适应性实验室进化技术在微生物育种中的应用进展

适应性实验室进化(Adaptive laboratory evolution,ALE)技术已成为微生物学基础研究和工业微生物育种的强大工具,被广泛用来研究影响菌株表型、性能和稳定性的进化潜力以及快速获取含有有益突变的工业生产菌株。近年来,随着基因组测序技术的进步,关于微生物新陈代谢机理和动力学方面的研究变得更加广泛和深入,这也极大促进了适应性实验室进化技术的快速发展。文中主要介绍了长期、短期适应性实验室进化技术在微生物育种方面的应用实例,并总结归纳了该技术在快速高效构建优良菌株过程中的方式与作用。最后分析了目前ALE技术面临的瓶颈问题及其可能的解决方法,以期能够为该技术的未来发展提供有价值的参考依据。     

体内连续进化技术的研究进展

实验室进化是遗传育种、提高微生物性能的重要方式。近几十年来,实验室进化的方法快速发展,应用也越来越广泛,但是常见的菌株进化策略以及针对特定蛋白的进化存在突变过程不连续,需要多轮操作、工作量大等缺点。微生物突变和筛选技术的进步促进了体内连续进化的发展,大大提高了实验室进化的效率。体内连续进化技术实现了体内突变,完美地把突变与筛选相结合,以最少的人工干预进化出特定表型。文中总结了近年来在微生物底盘中开发的基因组范围的体内连续进化技术,以及独立于基因组的针对特定蛋白的体内连续进化技术,主要对这些技术实现体内连续突变的原理及其相关应用进行了介绍。在此基础上,分析了现有技术的优缺点,并对体内连续进化技术的发展进行了展望。     

可控高突变率枯草芽孢杆菌工程菌株的构建及应用

【背景】适应性实验室进化是运用于菌株改良的定向进化方法之一。适应性进化已成功应用于扩大底物利用范围和提高底物(产物)耐受性。由于微生物存在错配修复机制,使得菌株自然突变率水平极低,实验室适应性进化周期长,容易导致传代过程染菌而失败。【目的】获得可控高突变率的枯草芽孢杆菌工程菌株。【方法】采用无痕等位基因置换系统,将枯草芽孢杆菌负责错配修复机制的MutSL操纵子进行启动子置换为严谨表达、可诱导的木糖启动子。【结果】通过向培养基中添加不同浓度诱导物,可控制工程菌株所需突变率水平。将高突变工程菌株应用于苯乙醇耐受性实验,结果表明高突变工程菌株相较于出发菌株,对毒性产物苯乙醇具有更好的适应性,更容易获得突变菌株。将该高突变工程菌株应用于对生长有较大抑制的底物粗甘油的适应性进化实验,筛选得到的进化菌株相比出发菌株具有更短的延滞期、更高的生物量以及更大的比生长速率。【结论】该高突变率工程菌株具有较好的可进化性和适应性,可应用于适应性进化实验,具有广泛的应用前景。     

适应性实验室进化在工业生产菌株选育中应用的进展

适应性实验室进化是一种在实验室里将微生物置于一定选择压力下,通过长期驯化,筛选获得具有特定表型突变菌株的方法.近年来,该方法通过改进特定进化条件和筛选策略,已广泛应用于筛选具有优良特性的工业生产菌株,如特定表型筛选、底物高效利用、目标产物合成及生长特性优化等工业微生物菌株选育.本文综述了适应性实验室进化技术在工业生产菌...     

微生物酸胁迫耐受性能强化的研究进展

微生物在发酵生产中常面临各种酸性物质的累积，由此造成的酸胁迫严重抑制了菌株的发酵活力和生产性能。因此，微生物在长期进化过程中，通过协调胞内的多个生理系统、代谢途径和调控网络形成了复杂的响应机制以应对低pH胁迫。工业微生物酸胁迫耐受性能的强化是提高其生产效率的关键手段。本文概述了近年来利用适应性实验室进化、预适应、基因组重排、基因工程、全局转录机制工程、系统生物学和合成生物学等方法提高微生物耐酸性能的研究进展，并讨论了相关研究面临的挑战和未来的发展方向。     

