基于糖原代谢调控的蓝细菌光合细胞工厂优化研究进展

蓝细菌是重要的光合自养微生物,也是最具潜力的光合微生物底盘之一,被广泛应用于光驱固碳细胞工厂的开发.糖原是蓝细菌最重要的天然碳汇物质,糖原代谢对蓝细菌光合碳流的分配和调控具有重要意义.为了优化蓝细菌光合细胞工厂的合成效能,驱动更多的光合碳流重定向至目标代谢产物的合成,已经有多种策略和方法被成功开发用于调控蓝细菌的糖原代...     

蓝细菌细胞工厂合成聚合物单体的研究进展

蓝细菌是当前合成生物学研究的热门底盘生物之一,是光合自养底盘微生物的典型代表.随着化石资源的逐渐枯竭和碳排放所导致的全球变暖问题的加剧,以CO2为碳源的蓝细菌细胞工厂的研究又迎来了一次新的浪潮.长期以来,人们对于蓝细菌细胞工厂的关注点主要是在生物能源的生产,比如液体燃料及氢气等.蓝细菌细胞工厂研究的主要瓶颈之一是其低效...     

应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘

光合蓝细菌具有一系列良好的特质,包括利用太阳能固定CO2、营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等.近年来,光合蓝细菌作为生产可再生燃料和精细化学制品的“自养型人工细胞工厂”引起了社会的广泛关注,促进了相关研究的升温.目前在应用合成生物学的技术和研究策略来优化光合蓝细菌作为底盘生物等方面已取得了一些令人鼓舞的进展.文中综述了近年来在光合蓝细菌底盘优化的方法、光合效率的提高以及各种耐受性蓝细菌底盘的构建方面的进展,并对光合蓝细菌底盘构建的工业应用价值进行了讨论.     

应用合成生物学构建蓝细菌细胞工厂的研究进展

蓝细菌是一类能进行放氧光合作用的原核微生物,具有生长速度快、光合效率高、易于基因遗传操作等特点。它们能够将捕获的光能和二氧化碳转化为生物能源分子,在解决当前社会面临的能源紧缺和环境污染等问题上有着重要的理论和应用研究价值。近年来,随着合成生物学的迅猛发展,构建以蓝细菌为底盘的“人工细胞工厂”用于合成各类生物能源和精细化学产品取得了令人瞩目的成绩。重点介绍了应用合成生物学构建蓝细菌细胞合成工厂的研究进展,并对“光合自养型细胞工厂”面临的两大问题——产物毒性问题以及细胞内氧化胁迫问题进行了重点讨论。     

蓝细菌基因组拷贝数的研究进展与展望

蓝细菌是一类古老的光合原核微生物。就基因组拷贝数(倍性)而言,蓝细菌是原核生物中基因组低、中、高拷贝共存的典型类群之一,而基因组多拷贝特性是制约蓝细菌高效遗传改造的瓶颈。已有研究表明,蓝细菌的基因组拷贝数表现出生长周期的依赖性并受多种遗传、环境因子的影响。文中综述了蓝细菌基因组拷贝数的国内外最新研究进展、分析方法及影响因素,并讨论了蓝细菌基因组多拷贝研究的环境生态和生物技术意义。最后,对未来蓝细菌基因组拷贝数相关的研究方向作出展望。     

蓝细菌固碳合成乳酸技术的发展与展望

乳酸是一种重要的工业化学品,被广泛应用于各个行业。近年来,随着聚乳酸(PLA)市场的兴起,乳酸原料的需求也在不断增加。糖基异养生产乳酸所带来的高昂成本与市场需求的矛盾吸引着研究人员积极寻找其他有利的解决方案。蓝细菌光合固碳生产乳酸是一种潜力巨大的新型原料供应策略,基于光合自养的细胞工厂,可以在单一平台上以太阳能为驱动力,从二氧化碳中直接生产出高光学纯度的乳酸。该方法原料廉价易得、过程简单可控、产物明确且易分离,同时达到节能减排和高附加值产品生产的双重效果,具有重要的研究与应用价值。文中回顾了蓝细菌固碳产乳酸技术的发展历程,从代谢基础、代谢工程策略、代谢动力学分析与技术应用等方面,梳理其研究进展和所遇到的技术难点,并对该技术的未来进行展望。     

蓝细菌光驱固碳合成蔗糖技术的发展与展望

生物炼制技术体系是缓解能源和环境危机,推动社会可持续发展的重要选择,而充足的糖原料供应是生物炼制的基础。蓝细菌光驱固碳合成蔗糖是一种潜力巨大的新型糖原料供应路线。基于高效的蓝细菌光驱固碳细胞工厂,可以在单平台上以太阳能为驱动将二氧化碳和水直接转化为蔗糖,过程简单、产品明确、易于提取,而且可以同时达到固碳减排和供应糖原料的效果,具有重要的研究和应用价值。本文回顾了蓝细菌光驱固碳合成蔗糖技术的发展现状,从合成机制、代谢工程策略、技术延伸应用等层面对其最新进展和所遇到的问题进行了总结介绍,并对该技术未来发展方向进行了展望。     

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。     

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.     

