细胞工厂中的代谢传质与过程强化

细胞工厂是生物制造的重要技术平台,为生物质资源的开发和利用奠定了基础.代谢传质是细胞新陈代谢必不可少的部分,也是提高代谢产物合成的关键因素之一.胞内传质的方式和对象多样、效率不一,低效率的代谢传质严重影响了细胞工厂的生产能力.跨膜传质和无膜传质是代谢传质的两种主要形式,通过对这两种传质途径的改造和优化,可以提高细胞工厂生产初级代谢产物、次级代谢产物和生物大分子的能力.运用合成生物学和代谢工程手段,从多个角度对细胞的传质途径进行改造或从头设计、构建,可以有效提高代谢传质的效率、降低中间代谢物的损耗、提高目标产物的产量.本文从不同类型的代谢传质出发,总结了近年来利用强化代谢传质提高细胞工厂合成能力的研究,为更加深入、系统地研究代谢传质,拓宽其在细胞工厂生产中的应用提供了参考和策略.     

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。     

合成生物学中动态代谢途径调控策略的研究进展

随着合成生物学的发展,越来越多的天然高附加值化学品和大宗化学品可以通过在微生物底盘细胞中构建人工合成途径来进行生产。然而外源途径基因的不平衡表达以及有毒中间代谢产物的积累往往会影响宿主细胞的正常生长,这也是合成生物学研究中的一个共性难题。因此设计可控的基因表达系统,在特定时刻启动或者关闭人工合成途径,对于避免细胞生长和产物合成之间的相互干扰至关重要。重点介绍了最新的动态代谢调控策略及其在代谢途径调控中的应用,并对其发展趋势进行了展望。     

基于细胞亚群调控提升生物合成效率的研究进展

采用合成生物学与代谢工程技术设计与构建微生物细胞工厂是实现化学品绿色生物制造的重要方法。微生物发酵过程中低产细胞亚群和非生产细胞亚群由于代谢负担轻,更加具有生长优势,会降低产物合成的综合效率。目前,基于响应产物浓度的生物传感器,偶联产物合成与生长的细胞亚群调控系统有助于解决这个问题。综述了细胞亚群调控系统设计和构建的常用方法,重点讨论了目前细胞亚群调控系统存在的问题及其解决策略。     

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。     

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物学技术在解脂耶氏酵母底盘细胞中重构与优化萜类化合物的合成途径以实现目标代谢产物的高效合成,已经成为一项研究热点。本文系统总结了有关利用解脂耶氏酵母作为底盘细胞异源生产植物萜类化合物的具体实例和最新进展,包括所涉及的宿主菌株、关键酶、代谢途径及改造策略等,并在最后对该领域的未来发展方向进行了展望。     

启动子的选择及优化在酿酒酵母代谢工程中的应用

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为最简单的真核模式生物被广泛应用于生命科学的各项研究中。目前,大多数天然产物的主要生产途径是从原材料中直接提取,该方法效率较低,同时消耗了大量的生物资源,已逐渐被新兴的合成生物学方法所取代。其中通过改造酿酒酵母自身的代谢途径并加入异源代谢途径生产目标天然产物已成为一种高效的资源获取途径。通过对外源基因启动子的优化及改造,调控外源基因在宿主中的表达水平,从而协调宿主自身代谢途径,定向合成目的代谢产物是酵母合成生物学和代谢工程的研究热点。从构建酿酒酵母合成天然产物过程中启动子结构、类型及优化表达的方法进行了综述,为相关研究者利用酿酒酵母作为底盘细胞进行合成生物学的研究提供参考。     

从三羧酸循环代谢异常中探寻癌症进展与治疗新思路

三羧酸循环是有氧生物获得生命活动所需能量的主要途径。整个三羧酸循环的过程需要多种酶的协同作用,产生多种中间代谢产物,以此来维持细胞稳定的生存环境。在众多参与三羧酸循环的酶中,当其中某一种或多种酶的活性发生改变时,就会有新的代谢产物生成,从而改变细胞的命运。该文以三羧酸循环中异柠檬酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶和延胡索酸酶的突变所引起的一系列致癌代谢物的积累为切入点,就三羧酸循环中间酶突变引起的表观遗传学改变与肿瘤发生发展的关系进行综述,以期从三羧酸循环代谢异常中,探寻癌症进展与治疗的新思路。     