实验室适应性进化技术在光合蓝细菌底盘工程中的研究进展

蓝细菌是唯一可进行放氧光合作用的原核微生物,基于光合蓝细菌构建“自养型细胞工厂”具有广阔前景。但以蓝细菌作为底盘进行生物燃料及化学品的合成仍存在细胞耐受能力差、产量低等问题,导致实现工业化生产的经济可行性还比较低,亟需通过合成生物学等技术手段构建新的藻株。近年来,实验室适应性进化(adaptive laboratory evolution,ALE)已被用于底盘工程中,实现了优化生长速度、增加耐受性、加强底物利用和提高产品产量等目标。ALE在提高蓝细菌鲁棒性方面取得了一定进展,已获得了耐受高光、重金属离子、高盐和高浓度有机溶剂胁迫的进化藻株。但是,蓝细菌中的ALE策略效率相对较低,耐受各胁迫的分子机制并未阐释完全。本文综述了ALE相关技术策略及其在蓝细菌底盘工程中的应用,讨论了如何借鉴其他微生物中ALE手段,构建更大ALE突变文库、增加菌株的突变频率、缩短进化时间、探索多重胁迫耐受工程菌构建原则及研究策略等,高效解析进化菌株的突变体库,构建高产量、鲁棒性强的工程菌株等,以期未来促进蓝细菌底盘的改造及其工程菌的规模化应用。     

工业微生物：创新与突破专刊序言(2021)

工业微生物及其产品广泛用于工业、农业、医药等诸多领域,相关产业在国民经济中具有举足轻重的地位。高效的菌株是提高生产效率的核心,而先进发酵技术和仪器平台对充分开发菌株代谢潜能也很重要。近年来,工业微生物领域的研究取得了快速进展,人工智能、高效基因组编辑技术和合成生物学技术逐渐广泛使用,相关产业应用也在不断扩展。为进一步促进工业微生物在生物制造等领域的应用,《生物工程学报》特组织出版专刊,从微生物菌株的多样性和生理代谢、菌株改造技术、发酵过程优化和放大,高通量微液滴培养装备开发以及工业微生物应用等方面,分别阐述目前的研究进展,并展望未来的发展趋势,为促进工业微生物及生物制造等产业的发展奠定基础。     

基于工业环境扰动的微生物适应性进化

合成生物学技术的快速发展极大提升了微生物细胞工厂的构建能力,为化学品的绿色高效生产提供了重要策略。然而,微生物细胞难以耐受高强度工业环境、抗逆性差,成为了限制其生产性能的关键因素。适应性进化是一种人为施加定向选择压力,使微生物经过长期或短期驯化,获得适应特定环境的表型或生理性能的重要方法。近年来,随着微流控、生物传感器、组学分析等技术的发展,适应性进化为提升微生物细胞在工业环境下的生产性能奠定了基础。本文论述了适应性进化的关键技术及在提高微生物细胞工厂环境耐受性和生产效率方面的重要应用,并展望了适应性进化实现微生物细胞工厂在工业环境下高效运行的重要前景。     

耐受性工程调控微生物细胞工厂胁迫抗性

微生物细胞工厂的生产效率是由菌株生长性能、产品合成能力和胁迫抗性共同决定的,其中增强微生物细胞工厂的胁迫抗性是关键.耐受性工程基于微生物细胞工厂抵御胁迫压力的应激反应机制,通过巩固壁膜屏障增强胁迫防御能力,加快应激反应提高损伤修复能力,创制耐受进化工具筛选鲁棒性增强的工业微生物.文中分析归纳了耐受性工程的调控策略,并展...     

高通量测序技术在食品微生物研究中的应用

高通量测序技术的快速发展对食品微生物发酵过程和机制研究产生了深刻的影响,主要体现在食品微生物生理功能、代谢能力和进化的研究以及食品微生物群落结构、动态变化及其对环境的响应机制等方面。另外,通过对食品微生物基因组和元基因组进行数据分析,也对食品发酵过程优化、微生物功能改造、食源性微生物疾病预防和控制等提供了重要的依据。本文总结了近年来利用高通量测序技术对食品微生物基因组和元基因组进行测序的研究,并探讨了测序技术的发展对食品微生物研究的影响及发展趋势。     

Stability engineering of antibody single-chain Fv fragments

The application of single-chain Fv fragments (scFv) in medicine and biotechnology places great demands on their stability. Only recently has attention been given to the production of highly stable scFvs, and in a number of examples it was found that such fragments indeed perform better during practical applications. The structural parameters influencing scFv stability are now beginning to be elucidated. This review summarizes progress in rational and evolutionary engineering methods, the structural implications of these results, as well as some examples where stability engineering has been successfully applied.     

Metabolic engineering towards biotechnological production of carotenoids in microorganisms

Carotenoids are important natural pigments produced by many microorganisms and plants. Traditionally, carotenoids have been used in the feed, food and nutraceutical industries. The recent discoveries of health-related beneficial properties attributed to carotenoids have spurred great interest in the production of structurally diverse carotenoids for pharmaceutical applications. The availability of a considerable number of microbial and plant carotenoid genes that can be functionally expressed in heterologous hosts has opened ways for the production of diverse carotenoid compounds in heterologous systems. In this review, we will describe the recent progress made in metabolic engineering of non-carotenogenic microorganisms for improved carotenoid productivity. In addition, we will discuss the application of combinatorial and evolutionary strategies to carotenoid pathway engineering to broaden the diversity of carotenoid structures synthesized in recombinant hosts.     

