甲基营养菌代谢网络途径和代谢工程改造的研究进展

一碳化合物(甲醇或甲烷)高值化转化是当前生物工程领域的重要研究热点。甲基营养菌是一类以甲醇为碳源和能源生长的革兰氏阴性菌,随着基因组测序的开展和各类组学技术的发展,以扭脱甲基杆菌为代表的甲基营养菌的中心代谢网络途径和相关功能基因逐渐明晰。近年来,甲基营养菌中包括基因过表达、基因敲除整合等遗传操作工具的完善以及各种基因调控元件的开发,为甲基营养菌的底盘改造和异源途径优化表达提供了重要基础,国内外的研究推动了甲醇转化成多种高附加值产品。此外,人们渴望利用传统基因工程菌作为底盘构建合成型甲基菌,以期更高效实现甲醇催化转化。本文中,笔者综述了目前甲基营养菌,尤其是扭脱甲基杆菌的代谢网络特点、代谢工程改造策略与应用以及构建合成型甲基细菌这3个方面的研究进展,以期为甲基微生物催化转化的研究提供借鉴。     

兼性甲烷氧化菌的发现历程

兼性甲烷氧化菌在新陈代谢上具有独一无二的特性:它们能够利用甲烷或一些含碳碳键的有机物作为唯一碳源和能源.甲基细胞菌属(Methylocella)、甲基孢囊菌属(Methylocystis)和甲基帽菌属(Methylocapsa)的一些菌株已经被确定为兼性甲烷氧化菌.它们都属于a-变形菌纲,能够像利用甲烷一样在大分子有机酸或乙醇里生长.本文全面系统地总结了兼性甲烷氧化菌的研究发展历史,推断出兼性甲烷氧化菌易在酸性环境富集生长;介绍了与之有相近功能的兼性甲烷氧化生物;浅析了其对多碳化合物的代谢机理;最后讨论了兼性甲烷氧化菌研究的现存问题和工程应用前景.     

高等植物中一碳化合物代谢研究进展

高等植物中一碳(C1)化合物的代谢主要包括甲醇代谢、甲醛代谢和甲酸代谢等,它们是高等植物一碳单位代谢的重要组成部分.由于C1化合物的代谢机制复杂、代谢规模非常小、参与代谢反应的酶和中间产物的含量低且不稳定等特点,相关研究报道很有限.现代生化和分子遗传学方法的综合使用使得人们对参与植物中C1化合物代谢的酶和基因有了一定程度的了解,该文主要综述了近年来有关高等植物中内源和外源C1化合物甲醇、甲醛和甲酸的来源和代谢途径方面的研究进展,并提出了该研究领域目前存在的问题和今后的研究方向.     

基于过程模型的青藏高原湿地甲烷排放格局评估

甲烷(CH_4)是大气中最丰富的碳氢化合物,是仅次于二氧化碳(CO_2)的温室气体。湿地是甲烷的重要来源,在全球碳循环中发挥着重要作用,其排放的甲烷占所有天然甲烷排放源的70%,占全球甲烷排放总量的24.8%。青藏高原平均海拔4000 m以上,占有中国约三分之一的湿地。近几十年来,由于全球气候变暖和降水增加,该地区甲烷排放率和湿地面积都发生着巨大变化,因此,青藏高原湿地CH_4排放的长期变化在很大程度上仍存在较大的不确定性。利用TRIPLEX-GHG模型模拟了青藏高原湿地1978—2008年CH_4排放的动态特征,研究结果表明:(1)1978—2008年青藏高原湿地CH_4排放速率呈逐渐增加趋势。(2)青藏高原大多数湿地区域CH_4排放速率为0—6.13 g CH_4 m~(-2 )a~(-1);东北部分湿地区域CH_4排放速率为6.14—20.19 g CH_4 m~(-2 )a~(-1);较高的CH_4排放速率分布于青藏高原南部湿地区域,为56.14—74.97 g CH_4 m~(-2 )a~(-1)。(3)青藏高原湿地CH_4排放量在1978、1990、2000年和2008年分别为0.21、0.23、0.27和0.32 Tg CH_4 a~(-1)。在1978—1990年,尽管CH_4排放速率增加,但湿地面积减少,因此这一时期青藏高原湿地CH_4排放量并未发生明显变化。随后由于降水增加和冰川融化,使得湿地面积逐渐增加,青藏高原湿地CH_4排放量也呈现增加趋势。     

