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。     

无细胞体系非天然蛋白质合成研究进展

无细胞非天然蛋白质合成作为蛋白质研究的新兴手段,已成功用于表征蛋白质分子间、蛋白质与核酸分子间相互作用等基础科学研究及医药蛋白、蛋白质材料等工业生产领域。无细胞非天然蛋白质合成系统不需维持细胞的生长,无细胞膜阻碍,可依据研究目的添加基因元件或化学物质从而增强工程设计和过程调控的自由性;也可赋予蛋白质新的特性、结构及功能,如可实现蛋白翻译后修饰、反应手柄引入、生物物理探针及多聚蛋白质合成等。文中系统地综述了目前应用于无细胞蛋白质合成系统中的非天然氨基酸嵌入方法,包括全局抑制及基于正交翻译体系的终止密码子抑制、移码抑制、有义密码子再分配和非天然碱基等方法的研究进展,及非天然氨基酸在蛋白质修饰、生物物理探针、酶工程、蛋白质材料以及医药蛋白质生产等领域的应用进展,并分析了该体系的发展前景及广泛工业化应用的机遇与挑战。     

天然甲醇化学品细胞工厂改造进展与展望

甲醇因具有生产工艺成熟、价格低廉和可再生等优点,被认为是下一代生物制造的核心原料之一。通过构建高效的微生物细胞工厂将甲醇转化为化学品已经成为绿色生物制造行业的研究热点。本文聚焦天然甲醇细胞工厂,对非天然甲醇细胞工厂和天然甲醇细胞工厂进行了比较,讨论了天然甲醇细胞工厂存在的关键问题和挑战,综述了近年来围绕这些问题对天然甲醇细胞工厂进行改造的研究进展,并进一步展望了可能的解决方案,为未来天然甲醇细胞工厂的改造提供了可行的研究策略。     

非常规酵母细胞工厂合成天然产物

天然产物在医药、美容、食品等行业具有重要的应用,随着人们需求的增加,迫切需要绿色可持续的生产过程.近年来,微生物细胞工厂合成天然产物发展迅速,目前常用的细胞工厂宿主包括大肠杆菌和酿酒酵母.与此同时,非常规酵母因其性状独特,如高密度有氧发酵、耐受温度和pH范围广,底物谱广泛(长链糖、脂肪酸、甲醇等),逐渐成为极具潜力的细...     

基于古菌酪氨酰tRNA合成酶非天然氨基酸插入的研究进展

构筑蛋白质的编码信息存在于高度保守的密码子表中,而生物体仅利用20种天然氨基酸,就能排列组合出不同的蛋白质来行使多种生物学功能。通过合成生物学的飞速发展,使得在蛋白质合成中可控地引入非天然氨基酸成为可能。这极大地拓展了蛋白质的结构和功能,并为生物学工具的开发和生物生理过程的研究提供了便利。具有活性基团的非天然氨基酸可以广泛地应用于蛋白质结构研究、蛋白质功能调控以及新型生物材料构建和医药研发等诸多领域。基因密码子拓展技术利用正交翻译系统,通过重新分配密码子改造中心法则,可以在蛋白质的指定位点引入非天然氨基酸。系统地介绍了目前提升密码子拓展技术插入非天然氨基酸效率的方法,包括tRNA以及氨酰tRNA合成酶的各种突变方法和翻译辅助因子的改造。汇总了利用古细菌酪氨酰tRNA合成酶插入的非天然氨基酸和突变位点并总结了密码子拓展技术在生物医药领域的前沿进展。最后讨论了该项技术目前所面临的挑战,如可利用的密码子数量不多、正交翻译系统的种类有限和非天然氨基酸多插效率低下。希望能够帮助研究者建立适合的非天然氨基酸插入方法并推动密码子拓展技术进一步发展。     

应用基因组工程构建新型大肠杆菌细胞工厂

基因组工程（genome engineering）是指为了实现某一目标对复制系统进行有意地、广泛地遗传修饰。大肠杆菌作为常用细胞工厂之一,在生物制造领域应用广泛,已成为合成生物学的主要研究对象。应用基因组工程改造大肠杆菌可以进一步拓展其应用范围。介绍了基因组工程最新技术发展,如基因组整合、染色体进化、多元自动化基因组工程、可寻迹多元重组工程等,及其在改造大肠杆菌提高其生产能力、稳定性及环境耐受能力等方面的研究进展。     

