代谢工程酵母菌合成紫杉烯的研究

紫杉烯是紫杉醇生物合成的重要中间体,为在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中建立一个生物合成紫杉烯的代谢途径,克隆了酵母的羟甲基戊二酰CoA(3-hydroxy-3-methylglutarylcoenzyme A,HMG-CoA)还原酶基因和=牛儿基=牛儿基二磷酸(geranylgeranyl diphosphate,GGDP)合酶基因,并构建了其融合表达载体pGBT9/HG;同时构建了包含紫杉烯合酶基因的表达载体pADH/TS;将这两个表达载体共转化酵母细胞,通过GC-MS分析检测工程酵母的代谢产物,结果表明获得的工程酵母能够合成紫杉烯,即在酵母细胞中建立了一个合成紫杉烯的代谢途径。     

榄香烯——一种新型的抗肿瘤药

榄香烯为姜科植物温郁金中提取的有效成分,是近年来我国自行开发的新型抗肿瘤药物,经具有疗效好,副作用小等特点,受到了广泛的重视。本文综述了榄香烯的一般药理特性,体内和体外抗肿瘤作用、临床应用及其作用机理等几方面的研究工作     

温郁金萜类合酶基因CwTPS4的克隆和表达特征

温郁金是著名的"浙八味"之一,药用价值高、应用广泛,萜类化合物是其主要的药用成分.萜类合酶是植物萜类化合物生物合成途径中的关键酶.依据温郁金根茎的转录组数据,采用反转录PCR获得了1个萜类合酶基因CwTPS4(GenBank登录号:MW774935),其开放阅读框长1515 bp,编码504个氨基酸,含有萜类合酶特有的结构域和保守序列RXR、DDXXD等;生物信息学分析表明CwTPS4编码的蛋白定位在细胞质中、无跨膜区域,为水溶性的稳定蛋白,属于萜类合酶的TPS-a亚家族成员.实时荧光定量分析表明,CwTPS4基因主要在生长旺盛的叶片中表达,其次在根茎膨大初期的根茎中表达量较高,而在成熟或衰老的组织中表达量较低.本研究从温郁金中克隆得到1个新的萜类合酶基因CwTPS4,经生物信息学分析表明CwTPS4可能参与了温郁金中倍半萜类化合物的合成,为下一步研究其在温郁金萜类物质合成中的功能奠定了一定的基础.     

檀香烯与檀香醇生物合成研究进展

檀香烯和檀香醇是名贵香料檀香精油的主要组成成分,具有较好的抗菌、抗氧化和抗肿瘤等药理活性。市售檀香精油主要从檀香树提取,但檀香树生长缓慢及培育难度大,檀香精油的提取率低,难以满足市场需求,导致檀香精油价格居高不下。利用基因工程及分子生物学手段,在微生物体内异源生物合成檀香烯和檀香醇是缓解这种供需矛盾的途径之一。文中对檀香烯和檀香醇合酶的研究现状,以及对宿主甲羟戊酸代谢路径的改造进行总结,并提出利用蛋白质工程技术对檀香烯合酶进行定向改造的思路,为檀香烯和檀香醇的生物合成优产研究提供参考。     

利用基因工程改造的大肠杆菌合成蒎烯

目的:以大肠杆菌为底盘细胞,利用合成生物学手段导入外源杂合蒎烯合成代谢途径,构建高效合成蒎烯的微生物工厂。方法:将来源于酵母和粪肠球菌的异源杂合甲羟戊酸(MVA)代谢途径和来源于北美巨冷杉的牻牛儿焦磷酸合酶(GPPS)和蒎烯合成酶(PS)基因序列共同导入大肠杆菌,构建催化蒎烯合成的大肠杆菌工程菌。首先优化合成GPPS、PS基因,再分别以pETDuet-1和pET-24a(+)载体为基础构建GPPS、PS共表达和融合表达载体,并分别转化大肠杆菌获得工程菌E.hzh01和E.hzh02,摇瓶培养后利用GC-MS技术检测E.hzh01和E.hzh02的蒎烯产量。进一步获取MVA代谢途径相关酶基因mvaE、mvaS、ERG12、ERG8、ERG19、IDI序列,分别利用多顺反子模型和BioBrick方法构建2种不同方案的异源MVA代谢途径,再将异源MVA代谢途径和GPPS、PS融合表达基因共同转化大肠杆菌,构建完整蒎烯合成代谢工程菌株E.hzh03和E.hzh05。结果:摇瓶培养E.hzh01和E.hzh02的蒎烯产量分别为0.85和1.86 mg/L,结果表明融合表达更有利于蒎烯的合成。E.hzh03和E.hzh05摇瓶培养得到的蒎烯产量分别为6.32和19.26 mg/L。结论:利用融合表达载体和多顺反子模型导入异源蒎烯代谢途径构建大肠杆菌工程菌,可以显著提高蒎烯的产量,为工业生物合成蒎烯奠定了一定的基础。     