张掖湿地甲烷通量动态特征及其影响因子

于2012年7月—2014年6月对地处干旱区的张掖湿地甲烷(CH_4)通量进行观测,分析其CH_4通量的变化特征及其影响因子。结果表明:CH_4通量的日变化趋势总体表现为白天大于夜间;不同季节CH_4通量排放特征差异明显,夏季最大,春秋次之,冬季最小;CH_4通量日总量与空气温度、土壤温度之间指数相关关系显著,其中4 cm处土壤温度与之相关性最强;1—6月摩擦风速(U*)与CH_4通量显著正相关;结合CO_2通量观测数据,研究时段张掖湿地净碳吸收量为495.92 g C m~(-2)a~(-1),为明显碳汇。     

一碳气体利用微生物及其基因工程改造

一碳气体主要包括CO、CO_(2)和CH_(4)等,这些气体来源于陆地生物活动、工业废气以及气化合成气等,其中CO_(2)与CH_(4)是温室气体,对全球气候变化有着重要的影响。利用微生物进行一碳气体生物转化既可以解决废气排放的问题,又能生产燃料及多种化学品。近年来,运用CRISPR/Cas9等基因编辑技术对一碳气体利用微生物进行改造,是提高它们的产物得率、增加产物类型的重要途径。本文主要围绕甲烷营养菌、自养乙酸菌、一氧化碳营养菌等一碳气体利用微生物,综述了其生物学特性、好氧和厌氧代谢途径、代谢产物,以及常用的基因编辑技术(利用同源重组的基因中断技术、二类内含子ClosTron法、CRISPR/Cas基因编辑及以噬菌体重组酶介导的DNA大片段引入等)在它们中的应用,为后续相关研究提供参考。     

甲醇对植物的作用及其生理机制

甲醇是植物生长发育和代谢过程中体内产生的最简单的一碳化合物之一,与植物的很多生理过程(如光合作用、C1-四氢叶酸和某些植物激素生物合成以及植物耐逆性等)密切相关。本文对近年来国内外有关植物中甲醇的产生与释放途径、体内代谢、外施甲醇对植物的效应及其生理机制等方面研究进行了综述,并提出存在的问题和今后研究方向。     

维西香茶菜的二萜成分

维西香茶菜Rabdosia weisiensis C. Y. Wu产云南西北部海拔2600米沟谷中,其化学成分的研究未见报道。从该植物叶的乙醚提取物中,分得两个二萜成分,一为已知成分trichorabdal A(2),一为新成分,命名为维西香茶菜甲素weisiensin A(1)。 维西香茶菜甲素weisiensin A(1),C_(26)H_(36)O_9,mp 298—300℃,其~(13)C NMR谱显示存在三个CH_3,三个CH_2,八个CH,三个四取代碳,三个Ac,二个烯碳和一个羰基     

化工上的应用

采用胨或酪蛋白氨基酸作氮源,可使一种新的甲基球菌(Methylococcus)菌种SIM222(FERM BP-1470)能在甲烷中生长。提供了一种生产含氧化合物(例如异丙醇、异丁醇)的方法。该法是在25～55℃的需氧条件下,使甲基球菌 SM-222与含有至少2个碳原子(如烷烃、烯烃、醚、脂肪族、芳香族和杂环化合物)的可氧化有机化     

施用甲醇刺激矮牵牛的生长效应与其代谢关系初探

大量研究表明施用甲醇能够促进多种植物的生长,在甲醇刺激植物生长的机理中,支持碳源假说的证据最多。该研究通过考察矮牵牛甲醇代谢与甲醇刺激其生长的相关性,对碳源假说进行验证。结果表明:(1)在MS固体培养基上添加2和6mmol/L CH3OH均可促进矮牵牛的生长和叶绿素含量增加,但2mmol/L CH3OH(低浓度)效果好于6mmol/L(高浓度),而且添加6mmol/L CH3OH会诱发较强的氧化胁迫。(2)进一步用13 C-NMR分析矮牵牛对不同浓度13 CH3OH的代谢作用发现,6mmol/L 13 CH3OH处理矮牵牛中[U-13 C]Fruc和[U-13 C]Gluc的生成量显著大于2mmol/L 13 CH3OH处理,即来自甲醇的碳源在代谢过程中虽被卡尔文循环同化为糖类物质,但这部分碳源对甲醇刺激矮牵牛的生长贡献不大。这些证据表明CH3OH代谢与其刺激矮牵牛生长的效果没有关联性,该实验结果不支持碳源假说。     

