物学领域得到了广泛的应用。从基因电路、体内遗传改造和体外重组等方面全面阐述了噬菌体重组系统在合成生物学研究的现状及热点,对当前该系统的局限性进行了探讨,并就未来的研究和发展趋势进行了展望。     

酿酒酵母纤维素乙醇统合加工(CBP)的策略及研究进展

木质纤维素乙醇的统合生物加工过程(Consolidated bioprocessing,CBP)是将纤维素酶和半纤维素酶生产、纤维素水解和乙醇发酵过程组合或部分组合,通过一种微生物完成。统合生物加工过程有利于降低生物转化过程的成本,越来越受到研究者的普遍关注。酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae是传统的乙醇发酵菌株。介绍了影响外源基因在酿酒酵母中表达水平的因素,纤维素酶和半纤维素酶在酿酒酵母中表达研究进展及利用酿酒酵母统合加工纤维素乙醇的策略。     

A minimal set of bacterial cellulases for consolidated bioprocessing of lignocellulose

Cost-effective release of fermentable sugars from non-food biomass through biomass pretreatment/enzymatic hydrolysis is still the largest obstacle to second-generation biorefineries. Therefore, the hydrolysis performance of 21 bacterial cellulase mixtures containing the glycoside hydrolase family 5 Bacillus subtilis endoglucanase (BsCel5), family 9 Clostridium phytofermentans processive endoglucanase (CpCel9), and family 48 C. phytofermentans cellobiohydrolase (CpCel48) was studied on partially ordered low-accessibility microcrystalline cellulose (Avicel) and disordered high-accessibility regenerated amorphous cellulose (RAC). Faster hydrolysis rates and higher digestibilities were obtained on RAC than on Avicel. The optimal ratios for maximum cellulose digestibility were dynamic for Avicel but nearly fixed for RAC. Processive endoglucanase CpCel9 was the most important for high cellulose digestibility regardless of substrate type. This study provides important information for the construction of a minimal set of bacterial cellulases for the consolidated bioprocessing bacteria, such as Bacillus subtilis, for converting lignocellulose to biocommodities in a single step.     

Genome-scale metabolic modeling of a clostridial co-culture for consolidated bioprocessing

An alternative consolidated bioprocessing approach is the use of a co-culture containing cellulolytic and solventogenic clostridia. It has been demonstrated that the rate of cellulose utilization in the co-culture of Clostridium acetobutylicum and Clostridium cellulolyticum is improved compared to the mono-culture of C. cellulolyticum, suggesting the presence of syntrophy between these two species. However, the metabolic interactions in the co-culture are not well understood. To understand the metabolic interactions in the co-culture, we developed a genome-scale metabolic model of C. cellulolyticum comprising of 431 genes, 621 reactions, and 603 metabolites. The C. cellulolyticum model can successfully predict the chemostat growth and byproduct secretion with cellulose as the substrate. However, a growth arrest phenomenon, which occurs in batch cultures of C. cellulolyticum at cellulose concentrations higher than 6.7 g/L, cannot be predicted by dynamic flux balance analysis due to the lack of understanding of the underlying mechanism. These genome-scale metabolic models of the pure cultures have also been integrated using a community modeling framework to develop a dynamic model of metabolic interactions in the co-culture. Co-culture simulations suggest that cellobiose inhibition cannot be the main factor that is responsible for improved cellulose utilization relative to mono-culture of C. cellulolyticum.     

