加快微生物油脂研究为生物柴油产业提供廉价原料

当前国内外致力于发展生物柴油,因其性能优良,成为化石柴油的替代品。由于以植物油脂生产生物柴油原料成本占总成本的70％-85％,所以亟待开发廉价油脂资源。微生物油脂主要是微生物利用碳水化合物合成的甘油脂,其脂肪酸组成和植物油相近。产油微生物具有资源丰富、油脂含量高、碳源利用谱广等特点,开发潜力大。然而,目前微生物油脂生产成本偏高,研究工作仍以富含多不饱和脂肪酸的高附加值菌油为目标。随着现代分子生物学和生物化工技术的发展,对产油微生物菌种筛选、改良、代谢调控和发酵工程的研究日趋深入,将降低微生物油脂生产成本,为未来生物柴油产业提供廉价原料。     

生物柴油新原料——微生物油脂

生物柴油是替代传统石化能源的重要途径,但高昂的原料油成本限制其进一步应用。微生物油脂具有价格低廉、供给充足和不占用耕地资源等优点,是理想的生物柴油原料油脂。对微生物油脂组成成分,提取和测定方法等方面进行详细介绍,并重点综述转座标签育种、代谢通路调控育种、转录因子调控育种和发酵过程优化等技术在提高细胞油脂积累量方面的应用进展,探讨以微生物油脂为新原料制备生物柴油的优点及可行性。     

油脂酵母发酵木糖生产微生物油脂

目的用斯达油脂酵母(Lipomyces starkeyi)作为发酵菌株,以纯木糖溶液为油脂发酵原料,对L.starkeyi利用木糖积累油脂进行系统研究。方法 L.starkeyi于斜面培养基中活化后,接种于YPD液体培养基,于30℃、200 r/min摇床培养。在摇瓶中培养一段时间后,测定发酵液细胞浓度,离心发酵液收集细胞。将离心后得到的菌体加入木糖溶液重悬,并转接于含50 mL木糖溶液的250 mL摇瓶中进行发酵生产。结果相比一阶段法,两阶段发酵方法可以在更短的时间内达到较高的油脂含量,油脂含量能够达到细胞自身干重的60%以上。实验发现高菌龄酵母产油速度更快;并且初始木糖浓度高达120 g/L时,酵母细胞仍然能够高效合成油脂。结论 L.starkeyi能够有效利用木糖进行发酵产生油脂,是以木质纤维素为原料生产微生物油脂的优良菌种。     

2013生物能源专刊序言

生物能源作为可再生能源,可以替代部分石化能源,有望缓解能源供给中对石油的依赖程度.本期专刊结合第6届国际生物能源会议,包括综述和研究报告两部分,报道了我国生物能源专家学者在燃料乙醇、生物柴油、微生物油脂、生物燃料标准、航空生物燃料等领域的最新研究进展.     

生物能源专刊序言

生物能源作为可再生能源,有望减少能源供给中对石油的依赖程度。近年来,我国生物能源的发展非常迅速,已经成为继巴西和美国后的第三大燃料乙醇生产国和消费国。为促进生物能源相关技术研究的发展,本期“生物能源”专刊收录了我国生物能源专家学者在燃料乙醇、生物柴油、微生物油脂、生物燃料系统分析等领域的最新研究进展。     

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。     

圆红冬孢酵母两阶段培养法生产微生物油脂

为缩短发酵时间,减少原料消耗,采用细胞增殖和油脂积累分离的两阶段模式,培养圆红冬孢酵母Rhodosporidium toruloides AS 2.1389生产微生物油脂。结果表明,细胞增殖阶段获得的R.toruloides AS 2.1389细胞,重悬接种在葡萄糖溶液中,可快速积累油脂,菌体油脂含量超过自身干重的55%。增殖阶段细胞的菌龄越高,产油能力越强。油脂积累阶段使用高浓度葡萄糖溶液或未灭菌的葡萄糖溶液,油脂合成可以有效进行。油脂中脂肪酸成分以含16和18个碳原子的长链脂肪酸为主,可作为制备生物柴油的新型原料。     

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。     

微生物能源的转化效率和经济可行性研究

生物质能源在中国,尤其是农村地区是一种十分重要的能源,然而,目前和将来油气资源的缺乏不仅影响国民经济的发展,而且危及能源安全。估算了4种最具应用前景的微生物能源包括微生物柴油,生物乙醇,氢气和沼气,并讨论了经济可行性及使用前景。其诣在帮助发展将生物质转化为燃料的技术,而此项技术对中国经济的发展具有重要的意义。     

纤维燃料丁醇研究进展

随着能源危机与粮食安全问题的日趋加重,以纤维质为原料生产石油替代燃料已成为生物质能研究的重点。分析了丁醇作为燃料的优点,归纳了丁醇发酵微生物的种类与研究现状,综述了纤维原料生产燃料丁醇的研究进展,最后对我国纤维燃料丁醇的产业化优势和前景进行了分析与展望。     

微生物菌群发酵生产化学品的研究进展

廉价生物质资源的利用是工业生物技术领域研究的热点,复杂的成分和较多的杂质使传统的单菌发酵方式难以应对,成为产业化的关键问题。文中从微生物菌群的工业应用、微生物菌群发酵与纯种发酵的比较、微生物细胞间的相互作用等方面综述了微生物菌群发酵技术的最新研究进展,并对微生物菌群的设计和应用进行了展望。微生物菌群发酵可以充分利用廉价生物质基质、生产多个产品或减少副产物的生成,在生物基化学品和燃料的生产中将是一种有前景的发酵技术。     

