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。     

微生物代谢工程的研究进展和展望

代谢工程技术是构建微生物细胞工厂的重要方法,其主要目标是通过基因工程等手段将目标代谢产物产量最大化。然而基因工程等操作往往会影响细胞生长速率,导致其生产强度降低。随着合成生物学及相关技术的发展,多种调控策略被应用于代谢工程领域以解决上述问题。通过这些调控可以有效地解决细胞生长与产物合成之间的竞争关系,平衡代谢途径,避免中间代谢产物的过量积累。对这些策略的研究及应用进行了概述和展望。     

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。     

启动子的选择及优化在酿酒酵母代谢工程中的应用

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为最简单的真核模式生物被广泛应用于生命科学的各项研究中。目前,大多数天然产物的主要生产途径是从原材料中直接提取,该方法效率较低,同时消耗了大量的生物资源,已逐渐被新兴的合成生物学方法所取代。其中通过改造酿酒酵母自身的代谢途径并加入异源代谢途径生产目标天然产物已成为一种高效的资源获取途径。通过对外源基因启动子的优化及改造,调控外源基因在宿主中的表达水平,从而协调宿主自身代谢途径,定向合成目的代谢产物是酵母合成生物学和代谢工程的研究热点。从构建酿酒酵母合成天然产物过程中启动子结构、类型及优化表达的方法进行了综述,为相关研究者利用酿酒酵母作为底盘细胞进行合成生物学的研究提供参考。     

辅因子在微生物细胞工厂中的代谢调控与应用*

生物体中大部分酶催化反应都需要辅因子参与,辅因子平衡对维持正常的细胞代谢至关重要,而辅因子失衡则会导致细胞生长和生产的紊乱。在微生物细胞工厂的构建中,通过调节辅因子代谢平衡来提高产物合成途径的效率,从而调控细胞生长与产物生产,使代谢流能够最大限度地流向目标产物,已经成为代谢调控的重要手段。目前常见的用于代谢调控的辅因子有NAD(P)H/NAD(P)⁺、辅酶、ATP/ADP等。围绕这几种辅因子的代谢途径及功能分类进行了综述,并总结了微生物中不同产物利用辅因子平衡策略进行合成调控的研究,以期为各类化合物的高效生物合成提供参考。     

人工合成启动子文库研究进展

随着合成生物学的发展,人工合成功能元件在代谢工程领域显示出巨大应用潜力。启动子是调控基因转录水平的重要元件,可以利用人工合成启动子文库对代谢途径进行精细调控,使基因适量表达,实现代谢途径的组合优化。文章综述了人工合成启动子文库的研究进展,评述了不同文库的构建策略,讨论了人工合成启动子文库在代谢工程领域的应用,并展望了人工合成启动子文库的发展方向。     

钙调磷酸酶信号调控真菌生长代谢、毒力及抗逆性能

钙调磷酸酶是一种丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白磷酸酶,在真菌中普遍保守,上游信号途径由Ca2+通道(Cch1)、转运蛋白(Mid1)、钙离子感应蛋白(CaM)、钙调蛋白依赖性磷酸酶等组成。钙调磷酸酶受钙离子和钙调蛋白调节,在调控真菌Ca2+稳态的钙信号级联途径中发挥着中心作用,通过钙信号级联途径参与生物学过程,调控真菌生长、发育和毒力形成来响应外界环境因素的变化,使真菌能够适应不同环境,维持正常的生命活动。本文综述了真菌钙调磷酸酶信号的组成和上下游信号转导途径、调控细胞生长代谢、毒力形成以及抗逆性能调控的研究进展;结合对真菌代谢产物合成的调控作用,对钙调磷酸酶信号作为重要合成生物学元件及调控开关进行了展望。     

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。     

合成生物学的医学应用

合成生物学旨在基于工程学原理,通过人工合成生物调控元件、模块和基因调控网络等对细胞进行设计和改造,以实现细胞和生命体的定向演化。在医学研究中,合成生物学主要采用人工设计合成治疗性的基因回路,制备工程化细胞植入体内,纠正机体已发生缺陷的生物调控元件,以达到治疗疾病的目的。本文对合成生物学的兴起、发展及其在医学中的应用和研究进展进行了综述。     

一碳代谢路径通路在癌症发生中作用研究进展

我国癌症发病群体不断年轻化,发病率不断增加。最近科学研究表明,细胞代谢相关调控基因已成为新的癌症诊断标记和治疗靶点。一碳代谢对于细胞代谢必不可少,一碳代谢需要叶酸、丝氨酸和蛋氨酸等细胞必需的生物代谢物质参与,同时也产生嘌呤、腺苷和胸苷酸等生物代谢物质。一碳代谢包括三类关键反应:叶酸循环、蛋氨酸循环、反硫化途径。在叶酸循环中,叶酸及叶酸循环中间产物可以通过产生嘌呤和胸苷酸调控癌症细胞的生长和增殖。在蛋氨酸循环中产生的多胺和甲基等中间产物也能调控癌症细胞的生长和增值。反硫化途径是谷胱甘肽合成的重要途径,谷胱甘肽能够生成与肿瘤细胞密切相关的活性氧。该研究将简要综述一碳代谢在癌症发生中的作用,概况了近年来一碳代谢通路重要因子及中间产物作为靶点对癌症治疗的意义。     

