微藻代谢工程改造研究进展及展望

微藻种类繁多,分布广泛,很多微藻能通过自身代谢生产油脂、色素、多糖等高价值产品.但通常情况下,微藻生产高价值产品时存在产物含量低以及细胞采收成本高等缺点,限制了微藻产品的实际应用.为了有效开发利用微藻资源,研究如何利用遗传改造技术选育藻株,提高其代谢物含量,并改善微藻采收效率十分重要.近年来,利用代谢工程改造微藻取得了显著进展,此外,微藻基因组编辑及合成生物学研究也不断深入,这些遗传改造技术的不断进步和创新,必将提高微藻重要代谢物的生产效率,以满足人类不断增长的能源、食品和制药工业需求.     

代谢调控在微藻油脂积累中的作用

矿物能源的无节制使用,引起了日益严重的环境问题.随着全球石油耗竭及其价格的上涨,大力发展生物质能源、寻求可再生性新能源,对经济的可持续发展、缓解能源压力、控制环境污染具有重要的战略意义.微藻以其生长周期短,含油量高而引起了人们的广泛关注.但由于对藻类脂肪代谢中的调节机制了解不多,以及微藻基因组研究的相对滞后,极大的限制了微藻生物质能源的大规模开发利用.随着现代生物技术的发展,通过基因工程、代谢工程的方法,调控微藻脂类代谢,提高藻类含油量和生物量已成为可能.该文综述了影响微藻生长和油脂积累的生理生态因素及其调控的研究进展,探讨了代谢调控在微藻油脂积累中的作用及其在生物质能开发中的应用前景.     

微藻生物质产品和生物活性物质的研究与开发

本文综述了微藻在生物质产品及活性物质开发上的研究进展。部分微藻如节旋藻、小球藻、盐生杜氏藻和雨生红球藻等已用于商业化生产生物质产品。另外,从微藻中提炼的生物活性成分如β-胡萝卜素、虾青素、藻蓝蛋白、长链多不饱和脂肪酸和活性多糖等已应用于营养保健品和化妆品的生产。基于微藻种类的多样性和基因工程、代谢工程的快速发展,微藻天然产物具有很大的开发潜力。     

微藻生物技术在碳中和的应用与展望

碳中和是指CO2"零排放",在一段时间内通过节能减排、增加碳汇等途径,抵消各类活动所产生的CO2的排放.微藻是含有叶绿素a的原生生物,可以利用太阳能通过浓缩机制(CCM)进行光合作用高效固定CO2、通过异养同化作用转化固定有机碳.微藻生物质可转化为生物燃料、生物材料及生物肥料等,实现对传统化石燃料、塑料及化肥等的替代....     

固碳产油微藻的基因工程改造

藻种的选育和基因工程改造是微藻生物柴油研究的核心。为此,简要综述了微藻从光合作用到甘油三酯(TAG)合成过程中的关键基因及其代谢调控等方面的研究进展。从光合作用固碳、中心碳代谢、脂肪酸合成、TAG的组装、抑制TAG合成的竞争途径及脂类的分解途径等几个方面入手,浅析各个代谢途径中关键基因的作用及其表达调控。在此基础上,探讨微藻基因工程改造的可行性并指出微藻生物柴油在生物质能源领域中的前景及其综合利用的发展优势。     

从碳代谢流角度新解代谢工程策略

代谢工程通过改造微生物代谢过程,进而利用微生物生产各种有用的医药、化学产品及工业原料.本文从细胞代谢中碳代谢流的角度入手,将代谢工程的传统与新型策略进行分类解析.其中,传统代谢工程手段主要对目标代谢路径的关键酶进行改造,通过过表达或基因敲除增大目的代谢路径碳代谢流.然而,在代谢路径改造需要进行多基因表达的情况下,传统手段在如何最佳表达多种酶使碳流通畅上会受到很大限制.本文提出利用高碳流路径,通过简单基因改造以获得高效目标产物生产的新策略.同时,随着合成生物学与系统生物学的发展,精细调控多基因表达成为可能.本文进一步举例讨论了代谢工程中粗略与精细调控基因表达水平对碳流的影响,以期对教学与前沿科研有助.     

