以生物合成为基础的代谢工程和组合生物合成

代谢工程和组合生物合成在筛选和发展新型药物方面日益成为生物、化学和医药界关注的重点。基于聚酮和聚肽类天然产物的独特化学结构和良好生物活性,研究它们的生物合成机制,将为合理化遗传修饰生物合成途径获得结构类似物提供遗传和生物化学的基础,实现利用现代生物学和化学的技术手段在微生物体内进行药物开发的目的。     

苯丙氨酸生物合成的研究进展

代谢工程是利用分子生物学原理系统分析代谢途径,设计合理的遗传修饰策略从而优化细胞的生物学特性,本对代谢工程及其在氨基酸生产上的应用进行了简单的回顾,比较了苯丙氨酸的几种合成途径,重点综述了苯丙氨酸生物合成的代谢途径,相关酶及其调控方式,代谢流和转运系统的分析研究,并对苯丙氨酸生产策略的优化及未来发展进行了展望。     

L-精氨酸生物合成机制及其代谢工程育种研究进展

L-精氨酸是人体半必需的氨基酸,在生命代谢过程中起着非常重要的作用,且具有广泛的应用价值及市场需求。目前,L-精氨酸主要采用微生物发酵法进行生产,为了提高L-精氨酸的产量和稳定性,最有效的方法是优化L-精氨酸生产菌株,通过代谢工程改造微生物菌株有望达到这一目的。本文分析了微生物中L-精氨酸的代谢途径和调控机制,并综述了构建高产L-精氨酸的代谢工程策略。此外,展望了菌株稳定性和底物扩展利用的未来研究方向。     

原花青素的生物合成途径、功能基因和代谢工程

原花青素（PA）广泛分布于高等植物中,与农作物的多种品质性状密切相关。虽长期受到关注,但其生物合成途径和主要功能基因的解析则是近年来随着拟南芥等植物突变体研究的深入才取得突破的。PA经公共苯丙烷。核心类黄酮一原花青素复合途径而合成,先后涉及12个关键酶（PAL、C4H、4CL、CHS、CHI、F3H、F3’H、DFR、LDOX／ANS、LAR、ANR、LAC）的催化反应和3种转运蛋白（GST、MATE、ATPase）的胞内转运,并有6种转录因子（WhD-ZF、MYB、bHLH、WD40、WRKY、MADS）参与调控PA的合成与积累。这些基因在拷贝数、表达特征、蛋白亚细胞定位、蛋白互作、突变体表型等方面具有显著特点。PA的代谢工程在牧草品质改良、农产品脱涩、油菜黄籽材料创新、葡萄和葡萄酒品质改良、茶多酚分子育种、作物抗病虫性提高、新型作物拓展等方向具有重要的应用前景,目前仅在少数方向有所启动,更待广泛关注和深入研究。     

喜树碱的生物合成途径和代谢调控

喜树碱是一种具有抗肿瘤活性的萜类吲哚生物碱,最早是从我国特有植物喜树中分离获得的。本文概述喜树碱的天然分布合成途径和代谢调控的研究进展,并对喜树碱未来的生产和发展研究作了展望。     

阿维菌素的生物合成与途径工程

阿维菌素是一种高效安全的大环内酯杀虫杀螨剂。本文介绍了阿维菌素生物合成的步骤及参与合成步骤的有关酶系统和基因簇。对阿维菌素 8个组分合成的遗传控制基因 ,特别是对其中B1a组分合成的遗传控制位点进行讨论分析 ,并介绍了利用途径工程改造阿维链霉菌生产合成单一高效组分B1a和提高活性组分产量的研究进展。     

奎尼酸生物合成的代谢工程

奎尼酸及其衍生物氢醌和苯醌等是一类重要的化工原料,可作为一些化学合成制剂和药物中间原料,且在食品和化学工业中有着广泛的应用。目前奎尼酸的制备方法有植物提取法、化学合成法、酶工程法和微生物发酵法,其中微生物发酵法是近年发展起来的一种十分经济有效的方法。在介绍奎尼酸的制备方法的基础上重点综述了应用代谢工程在生物合成奎尼酸基因工程菌的改造中的研究进展,其中涉及奎尼酸生物合成途径中相关基因及其酶的调控、中心代谢途径的改造和修饰等,并探讨了将来的发展前景。     

