微生物,高智商,大产业——合成生物学助力阿维菌素的高效智能制造

合成生物学研究具有两种属性,即生命本质的认识提升属性与生物制造属性。以阿维菌素产生的生命过程复杂性为例,几乎可用"高智商"来形容。通过系统认知微生物的"智商",从"格物致知"到"建物致用",实现师法自然,让微生物更高效地为人类服务。在人工工业大规模制造时,上述生命本质的认识无疑是有帮助的,但在微生物与生物反应器组成的复杂系统中,如何从基因到代谢的细胞生理状态到胞外的环境影响中,由"格物致知"的因果关系找到可人工操作的生物智能制造(智造),这又是极其困难的科学问题,这就是合成生物学的生物制造属性。因此,必须开展生物过程大数据分析,克服基因、代谢、过程到生产组织中产生的大量互不联系的数据孤岛。近年来,合成生物学的蓬勃发展掀起的技术革命已经彻底颠覆了人们过去对于生物和生物技术的认识。该文以阿维菌素的研究为例,讨论在合成生物学时代如何利用微生物的"智商"来加速实现微生物药物高效智能制造的研发过程,并为其他微生物天然产物药物的智能化生产提供可借鉴的思路和方法。     

从阿维菌素获得诺贝尔奖到中国创造

纵观世界历史,大国崛起无不伴随着科技的兴起和机制体制的突破。来自大自然的天然产物对于人类的健康起到非常重要的作用,从抗肿瘤明星分子紫杉醇到挽救了无数人生命的抗感染药物青霉素,从治疗代谢疾病到营养保健,都离不开天然产物。此外,还有大量天然产物资源没有被开发过。而随着阿维菌素的发现者Satoshiōmura教授和William C.Campbell博士,及青蒿素的发现者屠呦呦研究员因为这两种天然产物在治疗寄生虫感染病和疟疾上的应用而获得2015年诺贝尔生理与医学奖后,天然产物有望迎来其发展的第二个黄金时代。我国是世界工厂也是天然药物的资源大国,为了实现产业升级,弯道超车,实现大国崛起的中国梦,我国科学家在"十二五"期间围绕着天然产物的高产和创新两大主题开展了富有成效的合成生物学研究。阿维菌素是由阿维链霉菌产生的高效低毒生物杀虫剂,其原料产能占国际市场的100%。但我国原有生产菌株的单位发酵产量较低,高消耗、高污染、片面追求生产规模的粗放型发展模式已经成了阻碍低碳经济持续高速发展的瓶颈。如何从根本上解决问题,提高生产菌株的单位发酵产量和原料利用率,降低能耗和生产成本,减少环境污染,是促进我国从"发酵大国"向"发酵强国"转变的关键。本文以阿维菌素为例,综述其基础研究的技术发展,特别是中国科学院微生物研究所引入合成生物学技术,将阿维菌素的单位产量提高了1000倍,至9 g/L,在内蒙古新威远与阿维菌素产业联盟的公司应用,迫使默克公司全面退出阿维菌素历史舞台,从而引领产业迅速发展的过程,为我国其它天然产物生物制造品种的改良提供思路和方法。     

构建高质量微生物天然产物库研究策略

微生物次级代谢产物历来是天然药物的重要来源,过去曾被称为"生物沙漠"的海洋,由于从中分离到大量新的微生物、基因及生物活性化合物,被重新认识逆转而成为一种"生物多样化的热带雨林".构建一个高质量微生物库及其天然产物库是保证药物和其他筛选成功的前提和关键.但如何高效建立高质量微生物天然产物库仍面临很多瓶颈问题.我们拟从:(1)扩大可培养微生物的多样性及去重复化;(2)扩大基因资源多样性及去重复化;(3)扩大微生物次级代谢产物多样性及去重复化;(4)寻找崭新次级代谢产物的新技术新方法,特别是针对多靶位药物的高通量互动筛选方面提出应对的研究策略.利用上述化学微生物学策略分离生物活性化合物不仅在生物技术和制药学应用中显现重要性,也增加了我们对微生物的多样性、生态系统功能和应用生物学的理解.     