微藻生物能源的产业化进程及其在CO2减排中的应用进展

基于微藻能源的第三代生物燃料,是一种通过微藻的光合作用积累生物量和油脂而获得的新型清洁生物能源。微藻是由阳光驱动的细胞工厂,它可以在常温常压下实现对CO2的高效吸收,通过微藻细胞高效的光合作用,将光能转化为脂肪或淀粉等碳水化合物的化学能,并释放出O2。将就生物能源、微藻生物能源及其在CO2减排中的应用和产业化进程进行总结和展望。     

絮凝微生物采收微藻的作用机制研究进展

微藻广泛分布于自然界,其易培养,生长快且应用价值高,普遍用于生物燃料、医学原料、优质食品源及畜牧养殖业等。近年来,通过对光生物反应器改造设计、高产藻株筛选、代谢通路基因改造等方法实现微藻产量的提高,而在微藻处理的下游过程的研究与创新不足,特别是微藻采收已经成为其产业发展的瓶颈。本文综述了絮凝法在微藻采收中的作用,重点讨论了絮凝微生物在微藻采收中的作用,并对絮凝微生物对微藻的絮凝机制进行广泛探讨,为絮凝微生物采收微藻提供理论依据。     

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

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。     

不同二氧化碳浓度培养对两株栅藻碳固定速率及油脂积累的影响

正人类在利用化石燃料的过程中会导致大量有害温室气体CO_2的排放,促进全球气候变暖。微藻可通过光合作用固定CO_2,同时大量的微藻生物质还能作为生物能源的原料[1],因此,越来越多的研究关注于微藻生物固碳以达到降低碳排放的目的。利用微藻光合作用进行CO_2固定是一种能量节约型和环境友好型技术手段[2]。在利用微藻进行CO_2生物固定以及生物燃料生产时,研究微藻的CO_2固定能力、CO_2对微藻的生长以及油脂积累的影响等都是十分重要的。国内外利用微藻进行生     

植物激素调控微藻储能物质积累研究进展

微藻储能物质(碳水化合物、脂类等)可以作为生物燃料和生物基化学品的可再生原料。非生物胁迫(高光强、高盐度、营养盐限制、重金属等)传统诱导微藻储能物质积累的方法影响微藻的生长,从而限制了储能物质的高效积累。植物激素作为化学信使协调植物细胞活动的一类小分子物质,可对微藻的生理代谢活动产生调控作用,包括促进微藻细胞分裂,增加胁迫耐受,提高光合作用效率,从而提高藻类生物量,增加油脂、叶绿素和蛋白质含量。本文中,笔者概述了近年来国内外利用外源添加植物激素结合非生物胁迫条件调控微藻储能物质积累的研究进展,探讨了植物激素对微藻储能物质积累的作用机制,并提出未来可能的研究方向。     

微生物代谢工程的研究进展和展望

代谢工程技术是构建微生物细胞工厂的重要方法,其主要目标是通过基因工程等手段将目标代谢产物产量最大化。然而基因工程等操作往往会影响细胞生长速率,导致其生产强度降低。随着合成生物学及相关技术的发展,多种调控策略被应用于代谢工程领域以解决上述问题。通过这些调控可以有效地解决细胞生长与产物合成之间的竞争关系,平衡代谢途径,避免中间代谢产物的过量积累。对这些策略的研究及应用进行了概述和展望。     

莱茵衣藻中脂质代谢过程研究进展

微藻中脂质代谢产生的化合物,可用于生物燃料、营养品和生物药品的生产,因此具有重要的经济价值。脂质代谢贯穿微藻的全部生命过程,对微藻的生长发育和应对外界胁迫都具有重要意义。微藻与研究较清楚的真菌和陆地植物在脂质代谢过程方面具有相似性。当然,随着微藻脂质代谢相关功能基因逐渐被鉴定,人们发现微藻的脂质代谢也具有区别真菌和陆地植物的独特性,因此针对微藻脂质代谢过程的分析具有重要意义。莱茵衣藻是研究脂质代谢过程的模式生物,已经通过基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等方法,对其质体、内质网和过氧化物酶体中进行的脂质合成和分解过程进行了研究。本文总结了近年来莱茵衣藻质体、内质网和过氧化物酶体中脂质代谢过程的研究成果,并进行综合阐述。     