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。     

代谢工程在芳香化合物生物合成研究中的应用

生物技术和代谢工程的发展促进了生物合成研究。概述了近年来利用微生物莽草酸途径进行芳香化合物生物合成研究的现况、代谢工程在提高天然芳香化合物产量和扩大合成非天然产生的芳香化合物范围的应用的进展 ,特别是整体代谢工程对提高第二代工程菌产量的作用。指出了生物合成法是生产氨基酸及其它生物小分子如奎尼酸、维生素和抗生素等的未来趋势 ,在工业化生产中有着广阔的应用前景。     

研究者通过逆向生物合成扩展生物合成途径

2021年1月8日Nature Communication报道,韩国科学技术院(KAIST)研究者通过结合逆向生物合成和前体选择步骤,设计了首个短链伯胺的生物合成途径,短链伯胺在化学工业中具有广泛的应用。该方法为系统设计生产化学物质的生物合成途径的提供了一种新策略。利用微生物可生产的化学物质的范围随着系统代谢工程学的发展而不断扩大,但是目前在工业上具有重要用途的短链伯胺至今尚未有生物学生产方法的报道。     

二硫吡咯酮类抗生素的生物合成与代谢工程应用北大核心CSCD

二硫吡咯酮类抗生素是一类具有独特的吡咯酮二硫杂环戊二烯(4H-[1,2]二硫[4,3-b]吡咯-5-酮)骨架的化合物的总称。基于N-7位酰基侧链的不同以及N-4位是否含有甲基,可分为N-methyl-Nacylpyrrothine、N-acylpyrrothine和thiomarinols等类别。迄今为止,已有27种该类化合物被报道,重要代表包括全霉素(holomycin)、硫藤黄菌素(thiolutin)、金霉素(aureothricin)以及最近发现的thiomarinols。就生物活性而言,二硫吡咯酮类抗生素具有广谱的抗细菌活性,对多种微生物,包括革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌以及寄生虫都有较好的杀灭活性。甚至一些二硫吡咯酮衍生物表现出较强的抗肿瘤活性。近几年来,多个二硫吡咯酮类抗生素的生物合成基因簇相继被报道,其生物合成机理也逐步被阐明。本文将针对目前国内外二硫吡咯酮类抗生素的生物合成研究进展,以及在组合生物合成与代谢工程领域所取得的成果进行综述,旨在为通过合成生物学的方法创造结构新颖、高效低毒的"非天然"二硫吡咯酮类化合物提供理论借鉴。     

甜菜素的生物合成及其代谢调控进展

甜菜素是一种植物源的水溶性天然含氮色素,用于食品添加剂和化妆品等行业中。在植物中甜菜素和花青素色素互不共存,其代谢途径是重要的植物化学分类指标。甜菜素兼具抗氧化、抗肿瘤、抗疟、保肝等药理作用,其潜在的医疗保健价值以及其代谢途径的独特性,促进了对甜菜素深入研究。综述了甜菜素合成途径中的关键酶和合成生物学策略生产甜菜素的国内外研究进展,为建立合成生物方法生产甜菜素提供参考。     

阿维菌素的生物合成及代谢工程研究进展

阿维菌素(avermectin)是由除虫链霉菌(Streptomycesavermitilis)产生的一种具有杀虫活性的大环内酯类抗生素,在农业和畜牧业中应用广泛。本文综述了有关除虫链霉菌基因组序列分析、阿维菌素的生物合成以及阿维菌素育种和代谢工程的研究进展。     

木质素生物合成途径及调控的研究进展

木质素是植物体中仅次于纤维素的一种重要大分子有机物质,具重要生物学功能。木质素填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度,利于疏导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭。陆生植物的木质素合成是适应陆地环境的重要进化特征之一。然而,制浆造纸的中心环节是用大量化学品将原料中的木质素与纤维素分离,纤维素用于造纸,分离的木质素等成为造纸工业的主要废弃物,对江河湖海的污染触目惊心。脱木质素的化学品投入及废液的碱回收处理需大量耗能并增加造纸成本。饲草的木质素还影响牲畜的消化与营养吸收,木质素含量的高低是饲草优劣…     

微生物合成鼠李糖脂的高产优化策略研究进展

鼠李糖脂是当前研究和应用最热门的生物表面活性剂之一,广泛应用于石油开采、环境修复、农业等领域.与化学表面活性剂相比,鼠李糖脂较低的合成产量导致其生产成本相对较高,限制了鼠李糖脂的大规模推广应用.因此,开展鼠李糖脂的高产优化调控研究,对于推动鼠李糖脂的研究与应用具有重要意义.本文简要介绍了鼠李糖脂的生物合成与影响因素;重...     