发酵工业菌种的迭代创制

生物发酵是以微生物菌种为生物催化剂,以淀粉糖、生物质等可再生资源为原料发酵生产各种食品、化学品、燃料、材料等物质的生产过程,具有绿色、低碳和可持续等特征。我国拥有全球规模最大的生物发酵产业,尤其氨基酸、维生素等传统发酵产品占全球市场份额的60%–80%。发展生物发酵产业对于我国实现“碳中和、碳达峰”的战略目标和生物经济发展具有重要的意义。微生物工业菌种是生物发酵产业的核心,直接影响原料路线、产品种类和生产成本。创新发酵工业菌种,提升其原料转化利用效率,提高产物生产水平,拓展产品种类,是生物发酵产业高质量发展的关键。近年来,合成生物学、系统生物学等学科的发展,进一步加深了研究者对微生物底盘细胞生理代谢机制的理解,加速了基因编辑等菌种设计创制使能技术的发展,为发酵工业菌种改造提升提供了新动能。本文选取了具有代表性的大宗氨基酸、B族维生素、柠檬酸、燃料乙醇等发酵产业,从其工业微生物底盘的基础研究和技术开发角度,综述发酵工业菌种改造提升的最新进展,并展望人工智能、自动化与生命科学交叉融合将对工业菌种迭代产生的重要影响。     

非核糖体肽的生物合成研究进展

非核糖体肽(nonribosomal peptide, NRP)是由多种微生物通过非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase, NRPS)等催化合成的一类小分子多肽类次级代谢产物,具有抗菌、抗肿瘤、免疫抑制等多种生物活性,是一类重要的微生物药物,具有很高的临床应用价值。从目前已发现的小分子多肽类天然药物出发,综述了该类物质的生物功能、合成组装机制以及近年来在工程改造方面的进展,并提出了未来研究发展方向,对进一步通过组合生物合成等方式高效合成更多种类的小分子多肽类活性物质具有借鉴意义。     

关注微生物来源的新药开发

自然界中微生物的多样性及其代谢产物的多样性,提供了发现新药(以及先导化合物)的不竭动力。随着生命科学的发展,尤其是随着分子生物学技术的发展和应用,使得以微生物为源泉的新药研发有了更多的支持,微生物药物的研究越来越受到国内外的重视。     

中国微生物资源研究现状及未来发展态势分析（英文）

【目的】微生物资源由于其对于生命科学基础研究和生物经济的重要价值,一直是全球生物技术竞争的战略重点。中国目前已经成为在生命科学研究领域最有影响力的国家之一,每年发表的论文数量居全球第二位。通过微生物资源的保藏和利用的分析能够一定程度反映我国微生物研究的整体状况和进展,并进一步反映生命科学研究和生物产业的发展趋势。【方法】本文通过分析我国微生物资源保藏、文献、专利等数据,阐述了我国微生物资源的保藏和利用现状,并同相关国家进行了比较,基于此分析,为我国微生物资源挖掘与利用提供战略方向和建议。【结论】近年来,我国建立了微生物资源国家平台,每年发表论文数量居全球第二位,申请和授权专利数量居全球第一位,充分反映了我国微生物资源研究及其在生物产业的应用现状。我国正在形成一个微生物资源保藏、研究和应用的完整体系,为我国乃至全球的生物经济的发展提供支撑。     

中国微生物资源研究现状及未来发展态势分析

[目的]微生物资源由于其对于生命科学基础研究和生物经济的重要价值,一直是全球生物技术竞争的战略重点。中国目前已经成为在生命科学研究领域最有影响力的国家之一,每年发表的论文数量居全球第二位。通过微生物资源的保藏和利用的分析能够一定程度反映我国微生物研究的整体状况和进展,并进一步反映生命科学研究和生物产业的发展趋势。[方法]本文通过分析我国微生物资源保藏、文献、专利等数据,阐述了我国微生物资源的保藏和利用现状,并同相关国家进行了比较,基于此分析,为我国微生物资源挖掘与利用提供战略方向和建议。[结论]近年来,我国建立了微生物资源国家平台,每年发表论文数量居全球第二位,申请和授权专利数量居全球第一位,充分反映了我国微生物资源研究及其在生物产业的应用现状。我国正在形成一个微生物资源保藏、研究和应用的完整体系,为我国乃至全球的生物经济的发展提供支撑。     

微生物药物:再次站在现代科技的聚光灯下——“微生物药物创新与高效制造”专刊序言

正以青霉素、链霉素和阿维菌素为代表的微生物药物3次获得诺贝尔奖的青睐,凸显了微生物药物在治疗人类疾病、防治农业病害和修复生态环境中的重要作用。同时,病原生物抗药性的日趋严重、新型疾病的发生、节能减排高产的生产需求等呼唤新药物、新机理、新菌株、新工艺的药物创新和高效制造。旨在改变传统药物发现、研究、改造和生产模式,高通量筛选、沉默基因簇     

生物反应器技术平台及其在新药研发中的应用

<正>生物反应器是科研成果的转化及新药研发的重要技术平台。简要介绍长江学者蛋白药物重点科技创新团队在多种生物反应器技术平台的建立及其在新药研发中的应用,为以高校为科研主体,开展新型"产学研"相结合的模式,积极推动科研成果的产业转化提供一种可借鉴模式。     