GH79家族糖苷水解酶分子进化关系和蛋白结构研究

GH79家族的糖苷水解酶在碳水化合物改性、细胞免疫识别和信号传导等方面具有广泛的生理活性和重要的应用前景。然而,目前GH79家族的多样性催化机理仍不清楚,识别底物的结构基础和分子机制尚不清晰。本文总结了近几年GH79家族的研究进展,系统分析了GH79家族酶的来源与分布,通过对酶的序列特征、分子进化关系、蛋白结构解析等方面进行深入阐述,旨在为后续的GH79家族的蛋白质工程和功能催化机制的解析奠定基础。     

植物基因工程的应用与研究进展及潜在风险性分析

简要综述近年来植物基因工程在改善植物性状,提高植物抗性等遗传育种方面的应用与研究进展。重点介绍了植物基因工程的应用,如改良农产品品质,提高农作物抗病虫毒、抗除草剂、抗自然灾害的能力,开发疫苗等。分析了植物基因工程在农作物育种方面的应用前景及其潜在的风险性。     

Functional thresholds in evolutionary progress

Analysis of some phylogenetically important stages in the evolution of graptoloids, articulate brachiopods, and the earliest mammals suggests that large scale evolutionary progress did not proceed linearly but that biological improvement was stepwise, achieved by rapidly crossing successive functional thresholds which were interpolated between gradual morphological changes (here termed proximations ) towards the condition at which the structures became predisposed to the next threshold crossing. Crossing of many functional thresholds involved morphological discontinuities or functional instabilities that had to be bridged abruptly, over dithyrial populations. The principle of scalariform evolutionary progress is believed to be of fairly general application, but our current ability to analyse many critical evolutionary events in functional terms is still at a primitive stage because the functional significance of many important morphological changes are unclear. It is stressed that the evolutionary success of any 'hopeful monster' is determined at the population level, and that therefore, if extreme cases are discussed, the emphasis must be on 'monstrous families'.     

Biosynthetic engineering of nonribosomal peptide synthetases

From the evolutionary melting pot of natural product synthetase genes, microorganisms elicit antibiotics, communication tools, and iron scavengers. Chemical biologists manipulate these genes to recreate similarly diverse and potent biological activities not on evolutionary time scales but within months. Enzyme engineering has progressed considerably in recent years and offers new screening, modelling, and design tools for natural product designers. Here, recent advances in enzyme engineering and their application to nonribosomal peptide synthetases are reviewed. Among the nonribosomal peptides that have been subjected to biosynthetic engineering are the antibiotics daptomycin, calcium‐dependent antibiotic, and gramicidin S. With these peptides, incorporation of unnatural building blocks and modulation of bioactivities via various structural modifications have been successfully demonstrated. Natural product engineering on the biosynthetic level is not a reliable method yet. However, progress in the understanding and manipulation of biosynthetic pathways may enable the routine production of optimized peptide drugs in the near future. Copyright © 2016 European Peptide Society and John Wiley & Sons, Ltd.     

分子进化生物学中序列分析方法的新进展

简要介绍了分子进化生物学中序列分析方法的最新进展,特别强调了似然比检验和贝叶斯推论在分子进化和系统发育假说检验中的重要性,并介绍了新方法的一些成功应用,同时还给出了一些重要的信息资源。     

分子进化生物学中序列分析方法的新进展

简要介绍了分子进化生物学中序列分析方法的最新进展,特别强调了似然比检验和贝叶斯推论在分子进化和系统发育假说检验中的重要性,并介绍了新方法的一些成功应用,同时还给出了一些重要的信息资源。     

纤维素降解菌的研究与应用进展

本文介绍了纤维素降解菌的研究进展和纤维素基因工程菌的开发,以及纤维素降解菌在农业和工业的应用进展,为探索和应用纤维素降解菌提供了新方向和思路.     

Microbial pathway engineering for industrial processes: evolution, combinatorial biosynthesis and rational design

Microbial pathway engineering has made significant progress in multiple areas. Many examples of successful pathway engineering for specialty and fine chemicals have been reported in the past two years. Novel carotenoids and polyketides have been synthesized using molecular evolution and combinatorial strategies. In addition, rational design approaches based on metabolic control have been reported to increase metabolic flux to specific products. Experimental and computational tools have been developed to aid in design, reconstruction and analysis of non-native pathways. It is expected that a hybrid of evolutionary, combinatorial and rational design approaches will yield significant advances in the near future.