小兴安岭天然森林沼泽湿地生态系统碳源/汇

采用静态箱-气相色谱法与相对生长方程法,同步测定小兴安岭7种天然沼泽湿地(草丛沼泽-C、灌丛沼泽-G、毛赤杨沼泽-M、白桦沼泽-B、落叶松苔草沼泽-L-T、落叶松藓类沼泽-L-X、落叶松泥炭藓沼泽-L-N)的土壤呼吸(CO_2、CH_4)净碳排放量、植被年净固碳量,并依据生态系统净碳收支平衡,揭示温带天然沼泽湿地的碳源/汇作用规律。结果表明:(1)7种天然沼泽CH_4年通量(0.006—7.756 mg m~(-2)h~(-1))呈M(高于其他类型1.0—1291.7倍,P0.05)C、G、B(高于针叶林沼泽17.7—649.0倍,P0.05)针叶林沼泽变化趋势,其季节动态存在3种类型(C、G单峰型、M、B多峰型及针叶林沼泽排放与吸收交替型);(2)其CO_2年通量(157.40—231.06 mg m~(-2)h~(-1))呈G(高于森林沼泽28.7%—46.8%,P0.05)C(高于森林沼泽7.4%—22.5%,P0.05)森林沼泽的变化趋势,其季节动态存在2种类型(C、G、L-X和L-N双峰型和M、B、L-T单峰型);(3)C、G、M、B、L-N CH_4排放仅受0—40 cm不同土壤层温度所控制;7种天然沼泽土壤CO_2排放均受气温及0—40 cm不同土壤层温度所控制,但B、L-X、L-N受温度与水位综合控制;(4)其植被年净固碳量((2.05±0.09)—(6.75±0.27)t C hm-2a-1)呈C(高于其他类型65.4%—229.3%,P0.05)G、B、L-T、L-X、L-N(高于M 80.0%—99.0%,P0.05)M变化趋势;(5)7种天然沼泽的碳源/汇(-2.32—2.09 t C hm-2a-1)作用不同,C、B和L-N为碳吸收汇(C强汇、B和L-N弱汇),M、G、L-T和L-X则为碳排放源(M、G强源、L-T和L-X弱源)。因此,温带小兴安岭草丛沼泽为碳强汇、灌丛沼泽为碳强源、森林沼泽基本维持碳平衡(除M外)。     

稻曲球脂溶性成分及其抗细菌和抗氧化活性

采用水蒸气蒸馏法从稻曲球甲醇提取物的石油醚萃取部分制备出油状物,得率为稻曲球干重的0.36%。用GC-MS鉴定出14个成分,主要成分为10,13-十八碳二烯酸甲酯(37.31%)、14-甲基十五烷酸甲酯(30.09%)、(Z,Z)-9,12-十八碳二烯酸(15.63%)、棕榈酸(10.52%)和十八烷酸甲酯(5.54%)。从石油醚萃取部分还分离到3个化合物,经理化和波谱分析鉴定为油酸(1)、正四十烷(2)和麦角甾-5,7,22-三烯-3-醇(3)。化合物3对黄瓜角斑病菌等4种供试细菌表现出较强的抑制活性,化合物1和2以及油状物表现出一定的抗氧化活性。这是首次对稻曲球中脂溶性成分及其抗细菌和抗氧化活性的报道。     

海洋真菌Rhizopus sp.2-PDA-61化学成分的研究(英文)

从海洋真菌根霉2-PDA-61中共发现6个已知化合物,其中包括2个细胞毒活性的环五肽(1和2)和4个苯的衍生物(3~6)。通过波谱学数据分析和与已知化合物数据比较,这些化合物分别被鉴定为malformin C(1)、malformin A1(2)、2,5-二羟基苯乙酸甲酯(3)、对羟基苯乙醇(4)、对甲基苯乙醇(5)和对苯二甲醚(6)。化合物1和2对P388细胞系表现出中等强度的细胞毒活性,IC50值分别为1.8μM和4.2μM。     

