DNA组装技术

DNA组装是合成生物学研究的核心技术。随着合成生物学的发展,研究者开发了依赖于DNA聚合酶或DNA连接酶的不同DNA组装技术;为了降低组装成本和便于实现DNA组装的自动化,也发展了一些非酶依赖的DNA组装技术;而几百kb到Mb的大片段DNA的组装则多数依赖于微生物体内重组。文中主要综述了酶依赖、非酶依赖和体内同源重组三类DNA组装技术及其发展情况。     

大豆异黄酮代谢途径在大肠杆菌中的构建及表达

自然界异黄酮合成途径主要存在于豆科植物中。以微生物为宿主研究异黄酮代谢,则需要将整个相关代谢途径的多酶体系组装到工程菌种,从而进行表达及代谢研究,这就需要用到多基因的转化和共表达技术。综合应用了多基因单载体和多基因多载体方法,将大豆异黄酮代谢途径中的五个关键酶基因导入到大肠杆菌中,对异黄酮代谢途径在大肠杆菌中的构建和表达进行了研究和探索,获得了含有五个外源基因的重组大肠杆菌;重组菌经IPTG诱导,以L-酪氨酸为底物进行发酵,发酵产物经过HPLC测定,结果表明和空白对照相比有新的代谢产物生成,初步断定为异黄酮类化合物。     

大豆异黄酮代谢途径在大肠杆菌中的构建及表达

自然界异黄酮合成途径主要存在于豆科植物中。以微生物为宿主研究异黄酮代谢,则需要将整个相关代谢途径的多酶体系组装到工程菌种,从而进行表达及代谢研究,这就需要用到多基因的转化和共表达技术。综合应用了多基因单载体和多基因多载体方法,将大豆异黄酮代谢途径中的五个关键酶基因导入到大肠杆菌中,对异黄酮代谢途径在大肠杆菌中的构建和表达进行了研究和探索,获得了含有五个外源基因的重组大肠杆菌;重组菌经IPTG诱导,以L-酪氨酸为底物进行发酵,发酵产物经过HPLC测定,结果表明和空白对照相比有新的代谢产物生成,初步断定为异黄酮类化合物。     

噬菌体重组酶介导的DNA同源重组工程

来源于噬菌体的遗传操作工具在基因工程中具有非常重要的地位,例如位点特异性重组酶、柯斯质粒DNA文库及同源重组酶等。其中,来源于lambda噬菌体的同源重组酶Redα/Redβ和来源于Rac原噬菌体的同源重组酶RecE/RecT能够高效地介导35–50 bp短同源臂之间的重组。基于噬菌体同源重组酶Redα/Redβ和RecE/RecT开发的DNA同源重组工程（Recombineering）能够对靶标DNA分子进行快速、精准、高效的修饰,不受限制性内切酶识别位点和DNA分子大小限制,已发展成为一种新型的基因工程技术。本文主要综述了噬菌体同源重组酶及其作用机制、在大肠杆菌及其他细菌中的应用和开发,以及在微生物次级代谢产物的挖掘、动植物转基因、病毒基因组克隆和修饰等方面的应用。原位激活沉默基因簇需要宿主特异性的DNA同源重组工程进行启动子和调控元件的修饰;异源表达次级代谢产物的首要步骤一般是通过RecET直接克隆大的DNA片段;动植物转基因复杂载体的构建效率在有了Red同源重组系统以后有了革命性的发展;RecET直接克隆和Red同源重组介导的感染性克隆构建和修饰方法,不仅有利于病毒基因组功能研究,同时也为载体疫苗开发提供了最优方案。     

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。     

霍乱弧菌脂多糖O抗原基因在大肠杆菌中的克隆及表达

经典生物型及埃尔托生物型霍乱弧菌的染色体DNA片段分别与载体质粒pUC18,B.S(M13~+)进行克隆,从克隆株中筛选到能表达霍乱弧菌脂多糖O抗原基因的重组子。它们所表达的脂多糖O抗原具有很好的抗原性及免疫原性,其重组质粒pMG-301、pMG-302经酶切分析表明,外源片段大小分别为8.4kb,7.6kb,较文献报道的16kb要小,而且基因结构之间也存在很大差异。     

一碳气体利用微生物及其基因工程改造

一碳气体主要包括CO、CO_(2)和CH_(4)等,这些气体来源于陆地生物活动、工业废气以及气化合成气等,其中CO_(2)与CH_(4)是温室气体,对全球气候变化有着重要的影响。利用微生物进行一碳气体生物转化既可以解决废气排放的问题,又能生产燃料及多种化学品。近年来,运用CRISPR/Cas9等基因编辑技术对一碳气体利用微生物进行改造,是提高它们的产物得率、增加产物类型的重要途径。本文主要围绕甲烷营养菌、自养乙酸菌、一氧化碳营养菌等一碳气体利用微生物,综述了其生物学特性、好氧和厌氧代谢途径、代谢产物,以及常用的基因编辑技术(利用同源重组的基因中断技术、二类内含子ClosTron法、CRISPR/Cas基因编辑及以噬菌体重组酶介导的DNA大片段引入等)在它们中的应用,为后续相关研究提供参考。     