链霉菌中高效生产聚酮化合物的研究方法及进展北大核心CSCD

聚酮化合物是通过聚酮合成途径产生的一大类结构和生物活性多样的次级代谢产物,是链霉菌产生的主要次级代谢产物,具有重要的经济价值。为了在链霉菌中提高聚酮化合物产量,以满足工业生产需求,近年来,代谢工程的方法被广泛应用,例如,过表达合成途径中限速酶或途径特异性激活蛋白、强化前体供应、去除产物反馈抑制、合成基因簇异源表达等。本文将从代谢工程改造实例入手,全面综述链霉菌中聚酮化合物高效生物合成的研究方法及进展,并对利用合成生物学策略智能动态适配各个相关途径,进而提高该类化合物产量的研究思路进行展望。     

辅因子在微生物细胞工厂中的代谢调控与应用*

生物体中大部分酶催化反应都需要辅因子参与,辅因子平衡对维持正常的细胞代谢至关重要,而辅因子失衡则会导致细胞生长和生产的紊乱。在微生物细胞工厂的构建中,通过调节辅因子代谢平衡来提高产物合成途径的效率,从而调控细胞生长与产物生产,使代谢流能够最大限度地流向目标产物,已经成为代谢调控的重要手段。目前常见的用于代谢调控的辅因子有NAD(P)H/NAD(P)⁺、辅酶、ATP/ADP等。围绕这几种辅因子的代谢途径及功能分类进行了综述,并总结了微生物中不同产物利用辅因子平衡策略进行合成调控的研究,以期为各类化合物的高效生物合成提供参考。     

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。     

基因编码型生物传感器在微生物细胞工厂中的应用进展

合成生物学的迅猛发展推动了微生物细胞工厂中多种复杂化学品的生物合成,但仍存在产量低、生产效率不高等诸多问题。基因编码型生物传感器可以感知细胞内外代谢物浓度及外界环境的波动,产生可测量的信号输出或调控通路中的基因表达水平,具有成本低、操作简单、可再生等优点。目前,基因编码型生物传感器已经成为合成生物学和代谢工程的重要组成部分,是微生物细胞工厂中代谢动态调控及理想表型进化/筛选的强大工具。概述了基因编码型生物传感器的组成及工作原理,重点介绍了基因编码型生物传感器在微生物代谢动态调控及高通量筛选中的最新研究进展,就基因编码型生物传感器设计与构建过程中面临的挑战进行探讨,并展望了其今后的发展方向。     

一碳代谢路径通路在癌症发生中作用研究进展

我国癌症发病群体不断年轻化,发病率不断增加。最近科学研究表明,细胞代谢相关调控基因已成为新的癌症诊断标记和治疗靶点。一碳代谢对于细胞代谢必不可少,一碳代谢需要叶酸、丝氨酸和蛋氨酸等细胞必需的生物代谢物质参与,同时也产生嘌呤、腺苷和胸苷酸等生物代谢物质。一碳代谢包括三类关键反应:叶酸循环、蛋氨酸循环、反硫化途径。在叶酸循环中,叶酸及叶酸循环中间产物可以通过产生嘌呤和胸苷酸调控癌症细胞的生长和增殖。在蛋氨酸循环中产生的多胺和甲基等中间产物也能调控癌症细胞的生长和增值。反硫化途径是谷胱甘肽合成的重要途径,谷胱甘肽能够生成与肿瘤细胞密切相关的活性氧。该研究将简要综述一碳代谢在癌症发生中的作用,概况了近年来一碳代谢通路重要因子及中间产物作为靶点对癌症治疗的意义。     

L-精氨酸合成及高产菌选育与发酵研究进展

精氨酸是合成蛋白质的重要原料,是一些代谢途径的中间代谢物.它在人和动物体内具有重要的生理生化功能,在食品与医药工业应用十分广泛.对精氨酸高产菌株选育、发酵工艺优化、真核生物中的合成途径、代谢调控机制等方面最新研究进展做了综述.     

