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。     

酿酒酵母细胞器区室化合成化学品的研究进展

公认食品安全的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是合成生物学中被广泛研究的底盘细胞,常作为生产高值或大宗化学品的微生物细胞工厂。近年来,通过各种代谢工程改造策略,已有大量化学品的合成途径在酿酒酵母中建立并优化,且部分化学品具备了产业化价值。作为真核生物,酿酒酵母具有完整的细胞内膜系统及其组成的复杂细胞器区室,而这些细胞器区室往往含有某些化学品合成所必需的较高浓度前体底物(如线粒体中的乙酰辅酶A),或更加充足的酶、辅因子、能量等,可为目标产物的生物合成提供更适宜的物理、化学环境,但同时不同细胞器的结构特点有时也成为特定化合物合成的障碍。为此,研究人员在深入分析不同细胞器自身特点的基础上,结合目标化学品合成途径与细胞器之间的适配度,对细胞器开展了大量针对性改造工作以提高产物合成效率。本文详细综述了酿酒酵母中线粒体、过氧化物酶体、高尔基体、内质网、脂滴和液泡等细胞器的途径改造及优化策略,以及利用细胞器区室化合成化学品的研究进展,并对目前存在的困难和挑战以及未来研究方向进行了总结与展望。     

丁醇在大肠杆菌中的生物合成研究进展*

生物丁醇作为一种重要的化学品和石油基燃料的替代品引起了人们的广泛关注。大肠杆菌(Escherichia coli)是生物合成化学品的优良底盘菌株,已在其体内构建了丁醇的生物合成途径。但大肠杆菌合成丁醇存在:(1)代谢通量非最优;(2)辅因子和氧化还原不平衡;(3)丁醇产量和产率低等问题,为此,从高效酶选择、碳代谢流调控、辅因子调控、丁醇生产和工艺等方面已经对丁醇合成途径和丁醇发酵进行了优化。从该角度出发阐述近几年来大肠杆菌生物合成丁醇的研究进展,并展望了利用工程大肠杆菌生产丁醇的研究方向,旨在为应用其进行高效的丁醇生产提供参考。     

丁醇在大肠杆菌中的生物合成研究进展*

生物丁醇作为一种重要的化学品和石油基燃料的替代品引起了人们的广泛关注。大肠杆菌(Escherichia coli)是生物合成化学品的优良底盘菌株,已在其体内构建了丁醇的生物合成途径。但大肠杆菌合成丁醇存在:(1)代谢通量非最优;(2)辅因子和氧化还原不平衡;(3)丁醇产量和产率低等问题,为此,从高效酶选择、碳代谢流调控、辅因子调控、丁醇生产和工艺等方面已经对丁醇合成途径和丁醇发酵进行了优化。从该角度出发阐述近几年来大肠杆菌生物合成丁醇的研究进展,并展望了利用工程大肠杆菌生产丁醇的研究方向,旨在为应用其进行高效的丁醇生产提供参考。     

甲醇的生物利用与转化*

甲醇作为一种来源广泛、价格低廉、还原度高的非粮原料有望成为下一代生物制造的关键原料。利用合成生物学技术构建能够高效利用甲醇的重组微生物以实现从甲醇到高值化学品的生物转化已成国内外研究热点,但由于甲醇代谢过程的特殊性及复杂性,目前人工设计的甲基营养菌还难以实现以甲醇为唯一碳源进行生长及产物合成。基于对天然甲基营养菌甲醇代谢过程的分析,从甲醇脱氢酶的筛选与改造、甲醛同化途径的重构与优化、甲醇到化学品的生物转化几个方面对合成型甲基营养菌的构建策略及面临的挑战进行总结与分析,以期为今后合成型甲基营养菌的人工设计和利用提供一定的借鉴。     

甲醇的生物利用与转化*

甲醇作为一种来源广泛、价格低廉、还原度高的非粮原料有望成为下一代生物制造的关键原料。利用合成生物学技术构建能够高效利用甲醇的重组微生物以实现从甲醇到高值化学品的生物转化已成国内外研究热点,但由于甲醇代谢过程的特殊性及复杂性,目前人工设计的甲基营养菌还难以实现以甲醇为唯一碳源进行生长及产物合成。基于对天然甲基营养菌甲醇代谢过程的分析,从甲醇脱氢酶的筛选与改造、甲醛同化途径的重构与优化、甲醇到化学品的生物转化几个方面对合成型甲基营养菌的构建策略及面临的挑战进行总结与分析,以期为今后合成型甲基营养菌的人工设计和利用提供一定的借鉴。     