环状芽孢杆菌C-2几丁酶基因的克隆

环状芽孢杆菌(Bacillus circulans)C-2总DNA经PstI部分酶切后分离2～10kb的片段,插入质粒pUC19的PstI位点,转化大肠杆菌(Escherichia coli),利用几丁质平板从约8000个重组子中筛选到一个几丁酶基因阳性克隆(命名为pCHT1)。用12种限制酶对重组质粒进行的酶切分析表明,重组质粒中的插入片段长3.0kb,其中各有一个KpnI,SacI和SspI位点。把该克隆片段反向插入pUC19的PstI位点所得到的重组子同样具有几丁酶基因表达活性,说明此片段含有一个完整的几丁酶基因,其自身的启动子能被大肠杆菌转录系统所识别。Southern杂交证实了该片段来自于B.circulans C-2基因组,且以单拷贝形式存在,它不能与来自于其它7株几丁酶产生菌的总DNA杂交。     

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。     

链霉菌DNA克隆系统研究进展

自从1974年细菌DNA的体外重组技术问世以来,以大肠杆菌为材料所做的DNA克隆的努力,已经取得了很大的成就。人的生长激素、胰岛素、干扰素等已经可望利用微生物来生产。DNA体外重组技术在生产实践上的应用,必将对人类带来深远的影响。以DNA重组技术为基础的遗传工程能不能应用于放线菌?由于放线菌这一类微生物所产生重要的次级代谢产物如抗生素等,对医药、     

甲醇的生物利用与转化*

甲醇作为一种来源广泛、价格低廉、还原度高的非粮原料有望成为下一代生物制造的关键原料。利用合成生物学技术构建能够高效利用甲醇的重组微生物以实现从甲醇到高值化学品的生物转化已成国内外研究热点,但由于甲醇代谢过程的特殊性及复杂性,目前人工设计的甲基营养菌还难以实现以甲醇为唯一碳源进行生长及产物合成。基于对天然甲基营养菌甲醇代谢过程的分析,从甲醇脱氢酶的筛选与改造、甲醛同化途径的重构与优化、甲醇到化学品的生物转化几个方面对合成型甲基营养菌的构建策略及面临的挑战进行总结与分析,以期为今后合成型甲基营养菌的人工设计和利用提供一定的借鉴。     

甲醇的生物利用与转化*

甲醇作为一种来源广泛、价格低廉、还原度高的非粮原料有望成为下一代生物制造的关键原料。利用合成生物学技术构建能够高效利用甲醇的重组微生物以实现从甲醇到高值化学品的生物转化已成国内外研究热点,但由于甲醇代谢过程的特殊性及复杂性,目前人工设计的甲基营养菌还难以实现以甲醇为唯一碳源进行生长及产物合成。基于对天然甲基营养菌甲醇代谢过程的分析,从甲醇脱氢酶的筛选与改造、甲醛同化途径的重构与优化、甲醇到化学品的生物转化几个方面对合成型甲基营养菌的构建策略及面临的挑战进行总结与分析,以期为今后合成型甲基营养菌的人工设计和利用提供一定的借鉴。     

基于合成生物学的微生物制造研究进展

基于合成生物学的微生物制造在天然产物药物、生物能源、生物基化学品及生物传感器件的研究中发挥越来越重要的作用。本文系统地介绍了合成生物学研究领域的最新技术进展,包括DNA和染色体合成、新生物元件开发与元件库标准化、染色体工程与最小基因组技术、途径装配技术等,并阐述了合成生物学在微生物制造领域内所取得的突破和巨大的应用价值。     

用PCR扩增和克隆鸡传染性贫血病毒全基因组DNA

根据已发表的序列,分别在鸡贫血病毒(CAV)环形基因组DNA(全长2.3kb)的EcoRI位点和BamHI位点的两侧选择适当序列合成两对引物,用PCR技术,从斑点杂交检测到病毒核酸的CAV感染的MDCC-RP1细胞基因组DNA中,分别扩增出包含EcoRI和BamHI分割开的病毒基因组两部分(1.5kb和0.8kb)约1.5kb和约1.25kb的两个片段.再将其中相应序列拼接克隆进pUC18载体,获得包含CAV全基因组序列DNA片段的克隆质粒pCAV2.4.酶切分析表明,该质粒具有预期的BamHI位点、PstI位点、HindⅢ位点,而预期的EcoRI位点消失.重组质粒插入DNA片段的两端序列分析表明,质粒pCAV2.4是包含CAV全基因组序列的重组质粒,插入DNA片段序列中的EcoRI位点序列发生了一个碱基突变.     