全细胞网络重建与细胞工厂设计

在各种组学及其相应的网络研究相对成熟的基础上,集成各组学网络的细胞整合型网络或全细胞网络将大大提高对生物表型的预测能力,并成为代谢工程决策的有力武器.本文在阐述了细胞工厂设计中应该考虑细胞整合网络之后,综述了细胞整合网络的重建、分析、设计方法方面的有关问题,并进一步就研究细胞整合网络涉及的数据库、软件平台、并行计算几方面的作用作了介绍.     

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。     

生产聚羟基脂肪酸酯的微生物细胞工厂

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类由微生物合成的、生物可再生、生物可降解、具有多种材料学性能的高分子聚合物,在很多领域有着广泛的应用前景。以下从辅酶工程、代谢工程、微氧生产等方面综述了微生物法生产PHA的研究进展,并对利用PHA合成基因提高基因工程菌的代谢潜能进行了讨论。     

Engineering the plant cell factory for secondary metabolite production

Plant secondary metabolism is very important for traits such as flower color, flavor of food, and resistance against pests and diseases. Moreover, it is the source of many fine chemicals such as drugs, dyes, flavors, and fragrances. It is thus of interest to be able to engineer the secondary metabolite production of the plant cell factory, e.g. to produce more of a fine chemical, to produce less of a toxic compound, or even to make new compounds, Engineering of plant secondary metabolism is feasible nowadays, but it requires knowledge of the biosynthetic pathways involved. To increase secondary metabolite production different strategies can be followed, such as overcoming rate limiting steps, reducing flux through competitive pathways, reducing catabolism and overexpression of regulatory genes. For this purpose genes of plant origin can be overexpressed, but also microbial genes have been used successfully. Overexpression of plant genes in microorganisms is another approach, which might be of interest for bioconversion of readily available precursors into valuable fine chemicals. Several examples will be given to illustrate these various approaches. The constraints of metabolic engineering of the plant cell factory will also be discussed. Our limited knowledge of secondary metabolite pathways and the genes involved is one of the main bottlenecks. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

微生物木糖发酵产乙醇的代谢工程

利用木质纤维素发酵生产乙醇具有广泛的应用前景。而自然界中缺少有效转化木糖为乙醇的微生物是充分利用纤维素水解产物、提高乙醇产率、降低生产成本的关键因素。多年来研究者利用分子生物学技术对微生物菌株进行了代谢工程改造,使其能更有效地利用木糖生产乙醇。以下主要对运动发酵单胞菌、大肠杆菌和酵母等候选产乙醇微生物的木糖代谢工程研究进展进行了概述。     

Conversion of carbon dioxide into valencene and other sesquiterpenes with metabolic engineered Synechocystis sp. PCC 6803 cell factories

Valencene is a natural sesquiterpene with desirable bioactivity and aroma, making it a valuable ingredient in the food and cosmetics industries. Traditionally, valencene was extracted from the citrus fruits, and its applications were restricted by the low concentrations in natural sources and high costs for extraction. Photosynthetic biomanufacturing represents a promising route for efficient and stable production of valencene, while cyanobacteria have been considered one of the most promising platforms regarding biotechnological routes for the direct conversion of CO₂. In this work, we engineered Synechocystis sp. PCC 6803 to synthesize valencene. By introducing a heterologous valencene synthase and modifying the native MEP pathway, we obtained an efficient cyanobacterial cell factory that produced 154 mg/L valencene during a semi-continual cultivation, with an average productivity of 4.3 mg/L/day, and the cell factory exhibited robust growth and production in non-sterilized conditions. We also achieved the production of other sesquiterpenes including bisabolene, amorpha-4,11-diene, farnesene, and nerolidol by engineered cyanobacteria with enhanced MEP pathway flux, showing promising potentials as a universal chassis.     

典型产纤维小体梭菌的遗传改造及其在纤维素乙醇中的应用研究进展简

以解纤维梭菌（ Clostridium cellulolyticum）和热纤梭菌（ Clostridium thermocellum）为代表的产纤维小体梭菌可以直接完成从木质纤维素原料到乙醇的生物转化,是用于通过整合生物加工技术生产纤维素乙醇的优良候选菌株。然而,这些产纤维小体梭菌的纤维素降解效率及乙醇产量尚不能满足工业化生产的要求,其遗传改造技术的不成熟严重制约了通过定向代谢工程改造提高生产性能的进程。针对这些典型的产纤维小体菌株,各国科学家近年来在基于二类内含子的嗜中温及嗜高温遗传改造平台建立方面取得了较大突破,并通过靶向代谢工程改造,显著提高纤维素乙醇的产量。笔者对这些前期研究工作以及国内外相关研究成果进行系统的总结,并对构建的遗传改造工具的应用前景进行展望。