合成生物学驱动功能细胞的精准设计与疾病诊疗

合成生物学是依据工程化的设计思路,通过人工精准设计一些功能化元器件和模块,旨在创造具有新型功能的新生物体。利用合成生物学手段人工合成的功能细胞可以精确调控细胞的行为,为传统医疗无法治愈的疾病提供了新的诊治策略。目前,在哺乳动物细胞合成生物学领域,人们设计、构建了多种可控的功能细胞用于诊断和治疗代谢疾病、癌症、免疫系统疾病等。主要介绍人工精准构建功能化细胞的研究进展及其在智能诊疗糖尿病、肿瘤等重大疾病中的应用。同时,探讨功能化细胞在临床疾病治疗中的挑战和发展前景。     

微生物细胞工厂中多基因表达的控制策略

微生物代谢工程和合成生物学是当今微生物技术领域研究的热点,微生物的生长速度快、容易进行大规模培养;遗传背景清楚、遗传操作简便可靠等性质使其在与人类生活相关的多个领域中起到重要的作用。微生物细胞工厂是指人工设计的能够进行物质生产的微生物代谢体系。许多微生物细胞工厂的构建由于引入多个基因或整条代谢途径,而可能导致代谢失衡、部分代谢中间产物积累等问题,需要使用一定的调控策略加以控制。以下对涉及多个基因作用的微生物细胞工厂中所使用的调控策略,分为若干层次进行了总结和探讨,并对今后多基因控制策略的发展方向进行了预测与展望。     

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。     

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.     

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.     

酿酒酵母转化木糖生产化学品的研究进展

木糖的有效利用是木质纤维素生产生物燃料或化学品经济性转化的基础。30年来,通过理性代谢改造和适应性进化等工程策略,显著提高了传统乙醇发酵微生物——酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae的木糖代谢能力。因此,近年来在酿酒酵母中利用木糖生产化学品的研究逐步展开。研究发现,酿酒酵母分别以木糖和葡萄糖为碳源时,其转录组和代谢组存在明显差异。与葡萄糖相比,木糖代谢过程中细胞整体呈现出Crabtree-negative代谢特征,如有限的糖酵解途径活性减少了丙酮酸到乙醇的代谢通量,以及增强的胞质乙酰辅酶A合成和呼吸能量代谢等,这都有利于以丙酮酸或乙酰辅酶A为前体的下游产物的有效合成。文中对酿酒酵母木糖代谢途径改造与优化、木糖代谢特征以及以木糖为碳源合成化学品的细胞工厂构建等方面进行了详细综述,并对木糖作为重要碳源在大宗化学品生物合成中存在的困难和挑战以及未来研究方向进行了总结与展望。     

酿酒酵母细胞器区室化合成化学品的研究进展

公认食品安全的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是合成生物学中被广泛研究的底盘细胞,常作为生产高值或大宗化学品的微生物细胞工厂。近年来,通过各种代谢工程改造策略,已有大量化学品的合成途径在酿酒酵母中建立并优化,且部分化学品具备了产业化价值。作为真核生物,酿酒酵母具有完整的细胞内膜系统及其组成的复杂细胞器区室,而这些细胞器区室往往含有某些化学品合成所必需的较高浓度前体底物(如线粒体中的乙酰辅酶A),或更加充足的酶、辅因子、能量等,可为目标产物的生物合成提供更适宜的物理、化学环境,但同时不同细胞器的结构特点有时也成为特定化合物合成的障碍。为此,研究人员在深入分析不同细胞器自身特点的基础上,结合目标化学品合成途径与细胞器之间的适配度,对细胞器开展了大量针对性改造工作以提高产物合成效率。本文详细综述了酿酒酵母中线粒体、过氧化物酶体、高尔基体、内质网、脂滴和液泡等细胞器的途径改造及优化策略,以及利用细胞器区室化合成化学品的研究进展,并对目前存在的困难和挑战以及未来研究方向进行了总结与展望。     

药用植物甾体生物碱的药理作用及合成途径

甾体生物碱是药用植物中广泛存在的一类代谢产物,是一类具有降压、止咳、平喘、抗肿瘤等生物活性的天然产物。目前,甾体生物碱的合成代谢途径、分离纯化、鉴别及生物学功能研究已成为国内外天然产物研究的热点之一。对药用植物甾体生物碱的药理作用进行了综述,并根据萜类物质合成途径,推测总结了甾体生物碱的合成相关途径和参与该途径的关键酶及其基因克隆的研究进展,以期为药用植物甾体生物碱的代谢途径与基因表达调控及应用研究提供参考。     

RNA-Seq高通量测序技术在果树功能基因组学研究的应用进展

RNA-Seq又称为"转录组测序技术",它能够从整体水平研究物种基因功能以及基因结构,揭示特定生物学过程。应用该项技术能有效地解决因果树基因组庞大等问题,有效地揭示和阐明植物体内次生代谢生物合成途径及代谢机制。主要论述了RNA-Seq技术的应用方法与流程,通过对测序数据的处理分析与比对等方法,分析了RNA-Seq技术在果树新基因挖掘、次生代谢产物合成途径的应用进展,基于RNA-Seq的高通量测序技术对于发现和揭示具有重要生物学功能和经济价值的次生代谢产物合成关键基因及其调控机制提供了可能。     

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.