环境抗生素污染的微生物修复进展

近年来随着抗生素在畜牧业、水产养殖业以及医疗行业的广泛应用,大量抗生素通过排泄物进入环境,导致我国大面积水体及土壤环境中抗生素残留量急剧增高。环境中不同种类的抗生素的残留导致微生物种群结构失衡,对生态环境及人类造成极大危害。因此,解决抗生素残留问题是21世纪新型环境污染物领域的一个重要课题。已有研究显示,一些微生物能够以抗生素为碳源生存,可用于降解环境中残留抗生素,但人们对微生物降解抗生素的降解机制了解较少。文中概括了近十年来抗生素降解菌株和菌群对抗生素的去除情况,以及应用微生物菌群处理抗生素残留的技术方法,同时对未来利用微生物修复法减少环境中抗生素残留进行了展望。     

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。     

Engineering microbial biofuel tolerance and export using efflux pumps

Many compounds being considered as candidates for advanced biofuels are toxic to microorganisms. This introduces an undesirable trade‐off when engineering metabolic pathways for biofuel production because the engineered microbes must balance production against survival. Cellular export systems, such as efflux pumps, provide a direct mechanism for reducing biofuel toxicity. To identify novel biofuel pumps, we used bioinformatics to generate a list of all efflux pumps from sequenced bacterial genomes and prioritized a subset of targets for cloning. The resulting library of 43 pumps was heterologously expressed in Escherichia coli, where we tested it against seven representative biofuels. By using a competitive growth assay, we efficiently distinguished pumps that improved survival. For two of the fuels (n‐butanol and isopentanol), none of the pumps improved tolerance. For all other fuels, we identified pumps that restored growth in the presence of biofuel. We then tested a beneficial pump directly in a production strain and demonstrated that it improved biofuel yields. Our findings introduce new tools for engineering production strains and utilize the increasingly large database of sequenced genomes.     

合成功能菌群的构建及其工程化应用

自然界中存在着大量的天然微生物群落,不同种群的微生物通过通信及分工拓展了单菌的性能边界,降低了整体的代谢负担并增加了对环境的适应性。合成生物学依据工程设计原理构建或改造基本功能元件、基因线路和底盘细胞,从而对生命的运行过程进行具有目的性的重新编程,获得丰富及可控的生物学功能。将这种工程设计的原理引入菌群,获得结构明确及功能可调的合成群落,可以为合成功能菌群的理论研究到应用提供思路及方法。本文回顾了近年来合成功能菌群领域的相关工作,对合成功能菌群的设计原则、构建方法以及应用进行详细介绍,并对未来的发展进行了展望。     

匹诺塞林合成生物学研究进展

匹诺塞林是一种广泛存在于植物中的黄酮类化合物,具有很好的生物活性,如神经保护、抗菌、抗氧化等。2009年,匹诺塞林被CFDA批准为Ⅰ类注射新药,主要用于治疗急性脑卒中,现已经进入Ⅱ期临床试验阶段。匹诺塞林的良好成药性使其合成方法备受关注。匹诺塞林可以通过化学合成、植物提取和合成生物学技术制备。合成生物学技术是一种环境友好的工程化生物技术,代表未来匹诺塞林的合成发展方向。文中总结了利用合成生物学技术制备匹诺塞林的研究现状,并从选择酶的物种来源、提高丙二酰Co A含量、选择经济的底物及减弱中间产物的抑制作用等角度系统地总结了提高微生物合成匹诺塞林的策略。     

微生物胞外电子传递效率的合成生物学强化

电活性微生物(产电微生物和亲电微生物)通过与外界环境进行双向电子和能量传递来实现多种微生物电催化过程(包括微生物燃料电池、微生物电解电池、微生物电催化等),从而实现在环境、能源领域的广泛应用,并为开发有效且可持续性生产新能源或大宗精细化学品的工艺提供了新机会。但是,电活性微生物的胞外电子传递效率比较低,这已经成为限制微生物电催化系统在工业应用中的主要瓶颈。以下综述了近年来利用合成生物学改造电活性微生物的相关研究成果,阐明了合成生物学如何用于打破电活性微生物胞外电子传递途径低效率的瓶颈,从而实现电活性微生物与环境的高效电子传递和能量交换,推动电活性微生物电催化系统的实用化进程。     

Characterization of combinatorial patterns generated by multiple two-component sensors in E. coli that respond to many stimuli

Two-component systems enable bacteria to sense changes in their environment and adjust gene expression in response. Multiple two-component systems could function as a combinatorial sensor to discriminate environmental conditions. A combinatorial sensor is composed of a set of sensors that are non-specifically activated to different magnitudes by many stimuli, such that their collective activity pattern defines the signal. Using promoter reporters and flow cytometry, we measured the response of three two-component systems in Escherichia coli that have been previously reported to respond to many environmental stimuli (EnvZ/OmpR, CpxA/CpxR, and RcsC/RcsD/RcsB). A chemical library was screened for the ability to activate the sensors and 13 inducers were identified that produce different patterns of sensor activity. The activities of the three systems are uncorrelated with each other and the osmolarity of the inducing media. Five of the seven possible non-trivial patterns generated by three sensors are observed. This data demonstrate one mechanism by which bacteria are able to use a limited set of sensors to identify a diverse set of compounds and environmental conditions.