不同施肥处理对土壤活性有机碳和甲烷排放的影响

通过采集田间试验区连续3a施入有机肥的稻田耕层土壤,分析土壤中微生物量碳(MBC)、水溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)和可矿化有机碳(readily mineralizable carbon,RMC)等活性有机碳的含量,稻田甲烷(CH_4)的排放通量,探讨施用有机肥的土壤活性有机碳变化及与CH_4排放的关系。研究结果显示:(1)施有机肥对土壤中的活性有机碳均有一定的促进作用。3a不同施肥处理土壤中DOC、ROC、MBC和RMC的平均含量分别为383.6、2501.2、640.4 mg/kg和291.7 mg/kg。3a施猪粪(猪粪+化肥,PM)、鸡粪(鸡粪+化肥,CM)和稻草(稻草+化肥,RS)的DOC的含量分别比化肥(CF)处理增加5.6%、6.7%和19.3%,ROC的含量分别比CF增加6.6%、8.4%和9.8%;MBC含量分别比CF增加5.1%、14.8%和21.5%,RMC增加6.8%、22.0%和33.9%。不同施肥处理的稻田土壤活性有机碳为分蘖期高于成熟期。(2)施肥处理显著增加稻田CH_4排放,CH_4分蘖期的排放通量是成熟期的143倍,3a PM、CM和RS处理的CH_4排放分别比CF处理增加37.0%(P0.05)、92.7%(P0.05)和99.4%(P0.05)。(3)不同施肥处理的DOC、ROC、MBC和RMC含量与CH_4排放通量均存在显著正相关关系,ROC与CH_4排放的相关系数最高,为0.754(P0.01),且4种有机碳间关系密切。稻田分蘖期土壤中的活性有机碳与稻田CH_4排放呈显著正相关关系。(4)综合分析,在4种有机碳中,土壤中ROC和MBC的含量直接影响CH_4排放。     

甲烷氧化菌素的产生和铜捕获作用

甲烷氧化菌素(mb)是由甲烷氧化菌产生的与铜捕获和吸收有关的生物螯合剂。采用NMS/CAS-Cu劈半平板法检测发现甲基弯菌 Methylosinus trichosporium IMV3011在以甲烷和甲醇为碳源时均具有向外界分泌mb的能力。甲基弯菌 Methylosinus trichosporium IMV3011在限铜胁迫下能够在培养介质中积累mb,甲醇为碳源时mb的积累量明显高于甲烷为碳源时mb的积累量,推测mb的合成与细胞中NADH含量有关。mb的专一性研究发现从甲基弯菌 Methylosinus trichosporium IMV3011发酵上清液中分离到的mb能够提高其它3种甲烷氧化菌由无铜培养基向含铜培养基转移时的pMMO活性的表达,并明显缩短它们由无铜培养基转移到含铜培养基时生长的延滞期,提高生长速度。表明其它3种甲烷氧化菌同样能够吸收来自于甲基弯菌Methylosinus trichosporium IMV3011的mb捕获的铜。     

三株大兴安岭森林凋落物真菌中次生代谢产物及其抗菌活性研究CSCD

本研究采用天然产物分离技术从大兴安岭森林凋落物真菌SGSF622(Berkleasmium sp.)、SGSF289(Oidiodendron sp.)和SGSF062(Parapyrenochaeta sp.)的提取物中获得8个天然产物,经核磁共振、质谱对这些化合物进行了结构鉴定,分别为1-甲氧基-Sch53825(1)、3,4-二羟基-10-甲基-2-亚甲基十六碳-9-烯酸(2)、3,3-二-(3-吲哚)丙烷-1,2-二醇(3)、环(D-色-L-脯)二肽(4)、6-demethylkigelin(5)、lignicol(6)、indole-3-carboxaldehyde(7)和N-(5-amino-2-hydroxy-1-oxopentyl)-tyrosine(8),其中化合物1和化合物2为新化合物。抗菌活性结果显示,化合物2和3具有明显的抗菌活性,其中化合物2活性最强,抗青枯劳尔氏菌(Ralstonia solanacearum)MIC值为7.81μg/mL。     