非天然氨基酸及非天然蛋白合成的研究进展

非天然氨基酸是天然氨基酸的衍生物,其具有重要的生理和药理功能.由非天然氨基酸合成的非天然蛋白同样具有特别的功能与活性.非天然氨基酸插入蛋白质中的研究为新型生物材料和蛋白质药物等的合成和应用提供了新的指导方向.基于此,本文综述了非天然氨基酸的生物合成方法,分析了非天然氨基酸生物合成目前存在的难点,总结了非天然氨基酸插入蛋...     

合成生物学时代基于非模式细菌的工业底盘细胞研究现状与展望

工业微生物底盘细胞的开发将为工业生物技术的发展提供优良的细胞工厂,有利于实现环境保护及经济可持续发展.基于合成生物学\"设计-构建-测试-学习\"(Design-Build-Test-Learn,DBTL)策略,对底盘细胞进行多维度的理性或半理性改造是实现\"建物致知\"以及\"建物致用\"目标的重要手段.文中简述了合成生物学DB...     

微生物化学品工厂专刊序言

微生物化学品工厂以工程化设计理念,通过最优合成途径设计、生化网络重构、新元件创制及与途径-细胞-环境适配,重塑自然生产线,实现化学品的精准、定量、高效合成。作为一种颠覆性化学品生产新模式,微生物化学品工厂对构建工业经济发展的可再生原料路线、推进物质财富的绿色增长具有重大意义,成为发达国家科技竞争和产业发展的重点。为了集中展现微生物化学品工厂领域取得的最新进展,并促进生物制造产业的快速进步,《生物工程学报》特组织出版“微生物化学品工厂”专刊,汇集了国内科研工作者在材料单体、医药中间体、功能食品配料、有机酸生物合成以及非粮原料开发利用方面的最新研究成果,为微生物化学品工厂的高质量发展提供借鉴与指导。     

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。     

Derivatives of N-amidinoproline and their use in conventional and solid phase peptide synthesis

N-Amidinoproline, a hybrid structure modeling key features of the Arg-Pro sequence, was synthesized. The activation of carboxyl group of free N-amidinoproline was found to result in the formation of a cyclic side product, whose structure was confirmed by ESI MS, ¹H NMR, and ¹³C NMR spectra. The preparation of N-(mesitylenesulfonylamidino)-L-proline using the mesitylenesulfonyl derivative of 2-methylisothiourea was demonstrated to be accompanied by partial racemization. The target product was synthesized by modification of N-amidinoproline by mesitylenesulfonyl chloride. The possibility of using N-amidinoproline in the N-terminal modification of a peptide chain was shown by the example of synthesis of an analogue of the 95–98 fragment of fibrinogen α chain.     

代谢工程发展30年

代谢工程学科建立30年以来先后与分子生物学、系统生物学和合成生物学发生深度的交叉融合,并在此基础上获得了飞速发展,极大地促进了生物技术产业的进步和升级.文中首先基于SCI论文发表情况对30年来代谢工程学术研究现状和我国在该领域的地位和影响力进行了分析,随后总结了近10年来系统生物学方法和合成生物学的主要使能技术在代谢工...     

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.     

氨基酸高产菌株创制的关键技术

氨基酸是构成蛋白质的基本单元,被广泛应用于食品、医药、饲料和化工等多个领域。利用微生物细胞工厂生产氨基酸,具备原料可再生、生产过程条件温和、产品纯度高、环境污染小等优点,能够助力实现碳中和。借助代谢工程和合成生物学技术,对大肠杆菌(Escherichia coli)和谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)进行定向设计、改造与优化,创制了高产氨基酸的微生物细胞工厂,实现了支链氨基酸、天冬氨酸族氨基酸、谷氨酸族氨基酸和芳香族氨基酸的生物炼制。本文对高产氨基酸的大肠杆菌细胞工厂和谷氨酸棒杆菌细胞工厂创制过程进行分析,以期对高性能微生物细胞工厂的创制提供参考。