甲醇酵母代谢工程研究进展

甲醇酵母由于独特优点被认为是绿色生物制造的潜在宿主.特别是其天然甲醇利用性能有望建立甲醇生物转化路线,拓展生物炼制底物,具有重要经济价值和环保意义.文中综述了代谢工程改造甲醇酵母合成蛋白质和化学品的最新研究进展,并比较了其与模式生物酿酒酵母作为细胞工厂的优缺点.随后,分析了甲醇酵母代谢工程改造面临的挑战,并展望了潜在解...     

代谢工程改造酵母生产琥珀酸的研究进展

琥珀酸是一种重要的四碳二羧酸,广泛应用于食品、医药和化工等行业。与传统基于石化原料的化学合成方法相比,微生物发酵法生产琥珀酸是一种更具经济性和环境友好性的替代方案,具有较大的应用潜力。酵母具有良好的环境耐受性,因此酵母细胞工厂生产琥珀酸逐渐成为研究热点。本文以酵母生产琥珀酸为出发点,综述了构建酵母细胞工厂生产琥珀酸的相关代谢工程与调控策略,包括琥珀酸合成路径构建、辅因子供应优化、跨膜转运改造等,总结了利用廉价原料进行琥珀酸生物合成的最新研究进展,探讨了增强酵母菌株抗逆性的方法,最后展望了酵母在琥珀酸生物合成中的未来发展前景。     

代谢工程改造解脂耶氏酵母高效合成赤藓糖醇研究进展

赤藓糖醇是一种由微生物在高渗胁迫条件下生产的新型四碳糖醇,是良好的代糖产品,同时也是合成多种C4化合物(1,3-丁二烯、1,4-丁二醇、2,5-二氢呋喃等)的平台化合物。与其他多元醇相比,其主要通过生物发酵法生产,因此更具挑战性。解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)是合成赤藓糖醇的首选底盘,成为发酵法生产赤藓糖醇的研究热点。目前解脂耶氏酵母工业化生产赤藓糖醇的过程中还存在着亟需突破的瓶颈问题,如合成代谢弱、副产物多以及工业属性不高等。近年来,根据产业化需求定制高版本底盘菌株取得了一定进展,如以葡萄糖和甘油为底物,利用代谢工程改造的解脂耶氏酵母合成赤藓糖醇的最高水平分别达196 g/L和150 g/L,但难以进一步突破菌株生产上限。本文综述了解脂耶氏酵母代谢工程改造合成赤藓糖醇的研究进展,从代谢合成途径、模块化代谢工程改造以及辅助策略提升工业属性等方面,系统分析了解脂耶氏酵母发酵法生产赤藓糖醇的代谢路径及改造策略,为增强解脂耶氏酵母生产赤藓糖醇的研究工作提供一定的研究思路。     

生物丁醇代谢工程的研究进展

丁醇作为一种重要的大宗化学品具有广泛的用途,同时又是一种潜在的生物燃料。随着能源与环境危机的日益加重,利用可再生原料通过微生物法生产丁醇受到全世界的普遍关注。代谢工程为定向改造微生物生产丁醇提供了有力的工具。通过改造经典的丙酮丁醇发酵和定向改造模式微生物生产丁醇是生物丁醇研究的两个重要方向。笔者从代谢工程改造的角度评述近5年来生物丁醇研究的进展,同时讨论了生物丁醇研究中需要着力解决的问题。     

利用酵母细胞工厂合成丁二酸的研究进展

丁二酸(又称琥珀酸)是一种重要的C4平台化合物,可作为1,4-丁二醇、四氢呋喃以及生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯(polybutylene succinate, PBS)的生产原料。与传统的以顺酐为原料的石化基路线相比,采用微生物发酵法生产丁二酸不仅具有更高的经济可持续性,同时也展现出更佳的环境友好性。酵母具有良好的耐酸性,能够实现丁二酸的低pH发酵,从而大幅降低产物提取成本。因此,通过代谢工程改造构建高产丁二酸酵母菌株受到越来越多的关注。本文系统介绍了丁二酸的应用价值及其市场规模,总结了微生物中参与丁二酸合成的途径及其关键酶,详细阐述了利用酵母细胞工厂合成丁二酸的最新研究进展,同时还展示了酵母工程菌株以甘油、乙酸、木质纤维素水解液等非粮原料为底物进行丁二酸合成的现状,最后对基于酵母细胞工厂的低pH丁二酸生物制造进行了展望。     

代谢工程改造解脂耶氏酵母合成羧酸的研究进展

解脂耶氏酵母是一种具有独特生理代谢特征的非常规酵母.它具有可以利用多种廉价碳源、低pH值耐受性好、分泌能力强等优点,因此非常适合用于各种工业产品的微生物发酵.目前,解脂耶氏酵母已被证实具有高效生产多种(同源或异源)有机羧酸的能力.本文对近年来利用代谢工程及合成生物学技术改造解脂耶氏酵母生产羧酸的实例进行了总结,并重点介...     