合成微生物群落用于木质纤维素生物质转化的研究进展

木质纤维素在自然界中的储量可观,是生物燃料生产的重要来源。联合生物加工(consolidated bioprocessing)指在不添加酶的情况下,将木质纤维素“一步”转化为生物燃料的过程,在能源危机日益严重的今天具有重要的应用价值。合成微生物群落(synthetic microbial consortia)是由两种或多种纯培养微生物(野生菌株或工程菌株)共同培养而形成的菌群,具有复杂性低、稳定性高等优点,通过协调微生物之间的相互作用以及整个生态系统的稳定,从而实现特定的功能。近年来,合成生物学的快速发展有利于开发新的方法和工具用于合成微生物群落的构建及优化,促进其在联合生物加工方面的应用。本文聚焦于木质纤维素的联合生物加工,综述了合成微生物群落在该领域的研究进展。简单介绍了系统生物学为合成微生物群落的设计提供指导,详细介绍了合成微生物群落的设计原则、优化工具和在实际生产中的应用与挑战,为木质纤维素的联合生物加工提供借鉴意义。     

高通量植物生物反应器及其在遗传资源挖掘中的应用

生物反应器(bioreactor)是一种以表达目标产物或获得繁殖体为目的的设备系统,包括微生物、动物、植物生物反应器以及相关设备。植物生物反应器(phytobioreactor)是借鉴植物组织培养和微生物发酵原理制作的设备系统。其中,应用较广泛的是间歇浸没式植物生物反应器。与传统植物组织培养相比,该方法具备可换气、无需转接和大容量培养等特点。国内制作的BIOF系列新型植物生物反应器还可以利用串/并联方法,实现更高通量培养能力,其应用于植物种苗繁育、代谢产物的表达、耐盐等变异的定向筛选、植物生长发育的动态分析等方面均具备显著优势。现代植物生物技术在基础研究和产业方面的应用对植物生物反应器提出了新要求,新型生物反应器应用方法的持续改进和设备系统的不断完善,使其成为植物学领域的高效研究平台,并将促进植物育种和植物源化合物的发掘等方面研究效率的提高。     

微生物次级代谢产物抗辣椒疫霉的研究进展CSCD

辣椒疫霉(Phytophthora capsici)是一种破坏性极强的蔬菜作物病原菌,会使植物患疫病,已对农业生产造成巨大的经济损失。微生物次级代谢产物可通过破坏细胞膜通透性、干扰蛋白质合成以及诱导植物产生抗性等机制来抑制辣椒疫霉,在防治辣椒疫霉和其他植物病原菌中发挥着重要作用。微生物源次级代谢产物如吩嗪-1-羧酸是我国自主创制的绿色杀菌剂申嗪霉素(shenqinmycin)的主要成分,对包括辣椒疫病在内的多种植物病害有良好的防治效果。因此,微生物次级代谢产物的应用是生物防治中控制植物病害的有效手段,也是实现农业绿色发展的有效策略。本文以微生物类型(细菌、放线菌和真菌)为主线,简要综述了近二十年来94种具有抗辣椒疫霉活性的微生物次级代谢产物的来源、抗菌效果和部分次级代谢产物的抗菌机理,以期为微生物源次级代谢产物抗辣椒疫霉的研究与开发提供参考。     

研究开发燃料油植物生产生物柴油的几个策略

能源短缺和环境污染是目前人类社会所面临的巨大挑战, 而生物柴油的应用和推广正是现阶段解决能源替代问题的较佳手段。现今国外生物柴油产业发展十分迅速, 产量逐年增长, 而我国的生物柴油产业才刚刚起步。本文介绍了极具潜力的5种木本油料植物麻疯树(Jatropha curcas)、光皮树(Cornus wilsoniana)、文冠果(Xanthoceras sorbifolia)、黄连木(Pistacia chinensis)和欧李(Cerasus humilis)和1种野生草本油料植物海篷子(Salicornia bigelivii), 进而提出运用转基因技术提高燃料油植物种子含油量的优势, 归纳总结了生产生物柴油的4种不同工艺。最后建议政府应对燃料油植物种植和生产加工产业实施补贴和免税等扶植政策。本文对我国生物质能源产业的发展提供了有价值的实施策略, 具有重要的借鉴和参考价值。     