酿酒酵母转化木糖生产化学品的研究进展

木糖的有效利用是木质纤维素生产生物燃料或化学品经济性转化的基础。30年来,通过理性代谢改造和适应性进化等工程策略,显著提高了传统乙醇发酵微生物——酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae的木糖代谢能力。因此,近年来在酿酒酵母中利用木糖生产化学品的研究逐步展开。研究发现,酿酒酵母分别以木糖和葡萄糖为碳源时,其转录组和代谢组存在明显差异。与葡萄糖相比,木糖代谢过程中细胞整体呈现出Crabtree-negative代谢特征,如有限的糖酵解途径活性减少了丙酮酸到乙醇的代谢通量,以及增强的胞质乙酰辅酶A合成和呼吸能量代谢等,这都有利于以丙酮酸或乙酰辅酶A为前体的下游产物的有效合成。文中对酿酒酵母木糖代谢途径改造与优化、木糖代谢特征以及以木糖为碳源合成化学品的细胞工厂构建等方面进行了详细综述,并对木糖作为重要碳源在大宗化学品生物合成中存在的困难和挑战以及未来研究方向进行了总结与展望。     

合成生物学与代谢工程

随着DNA重组技术的日趋成熟,代谢工程的理论和应用已经得到了迅速发展。合成生物学是近年来蓬勃发展的一门新兴学科,在许多领域都具有重要的应用。以下从改造细胞代谢的关键因子、代谢途径的调节和宿主细胞与代谢途径构建的关系等方面详细讨论了合成生物学的最新进展和合成生物学在代谢工程领域的应用。     

甲羟戊酸途径限速步骤研究及其在产番茄红素重组大肠杆菌中的应用

甲羟戊酸途径(MVA途径)被引入重组大肠杆菌中,能够提高重组大肠杆菌中萜类化合物的合成能力。但因重组大肠杆菌中萜类化合物合成途径中间产物积累,导致细胞生长和萜类化合物合成受到限制。本研究在稳定表达MVA途径以及优化2-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸途径(MEP途径)、番茄红素合成途径关键基因表达的重组大肠杆菌LYC103中,用质粒高表达MVA途径和番茄红素合成途径关键基因,挖掘该途径的限速步骤。结果表明,ispA、crtE、mvaK1、idi和mvaD基因过表达后,细胞生长没有明显变化,番茄红素产量依次提高了13.5%、16.5%、17.95%、33.7%和61.1%,说明这几个基因可能是合成番茄红素的限速步骤。mvaK1、mvaK2、mvaD三个基因在同一操纵子上,用mRNA稳定区(RNA stabilizing region)进行启动子文库(mRSL)调控mvaK1,相当于对3个基因同时调控。用高效基因组编辑技术(CAGO)对mvaK1基因的mRNA稳定区进行启动子文库的调控,得到菌株LYC104。番茄红素产量与对照菌株LYC103相比增加了2倍,细胞生长提高了32%。然后,利用CRISPR-Cas9技术在染色体lacZ位点整合idi基因,得到LYC105菌株。与出发菌株LYC103相比,细胞生长提高了147%,番茄红素产量增加了2.28倍。本研究在染色体上具有完整MVA途径的基础上,利用质粒高表达单个基因挖掘限速步骤,用同源重组方法整合限速基因、解除限速,为代谢工程构建高产菌株提供新策略。     

大肠杆菌通过甲羟戊酸途径合成紫苏醇

紫苏醇,即[4-异丙烯基-1-环己烯]甲醇,是一种具有类似芳樟醇和松油醇特殊气味的单环单萜烯醇。在医药、食品和化妆品等行业具有广阔市场空间和研究价值。文中研究了以工程大肠杆菌通过甲羟戊酸途径合成紫苏醇的方法。首先在大肠杆菌中构建来源于粪肠球菌的MVA代谢途径合成柠檬烯,随后柠檬烯通过细胞色素P450烷烃羟化酶的羟基化转化为紫苏醇。然后将构建的紫苏醇合成菌株在摇瓶发酵条件下进行优化,研究发现工程大肠杆菌以葡萄糖为原料,通过MVA代谢途径可合成约50.12 mg/L的紫苏醇。本研究构建合成紫苏醇的MVA代谢途径也可用于其他萜类化合物的合成,为今后生物法合成萜类化合物提供了理论依据和技术支持。     

