先进生物燃料导向的脂肪酸途径合成生物学改造

化石能源日益枯竭,迫切需要寻找新型燃料。脂肪族生物燃料由于其热值高、性能好而受到广泛重视。微生物脂肪酸代谢途径是生产先进生物燃料的重要途径。文中综述了近几年基于合成生物学理念改造脂肪酸途径的进展,介绍了合成生物学在微生物柴油、中长链脂肪醇、长链烃类化合物生物合成中的应用,并展望了脂肪族生物燃料的发展方向。     

微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品

当前,全球经济的高速发展与日益减少的石油资源储备进一步加剧了能源供需矛盾。人类对开发利用可再生的纤维素生物质资源寄予厚望。木糖是木质纤维素水解产物中含量仅次于葡萄糖的一种单糖,因此对木糖高效率生物转化的研究成为影响其工业化前景的关键因素之一。针对近几年的研究,文中综述了生物转化木糖方面的进展,包括木糖代谢途径的鉴定和设计、木糖运输途径的改造、生物基化学品制备。为了解决当前全球面临的能源危机与环境问题,运用合成生物学技术发展新一代生物燃料技术,特别是开发能够代谢木糖高产乙醇的微生物工程菌株是实现可持续发展的重要方式。     

系统生物学和合成生物学研究在生物燃料生产菌株改造中的应用

基于生物质资源生产环境友好的生物燃料,对经济和社会的可持续发展具有重要意义,但其生产成本高的问题十分突出,而高效生产菌株的获得是解决这一问题的根本出路。以下综述了利用系统生物学研究所获得的信息进行菌种改造的过程,重点论述了生产菌株胁迫耐受性方面的研究进展,并讨论了系统生物学、合成生物学和代谢工程技术在改造生物燃料生产菌株中的应用,展望了合成生物学在构建高效生物能源生产菌株方面应用的前景。     

微生物法生产烷烃研究进展

烷烃在自然界中广泛存在。它不仅是化石能源的主要组成部分,而且在润滑剂、化妆品、水果保藏、植物防护等方面具有广泛的应用价值。本文概述了天然产烷烃的微生物及其烷烃的天然合成途径及其途径中关键酶催化的作用机理,并对近几年国内外运用代谢工程手段改造微生物使其细胞合成烷烃的研究进展作了介绍。微生物生产烷烃可以通过改造烷烃的天然合成菌株或通过在模式微生物中引入异源烷烃合成途径两种方法来强化。最后文章讨论了微生物法生产烷烃存在的不足和今后研究的方向与展望。     

微生物细胞工厂的代谢调控

代谢调控是构建微生物细胞工厂的重要技术手段.随着合成生物学技术的不断突破,挖掘和人工设计的高质量调控元件大幅度提升了对细胞代谢网络的改造能力;代谢调控研究也已从单基因的静态调控发展到系统水平上的智能精确动态调控.文中简要综述了近30年来代谢途径表达调控技术在代谢工程领域的研究进展.     

利用合成生物学生产药物和燃料

合成生物学是一个快速发展的研究领域,其重要性体现在科学研究和应用开发两方面。它不但加深了我们对复杂的生物过程与机理的理解,而且使得基础生物研究向实际应用的快速转化成为可能。将介绍一些新型高效的合成生物学工具以及如何利用它们开发能从可再生原料生产药物和燃料的上程菌株。     

微生物辅因子平衡的代谢调控

辅因子平衡对于酶制剂、药品和化学品的生产具有重要的作用。为了满足工业化生产的需求,维持辅因子长期有效的平衡是实现代谢流高效化导向目标代谢产物的必要手段。本文在总结辅因子生理功能的基础上,从生化工程和代谢工程两方面分析归纳了辅因子的代谢调控策略,并展望了辅因子进一步精深调控的发展方向。     

合成支架在代谢工程中的研究进展

代谢工程作为通过引入外源合成途径或改造优化代谢网络,进行高附加值的天然代谢产物生物合成的技术,已经得到广泛应用。但随着目标合成产物的结构日渐复杂,构建多基因的从头合成途径造成宿主生物代谢失衡与中间产物对宿主细胞产生毒害作用等一系列问题发生的可能性也随之增加。为解决这些问题合成支架策略应运而生,合成支架将途径酶共定位以提高局部酶和代谢物的浓度,来增强代谢通量并限制中间产物与宿主细胞环境间的相互作用,成为生物催化和合成生物学研究的热点之一。尽管由核酸、蛋白质构成的合成支架策略已经应用于多种代谢物的异源合成,并取得了不同程度的成功,但合成支架的精确组装仍然是一项艰巨的任务。文中详细介绍了合成支架技术的研究现状,详细阐述了合成支架技术的原理和实例,并初步探讨了其应用前景。     

高级醇的微生物绿色制造

高级醇是含有两个以上碳原子的醇类,具有比乙醇更优秀的燃料性能,是化石燃料的重要补充与替代品.利用微生物以可再生的生物质为原料进行高级醇的生产可同时缓解当前的能源与环境危机,已成为绿色生物制造的重大发展方向.天然的微生物仅能少量生产个别种类的高级醇,因此,通过代谢工程及合成生物学技术,在模式工业菌株中重构高级醇的合成途径...     