突变菌株中间代谢产物合成顺序的判断思路和方法

判断营养缺陷型菌株中间代谢产物合成顺序在高三复习阶段习题中较为常见。列举了与判断营养缺陷型菌株中间代谢产物合成顺序相关的基本概念,分析并介绍了解决此类问题的判断思路和方法,即逆向推理和正向分析2种方案。     

植物次生代谢,离体培养条件下次生代谢生物积累及其调控研究进展

简述了高等植珠的几大类次生代谢产物及其合成途径,采用了大量研究实例以说明运用细胞工程生产代谢物的可能性,指出提高植物培养细胞中次生代谢物产量的各种调控途径。     

微生物细胞工厂中多基因表达的控制策略

微生物代谢工程和合成生物学是当今微生物技术领域研究的热点,微生物的生长速度快、容易进行大规模培养;遗传背景清楚、遗传操作简便可靠等性质使其在与人类生活相关的多个领域中起到重要的作用。微生物细胞工厂是指人工设计的能够进行物质生产的微生物代谢体系。许多微生物细胞工厂的构建由于引入多个基因或整条代谢途径,而可能导致代谢失衡、部分代谢中间产物积累等问题,需要使用一定的调控策略加以控制。以下对涉及多个基因作用的微生物细胞工厂中所使用的调控策略,分为若干层次进行了总结和探讨,并对今后多基因控制策略的发展方向进行了预测与展望。     

药用植物甾体生物碱的药理作用及合成途径

甾体生物碱是药用植物中广泛存在的一类代谢产物,是一类具有降压、止咳、平喘、抗肿瘤等生物活性的天然产物。目前,甾体生物碱的合成代谢途径、分离纯化、鉴别及生物学功能研究已成为国内外天然产物研究的热点之一。对药用植物甾体生物碱的药理作用进行了综述,并根据萜类物质合成途径,推测总结了甾体生物碱的合成相关途径和参与该途径的关键酶及其基因克隆的研究进展,以期为药用植物甾体生物碱的代谢途径与基因表达调控及应用研究提供参考。     

真菌诱导子在发酵工业中的应用现状及展望

真菌诱导子是一类能诱导植物和微生物产生次级代谢产物的活性物质,它一经识别,将通过信号转导途径,引起相关基因表达发生变化,从而调节次级代谢产物合成途径中相关酶的活性,诱导特定次级代谢产物的积累。近年来国内外在真菌诱导子诱导途径及机制方面进行了深入研究,同时在生物工业领域,尤其在发酵工业中的应用也引起了广泛关注。以下结合本实验室的研究工作,重点介绍了真菌诱导子在植物和微生物细胞次级代谢产物合成方面的应用现状、诱导机制和存在的问题及展望。     

乙醇合成途径的计算机重构

目的:用计算机重构乙醇合成途径,为合成生物燃料乙醇提供理论依据。方法:利用KEGG反应、化合物数据提取反应等式,过滤掉42个通用代谢物参与的反应,然后利用剩下的反应构建反应矩阵;利用广度优先搜索算法在反应矩阵中搜索生成乙醇的代谢途径。结果:计算机重构了23 108条乙醇合成途径,以大肠杆菌作为产乙醇基因工程菌为例,通过限制改构菌整合的关键酶数目,分别得到了78条以酒精O-乙酰基转移酶为关键酶的乙醇合成通路和89条以丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶为关键酶的乙醇合成通路,并构建了相应的乙醇合成网络图,标注每个反应的酶及编码该酶的基因。结论:通过计算机方法重构了多种乙醇合成途径,可以为利用微生物工业化生产乙醇提供理论依据。