酿酒酵母中胆固醇生物合成与优化的研究进展

胆固醇是动物体内积累的主要甾醇化合物,在维持细胞膜功能、合成甾体激素、生产甾体药物中间体等方面具有重要的生物学意义和医学应用价值。传统动物组织提取胆固醇的方法费时费力并存在严重的环境污染问题,而甾醇分子结构的复杂程度也限制了其化学全合成。近些年,人们利用合成生物学方法构建的微生物细胞工厂已成功用于萜类、甾醇类等天然产物的开发与合成。文中综述了胆固醇微生物细胞工厂的研究进展,包括胆固醇生物合成途径的解析、底盘菌株的选择、异源基因元件的挖掘与优化、相关代谢通路的调控等方面,并讨论了当前研究面临的问题,以期为胆固醇的高效生物合成提供参考。     

基于图论和约束优化的异源代谢途径设计方法及应用

构建高产高附加值产品的微生物细胞工厂是代谢工程的研究目标之一,设计高效的产品合成途径是实现这一目标的重要方式.不同微生物底盘因其代谢能力有所差异,故而可以利用的底物和生产的产品范围有限.为了扩大其生产能力,需要进行代谢途径从无到有的设计.传统代谢工程基于经验进行异源途径设计的方式低效且无法确保结果的全面性,而系统生物学...     

基元模式分析在生物网络和途径分析中的应用

基元模式分析是应用最广泛的代谢途径分析方法。基元模式分析的研究对象从代谢网络发展到信号传导网络;研究尺度从细胞到生物反应器,甚至生态系统;数学描述从稳态分解到动态解析;研究领域从微生物代谢到人类疾病。以下综述了基元模式分析的算法和软件开发现状,以及其在代谢途径与鲁棒性、代谢通量分解、稳态代谢通量分析、动态模型与生物过程模拟、网络结构与调控、菌株设计和信号传导网络等方面的应用。开发新的算法解决组合爆炸问题,探索基元模式与代谢调控的关系以及提高菌株设计算法效率是今后基元模式的重要发展方向。     

Integrating cybernetic modeling with pathway analysis provides a dynamic, systems-level description of metabolic control

Cybernetic modeling strives to uncover the inbuilt regulatory programs of biological systems and leverage them toward computational prediction of metabolic dynamics. Because of its focus on incorporating the global aims of metabolism, cybernetic modeling provides a systems-oriented approach for describing regulatory inputs and inferring the impact of regulation within biochemical networks. Combining cybernetic control laws with concepts from metabolic pathway analysis has culminated in a systematic strategy for constructing cybernetic models, which was previously lacking. The newly devised framework relies upon the simultaneous application of local controls that maximize the net flux through each elementary flux mode and global controls that modulate the activities of these modes to optimize the overall nutritional state of the cell. The modeling concepts are illustrated using a simple linear pathway and a larger network representing anaerobic E. coli central metabolism. The E. coli model successfully describes the metabolic shift that occurs upon deleting the pta-ackA operon that is responsible for fermentative acetate production. The model also furnishes predictions that are consistent with experimental results obtained from additional knockout strains as well as strains expressing heterologous genes. Because of the stabilizing influence of the included control variables, the resulting cybernetic models are more robust and reliable than their predecessors in simulating the network response to imposed genetic and environmental perturbations.     