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...     

代谢工程30年专刊序言 (2021)

代谢工程利用重组DNA技术、合成生物学、基因组编辑来改变生物体的细胞网络,包括代谢、基因调控和信号网络等。它可以实现加强包括化学品、燃料、化学原料药和其他生物技术产品等代谢物生产的目标,提升生物制造能力与效率。为了梳理和凝练代谢工程30年来的发展状况,《生物工程学报》特组织出版专刊,从代谢工程总体发展、共性技术以及以什么宿主和做什么产品等4个方面展现该领域的发展动态和趋势,并为代谢工程领域的进一步发展提出建设性的意见与展望。     

代谢工程改造马克斯克鲁维酵母生产l-乳酸

l-乳酸作为一种重要的有机酸,在食品、医药和生物塑料等领域广泛应用。传统的l-乳酸生产主要依赖乳酸菌,但由于乳酸菌对底物要求高且对酸性环境的耐受性差,导致其工业化应用面临一定挑战。相比之下,马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)因其快速生长、耐高温、底物利用广泛等优势,成为了乳酸生产的潜在宿主。为了优化马克斯克鲁维酵母的l-乳酸生产能力,本研究对其进行了代谢工程改造。首先,筛选并表征了高效的乳酸脱氢酶(lactic dehydrogenase, LDH),然后利用CRISPR基因编辑技术在不同基因位点过表达LDH并敲除编码丙酮酸脱羧酶的基因PDC1,构建了菌株LA2.1,其l-乳酸产量达到72.55 g/L。通过筛选并组合耐酸靶点,进一步提升了菌株的耐酸性和乳酸产量。最终,通过工艺优化,菌株LA4.3发酵72 h积累了112.41 g/L的l-乳酸,得率为84.00%。在降低CaCO₃使用量的条件下,l-乳酸产量达到101.50 g/L,发酵结束后的pH值为3.52。本研究为l-乳酸的高效生产提供了理论基础和技术支持。     

代谢工程改造解脂耶氏酵母合成植物萜类化合物的研究进展

萜类化合物是一类广泛存在于植物中的天然产物,其在食品、药品和化工等多个领域中均有广泛的用途,市场潜力巨大.因此,开发生产萜类化合物等植物天然产物可再生的微生物资源来补充甚至代替原有稀少和珍贵的植物资源,具有重要的理论意义和潜在的应用价值.解脂耶氏酵母是目前使用最广泛的非常规酵母底盘细胞之一.近年来,利用代谢工程及合成生...     

非常规酵母天然产物合成

以解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)、巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)、马克斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)、圆红冬孢酵母(Rhodosporidium toruloides)、多形汉逊酵母(Hansenula polymorpha)为代表的非常规酵母凭借较广的底物利用谱、较强的环境耐受性等优势,已成功实现多种天然产物的高效生产。随着合成生物学及基因编辑技术的发展,针对非常规酵母代谢工程改造的工具和策略也逐渐丰富。本文介绍了几类常见的非常规酵母的生理特性、工具开发及应用现状,并总结归纳了天然产物合成优化中常用的代谢工程策略;最后讨论了现阶段非常规酵母作为天然产物合成细胞工厂的优势和不足,并对后续研究和发展趋势进行了展望。     

枯草芽孢杆菌代谢工程改造的策略与工具

作为一种食品安全级的典型工业模式微生物,枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis由于具有非致病性、胞外分泌蛋白能力强以及无明显的密码子偏爱性等特点,现已被广泛应用于代谢工程领域。近年来,随着分子生物学和基因工程技术等的迅速发展,多种研究策略和工具被用于构建枯草芽孢杆菌底盘细胞进行生物制品的高效合成。文中从启动子工程、基因编辑、基因回路、辅因子工程以及途径酶组装等方面介绍枯草芽孢杆菌在代谢工程领域的研究历程,并总结其在生物制品生产中的相关应用,最后对其未来的研究方向进行展望。     