三七总皂苷生物合成与关键酶调控的研究进展

三七总皂苷(PNS)属于达玛烷型三萜皂苷,是中国传统珍贵药材三七的主要活性成分,三七总皂苷在中枢神经系统、心脑血管系统、血液系统、免疫系统以及抗纤维化、抗衰老、抗肿瘤等方面均具有较好的生理活性.三七总皂苷是以达玛烯二醇为前体,在P450单加氧酶和糖基转移酶催化下形成.另外,三七总皂苷与植物甾醇共享前期代谢途径.该文对近年来国内外有关三七总皂苷的生物合成途径及关键酶基因的最新研究进展进行综述,并探讨了代谢工程在三七总皂苷生物合成中的应用前景.     

微生物合成鸟氨酸的代谢工程研究进展

鸟氨酸是一种非蛋白氨基酸,对氨态氮的排出及解除氨中毒有重要的作用,可用于功能性饮料、减肥保健产品及护肝抗癌药品等,在医疗、保健、食品等领域具有广泛的应用前景。本文系统地总结目前微生物合成鸟氨酸的研究现状,介绍鸟氨酸的分解代谢和合成代谢途径,及其所涉及的关键酶,详细阐述利用代谢工程改造鸟氨酸生产菌的思路,及其所涉及的代谢工程技术和最新研究进展,展望微生物合成鸟氨酸的代谢工程未来发展方向。     

透明质酸生物合成途径及基因工程研究进展

透明质酸是由N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸组成的双糖单位聚合而成的直链酸性黏多糖,已被广泛应用于药物、化妆品和食品添加剂。微生物发酵法是目前生产透明质酸最有效的方法。生物体内透明质酸的合成途径基本一致,均为Leloir途径。透明质酸合成操纵子由透明质酸合酶基因、尿苷二磷酸葡萄糖脱氢酶基因和尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶基因组成,其表达受Cov S/CovR和Lux S等多种调控系统调控。随着分子生物学技术的迅速发展以及对透明质酸合成相关基因了解的不断深入,人们从提高透明质酸安全性、提高透明质酸产量和调控透明质酸分子质量三个方面出发,通过基因工程手段构建出了高产、安全、一定分子质量范围的透明质酸生产菌株。就有关透明质酸生物合成途径、合成相关基因表达调控及生产菌株分子生物学改造的策略与研究进展进行综述和展望。     

人参皂苷生物合成和次生代谢工程

人参皂苷属于植物三萜皂苷类化合物,是传统名贵药材人参和西洋参的主要活性成分,具有抗炎、抗氧化作用,还有广泛的抗肿瘤作用。人参皂苷与植物甾醇共享前期代谢途径,通过2, 3-氧化鲨烯环化步骤进入三萜代谢分支途径,在三萜碳环骨架复杂修饰的基础上形成人参皂苷。综述了近年人参皂苷生物合成途径及关键酶基因研究的最新进展,揭示了人参皂苷生物合成的基本途径,对途径中关键酶的基因进行了综述,并结合次生代谢工程技术, 探讨了该技术在人参皂苷生物合成中的应用前景。     

3-脱氢莽草酸生物合成的代谢工程

3-脱氢莽草酸,是芳香族氨基酸生物合成代谢途径中一种重要的中间产物,可作为一些化学合成制剂和药物中间原料。这样以无毒可再生物质为起始原料的合成方法与传统的有机合成化学制剂的方法相比,对环境更加有利。此外,它还是一种十分有效的抗氧化剂。工业上一般采用化学合成法和发酵法来生产3-脱氢莽草酸,随着代谢工程的兴起,使得更加理性改造菌株成为可能,这更加促进了发酵法的广泛应用。本文主要介绍了代谢工程在生物合成3-脱氢莽草酸生产菌改造中的应用情况,其中涉及3-脱氢莽草酸生物合成途径中相关基因及其酶的调控、中心代谢途径的改造和3-脱氢莽草酸合成支路的修饰等,并探讨了将来的发展前景。