甘油歧化生产1,3-丙二醇过程的代谢和基因调控机理研究进展

用生物转化法将可再生资源(如淀粉、纤维素等)转化为重要的化工原料是目前生物技术领域的一个重要课题。本文以甘油生物转化为1,3丙二醇过程为考察对象,系统综述了该过程代谢和基因调控的研究现状,并对今后的研究提出了一些建议。     

代谢工程

代谢工程,也称途径工程,是基因工程一个重要分支,一般是多基因的基因工程,与细胞的基因调控、代谢调控和生化工程密切相关。讨论了代谢工程的应用,包括通过改变代谢流和代谢途径提高产量,改善生产过程,构建新的代谢途径和产生新的代谢产物等。     

植物源二萜类化合物微生物合成研究进展

植物源二萜类天然产物结构复杂且功能多样,具有抗癌、抗炎和抗菌等多种药理活性,在药品、化妆品和食品添加剂等方面广泛应用。近年来,基于植物源二萜类化合物(diterpenoids)生物合成途径中功能基因的逐步揭示和合成生物技术的发展,科研人员采用代谢工程技术构建了多种二萜类化合物的微生物细胞工厂,且多个化合物达到克级产量。本文对植物源二萜类化合物微生物细胞工厂的构建情况进行综述,介绍并探讨植物源二萜类化合物微生物合成的研究进展和改造策略,为高产二萜类化合物细胞工厂构建和工业化生产提供参考。     

丝状真菌代谢工程研究进展

丝状真菌(Filamentous fungi)作为重要的工业发酵微生物,在有机酸、蛋白质及次级代谢产物等关键生物基产品生产方面发挥着重要作用。自20世纪90年代代谢工程理念提出以来,尤其是代谢工程使能技术的创新及发展,极大地促进了丝状真菌细胞工厂的构建及其在工业发酵领域的应用。文中将系统介绍近年来丝状真菌代谢工程技术的发展,及其在生物基化学品细胞工厂构建中的应用,最后讨论丝状真菌代谢工程中关键问题并展望其未来发展。     

Compound toxicity screening and structure-activity relationship modeling in Escherichia coli

Synthetic biology and metabolic engineering are used to develop new strategies for producing valuable compounds ranging from therapeutics to biofuels in engineered microorganisms. When developing methods for high-titer production cells, toxicity is an important element to consider. Indeed the production rate can be limited due to toxic intermediates or accumulation of byproducts of the heterologous biosynthetic pathway of interest. Conversely, highly toxic molecules are desired when designing antimicrobials. Compound toxicity in bacteria plays a major role in metabolic engineering as well as in the development of new antibacterial agents. Here, we screened a diversified chemical library of 166 compounds for toxicity in Escherichia coli. The dataset was built using a clustering algorithm maximizing the chemical diversity in the library. The resulting assay data was used to develop a toxicity predictor that we used to assess the toxicity of metabolites throughout the metabolome. This new tool for predicting toxicity can thus be used for fine-tuning heterologous expression and can be integrated in a computational-framework for metabolic pathway design. Many structure-activity relationship tools have been developed for toxicology studies in eukaryotes [Valerio (2009), Toxicol Appl Pharmacol, 241(3): 356-370], however, to the best of our knowledge we present here the first E. coli toxicity prediction web server based on QSAR models (EcoliTox server: http://www.issb.genopole.fr/～faulon/EcoliTox.php).     

In vitro prototyping of limonene biosynthesis using cell-free protein synthesis

Metabolic engineering of microorganisms to produce sustainable chemicals has emerged as an important part of the global bioeconomy. Unfortunately, efforts to design and engineer microbial cell factories are challenging because design-build-test cycles, iterations of re-engineering organisms to test and optimize new sets of enzymes, are slow. To alleviate this challenge, we demonstrate a cell-free approach termed in vitro Prototyping and Rapid Optimization of Biosynthetic Enzymes (or iPROBE). In iPROBE, a large number of pathway combinations can be rapidly built and optimized. The key idea is to use cell-free protein synthesis (CFPS) to manufacture pathway enzymes in separate reactions that are then mixed to modularly assemble multiple, distinct biosynthetic pathways. As a model, we apply our approach to the 9-step heterologous enzyme pathway to limonene in extracts from Escherichia coli. In iterative cycles of design, we studied the impact of 54 enzyme homologs, multiple enzyme levels, and cofactor concentrations on pathway performance. In total, we screened over 150 unique sets of enzymes in 580 unique pathway conditions to increase limonene production in 24 h from 0.2 to 4.5 mM (23–610 mg/L). Finally, to demonstrate the modularity of this pathway, we also synthesized the biofuel precursors pinene and bisabolene. We anticipate that iPROBE will accelerate design-build-test cycles for metabolic engineering, enabling data-driven multiplexed cell-free methods for testing large combinations of biosynthetic enzymes to inform cellular design.