药用植物次生代谢工程研究概况

植物次生代谢工程,是通过基因工程技术改变植物体内的合成和代谢途径,以满足人类对天然植物次生代谢产物不断提高的需求。随着对药用植物次生代谢合成途径日渐全面的认识,采取有效的代谢工程策略对植物次生代谢途径进行遗传改良,已经取得了诸多研究成果。但是,对代谢途径的总体调控以及次生代谢途径之间的协调等方面,仍然了解甚少,而利用系统生物学方法开展预见性代谢工程将会成为未来的研究趋势。     

微藻生物燃料作为喷气机燃料见成效提高能量收支比是关键

微藻的单位面积生物质产量比农作物高数十倍以上。作为将太阳能高效转换成燃料的重要手段,微藻备受关注。如何减少燃料制造过程中的能量投入,是技术开发时必须牢记的准则。 作为利用太阳能产生燃料的生物质,微藻引起了广泛的关注,甚至在2012年12月16日日本进行的众议院议员选举中,藻类燃料也被当做话题展开了讨论。筑波大学渡边信·彼谷邦光研究室一直从事藻类生物燃料实用化的研发,并在其网站的首页上写着：“向藻类要油!使日本成为产油国!”     

微藻规模化培养研究进展

微藻作为地球上最古老的物种之一,其诞生可追溯到35亿多年前.微藻的种类十分丰富,形态也多种多样.微藻一般都含有叶绿体,因此可进行光合作用,有研究表明微藻固定CO2的能力是陆地植物的10倍.微藻以其丰富的代谢产物及独特的生理特性在可再生能源、生物医药、食品工业和环境监测等方面有着广泛的应用.然而如何在控制成本的前提下对微...     

微生物代谢工程原理与应用

代谢工程是利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络,并通过DNA重组技术和应用分析生物学相关的遗传学手段对细胞进行有精确目标的基因操作,改变微生物原有的代谢或调节系统,实现目的产物代谢活性的提高。代谢工程综合了生物化学、化学工程、数学分析等多学科内容,是当前国内外学者研究热点之一。论述了微生物代谢工程的理论基础及其应用进展和前景。     

萜类高效合成平台的搭建与萜类产物批量挖掘

萜类化合物是天然产物中的重要类群,其结构多样性赋予这类化合物广泛的用途,如抗疟疾的青蒿素、抗乳腺癌的紫杉醇、抗氧化的番茄红素、天然名贵香料檀香油、航空燃油前体化合物法尼烯等。这些高价值萜类化合物的大量生产和新型萜类化合物的高效挖掘是代谢工程和天然产物挖掘领域的主要挑战。定向合成代谢、体外重组策略和组学研究指导下的理性代谢工程改造,优化了宿主平衡代谢通路,加快了高价值萜类产物的发现历程。现综述了近年来萜类化合物代谢工程改造和基因组挖掘的研究策略,并展望了萜类化合物挖掘的途径以及在真菌体内的异源表达和代谢工程改造。     

基因敲除技术及其在微生物代谢工程方面的应用

应用基因工程技术对微生物细胞内的代谢通量进行重新设计,是获得高产高效的工业菌株的重要手段之一。基因敲除是20世纪80年代发展起来的一项重要的分子生物学技术,利用基因敲除技术可阻断细胞的代谢旁路。或通过引入突变位点改变目的产物的产量或质量而达到调节代谢流,优化代谢途径的目的。简单介绍了基因敲除技术的操作过程,重点讨论基因敲除技术的敲除策略及在微生物代谢工程方面的应用,并展望了相关技术在诸多领域的发展趋势。