Systems metabolic engineering design: Fatty acid production as an emerging case study

Increasing demand for petroleum has stimulated industry to develop sustainable production of chemicals and biofuels using microbial cell factories. Fatty acids of chain lengths from C₆ to C₁₆ are propitious intermediates for the catalytic synthesis of industrial chemicals and diesel‐like biofuels. The abundance of genetic information available for Escherichia coli and specifically, fatty acid metabolism in E. coli, supports this bacterium as a promising host for engineering a biocatalyst for the microbial production of fatty acids. Recent successes rooted in different features of systems metabolic engineering in the strain design of high‐yielding medium chain fatty acid producing E. coli strains provide an emerging case study of design methods for effective strain design. Classical metabolic engineering and synthetic biology approaches enabled different and distinct design paths towards a high‐yielding strain. Here we highlight a rational strain design process in systems biology, an integrated computational and experimental approach for carboxylic acid production, as an alternative method. Additional challenges inherent in achieving an optimal strain for commercialization of medium chain‐length fatty acids will likely require a collection of strategies from systems metabolic engineering. Not only will the continued advancement in systems metabolic engineering result in these highly productive strains more quickly, this knowledge will extend more rapidly the carboxylic acid platform to the microbial production of carboxylic acids with alternate chain‐lengths and functionalities. Biotechnol. Biotechnol. Bioeng. 2014;111: 849–857. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.     

Prospects for microbial biodiesel production

As the demand for biofuels for transportation is increasing, it is necessary to develop technologies that will allow for low-cost production of biodiesel. Conventional biodiesel is mainly produced from vegetable oil by chemical transesterification. This production, however, has relatively low land-yield and is competing for agricultural land that can be used for food production. Therefore, there is an increasing interest in developing microbial fermentation processes for production of biodiesel as this will allow for the use of a wide range of raw-materials, including sugar cane, corn, and biomass. Production of biodiesel by microbial fermentation can be divided into two different approaches, (1) indirect biodiesel production from oleaginous microbes by in vitro transesterification, and (2) direct biodiesel production from redesigned cell factories. This work reviews both microbial approaches for renewable biodiesel production and evaluates the existing challenges in these two strategies.     

代谢工程在维生素生产中的应用及研究进展

维生素是维持人体生命活动必需的一类有机物质,机体本身一般不能合成或合成量不足,因此需经食物或其他强化产品获取。目前,维生素产品已广泛应用于医药、食品添加剂、饲料添加剂、化妆品等领域,而且全球对维生素的需求也是呈逐年增长态势。维生素的生产方法主要包括化学合成法和生物合成法。化学合成法通常安全隐患大、反应条件严苛、废物污染严重,相比之下,代谢工程生产维生素绿色环保安全、能耗低,因此建立微生物细胞工厂具有重大的科学意义和应用需求。文中回顾了近30年来代谢工程在维生素生产领域的研究进展,详细阐述了水溶性维生素(维生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9、B12和维生素C的前体)和脂溶性维生素(维生素A、维生素D的前体、维生素E和维生素K)的生物合成研究现状,并对其发酵生产的瓶颈进行了探讨,最后对合成生物技术创建维生素生产菌种进行了展望。     

聚羟基脂肪酸酯PHA代谢工程研究30年

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoate,PHA)是微生物合成的可降解高分子材料,种类及性能多样,应用前景广阔,然而其大规模生产受制于它较为高昂的生产成本.30年来,代谢工程的应用日益广泛,通过代谢流调控、代谢通路改造引入新通路等方法,微生物合成PHA的效率得到了很大提高,也丰富了PHA的单体种类、结构...     

芳香族化合物微生物代谢工程研究进展

代谢工程从20世纪90年代初期发展至今已有近30年历史,对微生物菌种改良和选育工作起到了极大的推动作用.芳香族化合物是一类可以通过微生物发酵生产的化学品,广泛应用于医药、食品、饲料和材料等领域.利用代谢工程手段对莽草酸和芳香族氨基酸合成途径进行理性改造,微生物细胞可以定向地大量积累人们需要的各种芳香族化合物.笔者对近3...     

Recent advances in engineering propionyl-CoA metabolism for microbial production of value-added chemicals and biofuels

Diminishing fossil fuel reserves and mounting environmental concerns associated with petrochemical manufacturing practices have generated significant interests in developing whole-cell biocatalytic systems for the production of value-added chemicals and biofuels. Although acetyl-CoA is a common natural biogenic precursor for the biosynthesis of numerous metabolites, propionyl-CoA is unpopular and non-native to most organisms. Nevertheless, with its C3-acyl moiety as a discrete building block, propionyl-CoA can serve as another key biogenic precursor to several biological products of industrial importance. As a result, engineering propionyl-CoA metabolism, particularly in genetically tractable hosts with the use of inexpensive feedstocks, has paved an avenue for novel biomanufacturing. Herein, we present a systematic review on manipulation of propionyl-CoA metabolism as well as relevant genetic and metabolic engineering strategies for microbial production of value-added chemicals and biofuels, including odd-chain alcohols and organic acids, bio(co)polymers and polyketides.