利用Bio-BglBrick方法表达紫杉醇生物合成酶

目的:进行紫杉醇药物生物合成前五步催化酶二磷酸盐合酶(GGPPS)、紫杉二烯合酶(TS)、紫杉二烯5α羟化酶(THY5α)、紫杉二烯5α-O-乙酰转移酶(TAT)和紫杉烷10β羟化酶(TDH)基因在大肠杆菌异源生物合成途径的组建及串联,实现单个表达及串联表达,并试图通过连续生物催化获得紫杉醇中间体紫衫二烯。方法:依据合成生物学中Brick基因组装方法,通过对载体pET30a的酶切位点进行定向改造,设计独特的BglⅡ/BamHⅠ和XbaⅠ/SpeⅠ串联表达盒,在大肠杆菌BM Rosetta(DE3)中表达产物。结果:设计多基因表达盒,实现紫杉醇药物生物合成前五步催化酶的单个表达,GGPPS和TS以及THY5α、TAT和TDH的串联表达。结论:利用BglBrick/BioBrick基因组装方法,可以实现紫杉醇生物合成催化酶的快速组装及后续表达。     

三烯生育酚生物学功能及合成调控研究进展

介绍了三烯生育酚的生物合成途径,重点综述了三烯生育酚在神经保护、抗癌、降低胆固醇以及抗氧化等方面的优越生物学功能,以及利用关键酶的高效表达和前体物质水平的提高等植物代谢工程手段提高植物体内三烯生育酚生物合成水平的研究进展。     

构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇

香紫苏醇是一种来源于植物的双环二萜醇,常用于香味成分且具有重要生物学活性。为实现香紫苏醇的微生物生产,以酿酒酵母为宿主,表达焦磷酸赖百当烯二醇酯合酶和香紫苏醇合酶,构建香紫苏醇的人工生物合成途径。发现过表达前体代谢关键酶、蛋白质融合增强底物通道效应及去除异源蛋白信号肽等,有利于香紫苏醇合成。在摇瓶培养条件下,组合优化得到的工程菌株S6的香紫苏醇产量达到8.96 mg/L。研究结果对其他萜类化合物的异源生物合成具有参考价值。     

β-榄香烯诱导人黑色素瘤A375细胞凋亡的研究

β-榄香烯是我国自主开发的二类非细胞毒性抗肿瘤药物,具有广谱、高效、低毒等优点,对肝癌、肺癌等多种恶性肿瘤均有较好的治疗效果,但对人皮肤肿瘤的研究尚无报道。基于此,就β-榄香烯对人恶性黑色素瘤A375细胞的抗肿瘤活性展开研究,发现β-榄香烯能够显著抑制A375细胞增殖(P0.01),并在一定范围内呈浓度和时间依赖性,主要表现为β-榄香烯能够诱导细胞发生凋亡。进一步对相关凋亡蛋白进行Western-blot检测,发现β-榄香烯通过抑制细胞内AKT信号通路途径,调控Bcl-2家族蛋白,降低Bcl-2的表达,显著增加Bad的表达量,并激活部分caspase系列蛋白质的剪切活化,从而抑制A375细胞增殖,诱导细胞凋亡。     

药用植物裂环烯醚萜苷类化合物生物合成途径关键酶基因研究进展

裂环烯醚萜苷类化合物是植物体内产生的具有保肝、消炎、降血糖血脂等多重生物活性的次级代谢产物,在临床上应用广泛。该文依据近年来国内外有关裂环烯醚萜苷类化合物生物合成途径及关键酶基因的挖掘与调控机理研究进展,主要对药用植物裂环烯醚萜苷类化合物生物合成途径、关键酶(GPPS、GES、G10H、8HGO、IS、IO、7DLGT、DL7H、LAMT、SLS)与编码基因的研究进展进行综述,为进一步阐明其生物合成途径机制与关键酶调控作用、提高有效活性成分积累、减缓药用植物野生资源紧张等问题提供参考。     