木霉菌KK19L1发酵液中的一个新化合物

对菌株Trichoderma sp.KK19L1液体发酵,在该菌发酵液的乙酸乙酯层分离得到三个化合物,运用1H NMR、13C NMR和HR-ESI-MS等光谱学方法并参考相应的文献,确定其结构分别为(E)-3-acetylbenzyl but-2-enoate(1)、1-羟基-6-甲基-9,10-蒽醌(2)、2-甲基-3-羟甲基-5-羟基-7-甲氧基色原酮(3),其中化合物1为新的化合物,化合物3为首次在该菌株中分离得到。     

不同生长温度对烟草叶片黄酮类化合物含量及其代谢途径的调控

本研究以生长在3个不同温度(均温18.5℃,均温23.5℃,均温28.5℃)人工气候室中的"云烟87"为材料,运用液相色谱质谱联用法、分光光度法和荧光定量PCR法,研究了不同生长温度对烟叶生长发育过程中黄酮类化合物芸香苷和山奈酚-3-O-芸香苷含量、代谢相关酶活性及相关基因表达的影响。结果表明:随着烟草叶片的生长发育,黄酮类化合物代谢相关基因表达呈先降低后升高的趋势,从而调控了黄酮类化合物代谢相关酶活性的变化趋势为先降低后升高,使得黄酮类化合物中的芸香苷含量变化趋势为先降低后升高,山奈酚-3-O-芸香苷的含量则呈逐渐降低的趋势。此外,与生长在较高生长温度(均温23.5℃和均温28.5℃)下的叶片相比,较低生长温度(均温18.5℃)上调了烟草叶片类黄酮代谢相关基因PAL、C4H、4CL、CHS、F3H、F3'H和FLS的基因表达,提高了类黄酮代谢关键酶PAL、C4H、4CL和CHI的活性,促进了黄酮类化合物芸香苷和山奈酚-3-O-芸香苷的积累(p0.05),表明较低的生长温度(均温18.5℃)有利于黄酮类化合物在烟草叶片中的积累。     

α-O-4型木质素二聚体模型物热解解聚机理

为了解木质素α-O-4连接部分的热解机理,以4-(3-羟基-1-苯氧基丙基)-苯酚为α-O-4型木质素二聚体模型化合物,采用密度泛函理论M06-2X/6-31+G(d,p)方法,对该二聚体热解过程中的反应物、中间产物、过渡态、产物进行几何结构的完全优化,通过计算各可能路径的反应能垒,确定了该模型化合物主要通过Cα-O键的均裂和协同断裂的方式发生裂解反应,主要生成苯酚、4-甲基苯酚、4-乙烯基苯酚和香豆醇等酚类产物以及乙醇、甲醇、甲醛等小分子物质,由此首次从理论上揭示了该模型化合物的详细热解解聚过程。     

甲基营养菌MB200中mutS的缺失及高浓度甲醇和甲醛诱变

【背景】甲基营养菌(Methylobacterium)是一类能够以单碳或非C-C键低碳化合物(如甲烷、甲醇、甲醛等)为底物生长,并可生产多种代谢产物如氨基酸、工业酶和辅助因子、多羟基烷酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)、多糖和类胡萝卜素等的革兰氏阴性细菌。【目的】通过突变甲基营养菌MB200的mutS基因,在胁迫条件下定向诱导,以获得可以耐受高浓度甲醇和甲醛的生产菌株。【方法】利用三亲本结合构建mutS基因缺失的高突变菌株MB200sTB,逐步提升培养液中甲醇、甲醛的浓度进行定向诱导突变,对获得的高耐受性突变株进行回补,分析菌株的生长情况。【结果】构建了mutS基因的缺失突变体MB200sTB,并且得到了高耐受甲醇和甲醛的菌株MB200sHBc和MB200sHBq。MB200sHBc与野生株MB200相比其甲醇耐受性得到了极显著的提高,甲醇耐受浓度从8g/L提升到44g/L,但生长量不受影响。MB200sHBq在以甲醛为0.45g/L的碳源条件下,生长量相较于野生型MB200提高了1.69倍。【结论】通过定向诱导缺失mutS基因的突变体,可获得具有生产应用潜力的...