伯克霍尔德氏菌（Burkholderia sp.）2-萘酸单加氧酶基因（nmo）的克隆及表达

通过酶切连接将Burkholderia sp. JT1500的一段DNA片段(4.8kb)亚克隆到表达载体pUC18上,得到重组子pEK123。测序后的pEK123重组子48kb插入片段的序列已经登陆欧洲EMBL基因库,序列接受号为AJ566333。对这一DNA片段的序列分析显示,此DNA片段含有3个阅读框,且在这3个阅读框5′端发现一启动子特异序列。再用酶切连接方法得到仅含一个阅读框的重组子pXK3,其阅读框长度为1158bp,编码386个氨基酸,与已报道的Ralstonia eutropha HF39羟化酶（单加氧酶,bec）氨基酸序列有64%的同源性。pEK123对2萘酸代谢途径中4个关键底物的转化实验结果显示,其基因产物仅对2萘酸发生加氧转化反应,而且2萘酸浓度有明显的降低,证实此基因是2萘酸单加氧酶基因（nmo）。同时发现其基因产物也可以转化苯甲酸钠。该酶对苯甲酸的加氧转化途径正在研究中。 SDSPAGE结果表明,pXK3、pEK123两重组子中2萘酸单加氧酶表达量并没明显区别,但加氧酶酶活却存在显著的差别。推测在启动子后,单加氧酶阅读框前的两个阅读框的基因产物,对单加氧酶活有促进作用。     

链霉菌M1033 D－木糖异构酶的分子克隆

链霉菌M1033染色体DNA经BamH Ⅰ酶解后电泳,Southern转移。根据自测的链霉菌M1033 D－木糖异构酶氨基酸序列设计合成寡聚核苷酸探针x－2、x－3,以x－2、x－3及Am－pullariella sp3876 D-木糖异构酶基因(1．17kb)为探针进行杂交,确定与上述探针杂交最强处在15kb左右。从胶上分离出g-20kb大小的片段,克隆到EMBL 3载体中,经杂交筛选后,得到0．6％的阳性噬斑,其插人大小为13kh。将插入DNA的saIⅠ酶解片段(2．5kb)进一步亚克隆于pucl8,得到重组质粒puB l,经酶解图谱、部分序列分析和互补实验确定puBl含有完整的M1033 D-木糖异构酶基因     

微生物代谢国家重点实验室

正微生物代谢国家重点实验室(上海交通大学)于2011年获准建设。实验室面向微生物代谢科学前沿和产业重大需求,探索微生物合成与分解代谢的机理,揭示微生物代谢活动的生理功能、调节网络和互作方式,力求科学探索微生物细胞工厂的内在驱动力,服务于现代生物产业的转型升级,实现微生物代谢潜能的优化释放。实验室设有合成代谢、分解代谢、代谢互作三大研究方向,发挥多学科交叉优势,在微生物表观遗传学、环境微生物学、微生态与健康、天然产物生物合成与合成生物学等众多研究领域成绩斐然:DNA硫修饰作为原创性研     

琥珀酸弧菌L-天门冬酰胺酶基因的初级克隆和表达

本文以表达型噬菌体λgtll为载体,以及¹²⁵I标记的放射免疫抗体为探针,从EcDR I酶切的琥珀酸弧菌(Vyibrto succinogenes)染色体DNA片段中克隆得到携带天门冬酰胺酶基因的目的片段,在宿主菌E．Coil Y 1090 中得到表达。经酶解和凝胶电泳分析表明该插入DNA片段的分子量为5．8kb．重组DNA感染另一宿主菌E．ColiYl089后所产生的酶蛋白具有L-天门冬酰胺酶活力。用重组DNA(λgt11-AS8)为探针进行southern DNA杂交,琥珀酸弧菌染色体DNA的Ec0R I酶切片段中,出现一条位置在5．8kb处的杂交带,证明我们克隆到的携带L-天门冬酰胺酶基因的目的片段来自琥珀酸弧菌。     

一种高效构建同源重组DNA片段的方法——融合PCR

融合PCR技术（fusion PCR）采用具有互补末端的引物,形成具有重叠链的PCR产物,通过PCR产物重叠链的延伸,从而将不同来源的任意DNA片段连接起来,此技术在不需要内切酶消化和连接酶处理的条件下实现DNA片段的体外连接,为同源重组片段的构建提供了快速简捷的途径。对原有的融合PCR技术进行改进,以三个同源重组线性DNA片段的构建为例,详细论述了改进的融合PCR技术的反应过程及技术体系。结果表明,改进的融合PCR技术可以同时进行三个片段及四个片段的融合反应,产物长度均在4.5kb以上,各同源重组片段在扩增过程中均无突变发生,获得的片段可以用于后续实验分析。     

蛋白质自组装机器在人工多酶复合体系中的研究与应用进展

随着合成生物学的研究与发展,人们利用微生物细胞或无细胞体系对代谢途径中的多酶体系进行编程和重组,成功合成了大量的功能化合物。但由于多酶体系分散度高,造成体系代谢流速和流量不平衡,代谢效率和产量降低。生物体内存在多种天然的多酶自组装复合体,如纤维素小体机器、细胞信号转导中的激酶级联通路等。研究表明,这些体系中存在的底物通道效应和协同作用机制是多酶复合体具有高催化效率的原因。模拟和借鉴天然多酶体系,并结合生物体中蛋白质与DNA、RNA等相互作用设计和构建人工自组装多酶体系,是提高代谢效率的重要途径。现对蛋白质自组装机器在人工多酶体系中的研究进展进行综述。