紫杉醇生物合成途径中羟化酶的研究进展

紫杉醇是一种从红豆杉植物中提取的具有显著抗癌效果的萜类化合物,但在红豆杉中含量很低,难以满足日益增长的临床需求。近年来,利用合成生物学技术建立新的紫杉醇来源途径已成为研究热点。目前,紫杉醇合成相关酶基因大部分已被克隆和鉴定,但其中羟化酶基因的发现与应用仍是目前研究的热点和难点。本文对紫杉醇生物合成途径研究进展进行了综述,对其中羟化酶的克隆及功能研究体系进行了重点深入分析,最后探讨了本领域未来的研究方向并对其前景进行展望,以期为紫杉醇合成途径中未知羟化步骤的羟化酶基因克隆,以及利用合成生物学技术实现紫杉醇的大量生产提供依据。     

萜烯生物合成中关键酶的研究进展*

萜烯类化合物是一类高度多样化的天然产物,具有抗肿瘤、抗氧化及免疫调节等生理活性,因此被广泛应用于医药健康、食品、化妆品领域。然而,直接从自然资源中获取萜烯类化合物效率低、成本高,且往往对生态环境产生不利影响,不能实现绿色可持续生产。微生物合成萜烯类化合物近年来备受关注,研究人员从合成途径的构建与调控、关键酶的理性及半理性改造、发酵工艺优化等多个方面进行了探究,取得了丰硕的成果。其中,合成途径中关键酶的催化效率是影响微生物生产萜烯类化合物的重要因素。针对关键酶的研究对于提高微生物合成萜烯类化合物的能力,推动该类天然产物微生物生产的大规模应用具有重要意义。对萜烯类化合物合成途径中的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)、1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶(DXS)、异戊二烯基二磷酸合成酶(IDS)和萜烯合酶(TPS)4种关键酶的研究进行了综述,并总结讨论了如何通过代谢工程和蛋白质工程手段以及合成生物学技术调节关键酶的催化活性,提高微生物合成萜烯类化合物的效率,对未来利用微生物合成萜烯类化合物的发展进行了展望。     

毛蕊花糖苷的生物合成研究进展

毛蕊花糖苷是由咖啡酸、羟基酪醇、葡萄糖和鼠李糖组成的苯乙醇苷类衍生物,广泛存在于多种天然药用植物中,具有抗炎、抗菌、抗病毒、抗肿瘤、抗氧化、镇痛、神经保护、改善性功能、免疫调节和改善细胞记忆等多方面的生物活性.然而,植物提取来源的毛蕊花糖苷存在含量低、环境污染问题,无法实现绿色可持续的规模化生产.利用合成生物学成功构建...     

2013合成生物学专刊序言

合成生物学目前在全球得到迅猛发展。在此专刊中,综述了一些相关技术在合成生物学领域的进展,其中有:链霉菌无痕敲除方法、基因合成技术、DNA组装新方法、最小化基因组的方法及分析、合成生物系统的组合优化。也讨论了应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘、产溶剂梭菌分子遗传操作技术、蛋白质预算(Protein budget)作为合成生物学的成本标尺。最后,用几个例子说明了合成生物学的应用,包括复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建、微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品以及构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇。     

生物合成薯蓣皂素的途径设计及关键酶分析

薯蓣皂素是一种天然甾体皂苷元,可作为数百种类固醇药物的前体,具有重要药用价值.目前工业生产薯蓣皂素主要依赖化学提取法,因此该法依赖植物材料和耕地且对环境有害.随着代谢工程和合成生物学的发展,生物合成法受到广泛关注.文中综述了生物合成薯蓣皂素的代谢途径和关键酶,并在酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae...     