Anaerobic mixed‐culture fermentation of aqueous ammonia‐treated sugarcane bagasse in consolidated bioprocessing

The MixAlco process is an example of consolidated bioprocessing (CBP) in which anaerobic mixed‐culture fermentation biochemically converts any biodegradable feedstock into carboxylate salts. Downstream processing thermochemically transforms the resulting salts into mixed alcohol fuels or gasoline. To enhance digestibility, sugarcane bagasse was treated under mild conditions (55°C, 24 h, and 30% aqueous ammonia solution with a loading of 10 mL/g dry biomass). Using NH₄HCO₃ buffer, the feedstock (80% ammonia‐treated sugarcane bagasse/20% chicken manure) was anaerobically fermented by a mixed culture of marine microorganisms at 55°C. Four‐stage countercurrent fermentations were performed at various volatile solids loading rates (VSLRs) and liquid residence times (LRTs). The highest acid productivity (1.14 g/(L day)) occurred at a total acid concentration of 29.8 g/L. The highest conversion (65%) occurred at a total acid concentration of 27.6 g/L. The continuum particle distribution model (CPDM) predicted the experimental total acid concentrations and conversions within 4.98% and 10.41%, respectively. When using NH₄HCO₃ buffer, ammonia pretreatment is an attractive option. The CPDM “map” shows that both high volatile solid conversions (78.8%) and high acid concentrations (32.6 g/L) are possible with 300 g/(L liquid) substrate concentration, 30 days LRT, 2 g/(L day) solid loading rate and NH₄HCO₃ buffer. Biotechnol. Bioeng. 2010;106: 216–227. © 2010 Wiley Periodicals, Inc.     

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。     

Cloning and characterization of a panel of constitutive promoters for applications in pathway engineering in Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae is an important platform organism for synthesis of chemicals and fuels. However, the promoters used in most pathway engineering studies in S. cerevisiae have not been characterized and compared in parallel under multiple conditions that are routinely operated in laboratory and the number of known promoters is rather limited for the construction of large biochemical pathways. Here a total of 14 constitutive promoters from S. cerevisiae were cloned and characterized using a green fluorescent protein (GFP) as a reporter in a 2 μ vector pRS426, under varying glucose and oxygen concentrations. The strengths of these promoters varied no more than sixfold in the mean fluorescence intensity of GFP, with promoter TEF1p being the strongest and promoter PGI1p the weakest. As an example of application for these promoters in metabolic engineering, the genes involved in xylan degradation and zeaxanthin biosynthesis were subsequently cloned under the control of promoters with medium to high strength and assembled into a single pathway. The corresponding construct was transformed to a S. cerevisiae strain integrated with a D-xylose utilizing pathway. The resulting strain produced zeaxanthin with a titer of 0.74 ± 0.02 mg/L directly from birchwood xylan.     

石油烃生物降解过程的研究进展

石油烃污染物属于难降解混合物,生物修复已经成为石油烃污染环境的主要修复方法.文中简述了微生物对石油烃的间期适应过程和转运过程,并通过对部分典型石油烃成分的微生物降解机理和代谢路径的梳理和综述,阐释了石油烃生物降解过程中的菌株、基因、代谢路径等研究进展.此外,利用基因工程和代谢工程等手段,可对野生型石油烃降解菌进行改造,...     

纤维素乙醇统合加工过程中的酵母多酶共展示体系研究进展

利用统合生物加工过程(Consolidated bioprocessing,CBP)生产纤维素乙醇是目前国内外的研究热点。CBP需要一种“集成化”微生物,既能生产水解木质纤维素的多种酶类又能利用水解木质纤维素产生的糖类发酵产乙醇。以酿酒酵母表面展示技术为依托,建立CBP菌株多酶共展示体系的研究主要分为以下两个方向：一是直接将纤维素酶展示在细胞表面,即非复合型纤维素酶体系;另一种是通过表面展示纤维小体(Cellulosome)将纤维素酶间接地锚定在细胞表面,即复合型纤维素酶体系,本文主要从以上两个方向阐述了近几年对于纤维素乙醇生物统合加工过程的研究进展。因纤维小体对纤维素的降解能力比非复合型纤维素酶体系更强,所以其在酿酒酵母细胞表面的组装研究受到越来越多的关注,为了更深入透彻地了解纤维小体的酵母展示技术,文中对纤维小体的结构与功能及其在纤维素乙醇发酵中的应用研究进行重点论述,并对该领域的发展方向进行展望。