微生物药物产量理性化提高的策略及其研究进展

微生物药物(Microbial drug)是一类结构复杂多样,生物活性显著的小分子化合物。微生物药物产量决定了其后续的可开发性与使用成本。传统育种方法提高微生物药物产量效果明显,但随机性强且成本高昂,然而合成生物学的兴起为微生物药物产量理性化提高注入了全新活力。本文从启动子的工程化应用、前体供应、基因组重排等方面,综述了近年来合成生物学策略在放线菌来源的微生物药物产量理性化提高方面所取得的相关研究进展。     

期刊联合简介

天然产物研究与开发 季刊(96页)单价:10.00元 国内邮发代号:62-107 《天然产物研究与开发》是中科院成都文献情报中心、中科院地奥制药公司、国家天然药物工程技术中心合办。主要报道天然产物研究员新成果和开发的广泛用途。包括植物(重点是天然药物)、动物、微生物、生物高分子等天然产物的资源、鉴定、提取、分析、改性、合成、仿生和利用的研究论文、实验报告、综述或开发动向。读者对象为从事天然产物研究、开发的有关科技人员和管理人员。本刊承接各类广告。     

利用合成生物学技术深入挖掘放线菌中活性次级代谢产物

放线菌是一类能够产生丰富生物小分子药物的微生物, 对人类的健康事业做出了杰出的贡献。但近几十年来, 来源于微生物并最终上市的药物越来越少, 而病原菌的抗药性问题却越发严重, 人们对新药的期待越来越迫切。本文介绍了近十年里发展迅速的合成生物学对微生物次级代谢产物研发的促进作用。合成生物学以工程化的思想对生命系统进行设计与改造, 使传统方法难以获取的放线菌次级代谢产物通过外源宿主得以产生, 充分利用了自然界的资源; 此外, 对次级代谢基因簇的合理设计和对生物元件的应用不仅使人们获得了自然界中原本不存在的新化合物, 还能使某些具有广泛应用价值药物的产量得以显著提高; 最后, 本文还介绍了合成生物学领域近些年DNA组装的新技术和新方法, 为从事次级代谢产物研发的工作者提供便利。     

南海孔石藻可培养细菌多样性及代谢产物四溴吡咯研究

钙化藻和微生物在造礁石珊瑚幼虫的附着变态过程中扮演着重要角色,对珊瑚礁生态系统的健康具有重要意义。对南海珊瑚礁区钙化藻的共附生细菌进行分离培养,一方面有利于发掘南海珊瑚礁的微生物资源,另一方面有利于进行微生物与珊瑚、钙化藻等珊瑚礁框架生物的相互作用研究。本研究分离获得孔石藻(Porolithon onkodes)表面共附生细菌,基于16S rRNA基因序列进行系统发育分析,并通过高效液相色谱和质谱对分离得到的假交替单胞菌属菌株的代谢产物进行比较分析。从孔石藻分离获得的369株细菌菌株分别隶属于变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)的5纲12目22科47属的97个种级类群。在属级水平上,假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas)的菌株数量最多,分属于7个种。在假交替单胞菌属的代谢产物分析中,发现3株在系统发育树中聚为一簇的假交替单胞菌的代谢产物中存在四溴吡咯,而其余没有。研究结果不仅表明了钙化藻中含有丰富的可培养微生物和潜在新物种资源,还首次发现四溴吡咯在南海珊瑚礁区特定类群菌株的代谢产物中的存在,为珊瑚幼虫附着变态的化学信号研究提供基础。     

我国微生物肥料产业现状及发展方向

文章为辽宁省微生物学会主办的"微生物与现代农业专题论坛"主题报告,从我国微生物肥料产业的现状、存在的主要问题、发展机遇及微生物肥料的产业化方向4个方面对我国微生物肥料产业现状及发展进行了详细阐述和深入分析。     

战略性微生物资源知识产权现状研究及发展对策

微生物作为全世界分布最广且拥有量最多的生物资源,其应用已涉及到诸多领域并展现出了巨大的经济价值和社会价值。因此研究微生物及其知识产权(intellectual property rights,IPR)全产业链的现状和发展,对于我们如何全新地认知微生物,如何挖掘微生物资源以及发挥微生物作为产业最重要部分的作用具有重要的意义。我国已形成了较为完备的微生物相关专利保护体系,已形成了基于微生物的全产业链生态发展闭环格局。本文通过以微生物专利构成实质技术转移、许可和质押相关大数据分析,通过挖掘利用各种微生物资源,从战略高度探索国家开放遗传资源的大数据,围绕微生物功能性活性成分、菌株(群)基因大数据,基于微生物功能代谢产物、基因组进行数据分析、预警和专利布局,做好微生物资源IPR现状研究及发展对策。最终形成以产业为依托,战略性资源作为引导,IPR助推微生物全产业链中核心技术引擎的格局,进而实现微生物战略资源产业集群发展。