Improved production of 1-deoxynojirymicin in <Emphasis Type="Italic">Escherichia coli</Emphasis> through metabolic engineering

Azasugars, such as 1-deoxynojirymicin (1-DNJ), are associated with diverse pharmaceutical applications, such as antidiabetic, anti-obesity, anti-HIV, and antitumor properties. Different azasugars have been isolated from diverse microbial and plant sources though complicated purification steps, or generated by costly chemical synthesis processes. But the biosynthesis of such potent molecules using Escherichia coli as a heterologous host provides a broader opportunity to access these molecules, particularly by utilizing synthetic biological, metabolic engineering, and process optimization approaches. This work used an integrated approach of synthetic biology, enzyme engineering, and pathway optimization for rational metabolic engineering, leading to the improved production of 1-DNJ. The production of 1-DNJ in recombinant E. coli culture broth was confirmed by enzymatic assays and mass spectrometric analysis. Specifically, the pathway engineering for its key precursor, fructose-6-phosphate, along with optimized media condition, results in the highest production levels. When combined, 1-DNJ production was extended to ~?273 mg/L, which is the highest titer of production of 1-DNJ reported using E. coli.     

Pathway engineering for functional isoprenoids

Pathway engineering is to engineer biosynthetic pathways for compounds of interests in heterologous organisms such as microbes and higher plants, which has also been one of the most important fields in metabolic engineering and synthetic biology. This review focuses on pathway engineering researches for the production of functional isoprenoids containing monoterpenes, sesquiterpenes, diterpenes, and triterpenes as well as carotenoids and for the elucidation of relevant biosynthesis genes and enzymes, which have been performed in the last two years. As microbial hosts, Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae have often been employed, since they, specifically the former, are fully amenable to genetic manipulations with extensive molecular resources. Various crops have also been used as the hosts for engineering pathways of functional isoprenoids of the plant origin, particularly carotenoids.     

Diversion of flux toward sesquiterpene production in Saccharomyces cerevisiae by fusion of host and heterologous enzymes

The ability to transfer metabolic pathways from the natural producer organisms to the well-characterized cell factory Saccharomyces cerevisiae is well documented. However, as many secondary metabolites are produced by collaborating enzymes assembled in complexes, metabolite production in yeast may be limited by the inability of the heterologous enzymes to collaborate with the native yeast enzymes. This may cause loss of intermediates by diffusion or degradation or due to conversion of the intermediate through competitive pathways. To bypass this problem, we have pursued a strategy in which key enzymes in the pathway are expressed as a physical fusion. As a model system, we have constructed several fusion protein variants in which farnesyl diphosphate synthase (FPPS) of yeast has been coupled to patchoulol synthase (PTS) of plant origin (Pogostemon cablin). Expression of the fusion proteins in S. cerevisiae increased the production of patchoulol, the main sesquiterpene produced by PTS, up to 2-fold. Moreover, we have demonstrated that the fusion strategy can be used in combination with traditional metabolic engineering to further increase the production of patchoulol. This simple test case of synthetic biology demonstrates that engineering the spatial organization of metabolic enzymes around a branch point has great potential for diverting flux toward a desired product.     

UTH1基因破坏提高重组酿酒酵母分泌β-葡萄糖苷酶

异源蛋白质分泌效率低限制了重组酿酒酵母的多种药用蛋白和工业酶生产。挖掘促进蛋白质生物合成和分泌的关键基因,是提高异源蛋白质生产效率的重要手段。酿酒酵母细胞壁完整性影响异源蛋白质分泌,本研究利用基于CRISPR/Cas9的基因组编辑技术,破坏了重组酿酒酵母Y294-BGL1中参与细胞壁合成的未知功能基因UTH1,发现所获得的突变体胞外β-葡萄糖苷酶酶活比出发菌株提高112.9%,而细胞壁完整性下降。对促进产酶的分子机理进行探索,发现突变体产酶条件下与细胞壁完整性相关的关键基因和与蛋白质分泌途径相关的基因转录出现明显差异,提示UTH1基因破坏不仅影响细胞壁完整性关键基因的表达,也影响蛋白质分泌途径。本文的研究结果有助于深入理解UTH1的基因功能,并为构建异源蛋白质高分泌酵母菌株提供了借鉴。     

异戊烯基焦磷酸转运对雷公藤甲素生物合成的影响

雷公藤甲素是一种具有显著抗炎、抗肿瘤和免疫抑制活性的天然产物,市场需求量大,临床应用前景广阔.文中以雷公藤悬浮细胞为实验材料,通过对不同培养时期(7d、14 d)的细胞外源性添加D,L-甘油醛(DLG)以阻断异戊烯基焦磷酸(IPP)转运,分析诱导前后的细胞活性及生物量、雷公藤甲素累积量及其生物合成上游途径关键酶基因的变...