重构树干毕赤酵母合成白藜芦醇

白藜芦醇是一种有价值的植物多酚类化合物,目前主要通过植物提取法获得,受到天然原料的限制,不易长期大量获取,因此有必要开发一种更加简便、经济的白藜芦醇生产方法。本研究以树干毕赤酵母的野生型菌株为宿主,首先通过引入编码白藜芦醇合成的关键酶基因(HaTAL1、AtPAL2、AtC4H、At4CL2以及VvSTS)得到菌株Ss05,合成白藜芦醇55.28 mg/L。随后通过过表达3-脱氧-d-阿拉伯庚糖酮酸-7-磷酸(3-deoxy-d-arabino-heptulonate-7-phosphate, DAHP)合成酶突变体SsARO4^K221L及分支酸变位酶突变体SsARO7^G139S、敲除丙酮酸脱羧酶基因(PDC1)、过表达乙酰辅酶A羧化酶突变体SsACC1^S650A,S1152A,增强对香豆酸及丙二酰辅酶A的供应。在此基础上,进一步增加关键基因的拷贝数得到工程菌株Ss17,白藜芦醇产量提高到150.56 mg/L。最后将工程菌株Ss17在5 L发酵罐中通过分批补料葡萄糖发酵128 h,得到了558.40 mg/L白藜芦醇。本研究运用合成生物学思路,构建利用简单碳源合成白藜芦醇的工程菌株,同时利用生物反应器放大微生物发酵规模,为树干毕赤酵母中芳香族化合物的生物合成提供了重要参考。     

Bioremediation through microbes: systems biology and metabolic engineering approach

Today, environmental pollution is a serious problem, and bioremediation can play an important role in cleaning contaminated sites. Remediation strategies, such as chemical and physical approaches, are not enough to mitigate pollution problems because of the continuous generation of novel recalcitrant pollutants due to anthropogenic activities. Bioremediation using microbes is an eco-friendly and socially acceptable alternative to conventional remediation approaches. Many microbes with a bioremediation potential have been isolated and characterized but, in many cases, cannot completely degrade the targeted pollutant or are ineffective in situations with mixed wastes. This review envisages advances in systems biology (SB), which enables the analysis of microbial behavior at a community level under different environmental stresses. By applying a SB approach, crucial preliminary information can be obtained for metabolic engineering (ME) of microbes for their enhanced bioremediation capabilities. This review also highlights the integrated SB and ME tools and techniques for bioremediation purposes.     

基因编辑技术在大肠杆菌中的应用

利用基因编辑技术对大肠杆菌基因组进行改造可以研究基因功能,或改变其代谢途径大量生产原本成本较高的产物,从而获得可以生产特定产物的遗传稳定性工程菌株.目前可以对细菌基因组编辑的方法有Red同源重组、CRISPR/Cas9技术等.Red同源重组是比较传统的基因编辑技术,应用广泛,但编辑效率受整合片段大小的限制,基因编辑过程...     

秸秆真菌降解转化与可再生化工

秸秆生物质是储量巨大的碳资源,我国每年可用的生物质资源接近10亿t,如果可以转化为燃料乙醇等生物基化学品,有望减少至少2亿t的原油进口量,因此发展秸秆生物转化生产燃料乙醇和大宗化学品是生物制造的核心组成。中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)自建所之初,便提出了“两个替代一个提升”,其中包括以可再生碳资源替代不可再生石化资源生产大宗化学品。发展秸秆生物转化是研究所的长期战略,建所10年来,在这一领域进行了持续系统地研究,取得了显著进展。本文重点综述真菌系统的生物质降解与转化,包括丝状真菌纤维素降解机理,生物质炼制整合路线研发等,实现了生物质一步转化燃料乙醇、苹果酸等多种大宗能源材料化学品。在可再生化工研究方面,重点介绍了丁二酸、乳酸等一批大宗有机酸,以可再生碳资源为原料进行生产的工业化进展,展示了生物制造替代石化路线生产大宗化学品的潜力。天津工业生物所在秸秆生物转化和可再生化工方面的研究,为我国建设发展低碳经济社会提供了有效参考路径,有望为我国实现双碳战略目标作出自己的独特贡献。     

微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品

当前,全球经济的高速发展与日益减少的石油资源储备进一步加剧了能源供需矛盾。人类对开发利用可再生的纤维素生物质资源寄予厚望。木糖是木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖,因此对木糖高效率生物转化的研究成为影响其工业化前景的关键因素之一。针对近几年的研究,文中综述了生物转化木糖方面的进展,包括木糖代谢途径的鉴定和设计、木糖运输途径的改造、生物基化学品制备。为了解决当前全球面临的能源危机与环境问题,运用合成生物学技术发展新一代生物燃料技术,特别是开发能够代谢木糖高产乙醇的微生物工程菌株是实现可持续发展的重要方式。     

非常规酵母基因工程表达系统

非常规酵母系指除了酿酒酵母与粟裂殖酵母之外的酵母曹。非常规酵母可利用其自主复制序列构建载体,但整合载体是进行外源基因导入的主要方式。非常规酵母的转化有一定的宿主范围,可采用与酿酒酵母相同的方法,最常用的仍为化学法。高效表达元件可利用酿酒酵母的强启动子,也可以根据非常规酵母菌的代谢特点寻找强启动子．本文综述了近年来应用非常规酵母基因表达系统表达外源基因的一些实例。