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。     

A modular modulation method for achieving increases in metabolite production

Increasing the production of overproducing strains represents a great challenge. Here, we develop a modular modulation method to determine the key steps for genetic manipulation to increase metabolite production. The method consists of three steps: (i) modularization of the metabolic network into two modules connected by linking metabolites, (ii) change in the activity of the modules using auxiliary rates producing or consuming the linking metabolites in appropriate proportions and (iii) determination of the key modules and steps to increase production. The mathematical formulation of the method in matrix form shows that it may be applied to metabolic networks of any structure and size, with reactions showing any kind of rate laws. The results are valid for any type of conservation relationships in the metabolite concentrations or interactions between modules. The activity of the module may, in principle, be changed by any large factor. The method may be applied recursively or combined with other methods devised to perform fine searches in smaller regions. In practice, it is implemented by integrating to the producer strain heterologous reactions or synthetic pathways producing or consuming the linking metabolites. The new procedure may contribute to develop metabolic engineering into a more systematic practice. © 2015 American Institute of Chemical Engineers Biotechnol. Prog., 31:656–667, 2015     

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。     

芳香类天然产物的合成生物学研究进展

植物芳香类天然产物具有重要的药用价值,可制成具有抗菌、抗炎、镇痛、抗氧化、杀虫驱虫、祛痰止咳、安神镇静和抗肿瘤等药效的医药保健用品.然而,由于植物中芳香类天然产物含量较低并且难以提取和纯化,严重限制了其工业化生产及应用.合成生物学和代谢工程技术的发展为天然产物的生产提供了新的思路,可以利用人工微生物细胞工厂来实现多种芳...     

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...     

酿酒酵母代谢工程技术

自20世纪90年代初期诞生以来,代谢工程历经了30年的快速发展。作为代谢工程的首选底盘细胞之一,酿酒酵母细胞工厂已被广泛应用于大量大宗化学品和新型高附加值生物活性物质的生物制造,在能源、医药和环境等领域取得了巨大的突破。近年来,合成生物学、生物信息学以及机器学习等相关技术也极大地促进了代谢工程的技术发展和应用。文中回顾了近30年来酿酒酵母代谢工程重要的技术发展,首先总结了经典代谢工程的常用方法和策略,以及在此基础上发展而来的系统代谢工程和合成生物学驱动的代谢工程技术。最后结合最新技术发展趋势,展望了未来酿酒酵母代谢工程发展的新方向。     

代谢工程发展20年

代谢工程从上世纪90年代初期发展至今已有20年历史,对微生物发酵工业的发展起到了极大的推动作用。以下回顾了代谢工程发展至今的三个重要阶段,讨论了各阶段中代谢工程在技术方面的进展及其对微生物发酵工业的促进作用。最后还讨论了代谢工程将来发展中的关键问题及解决策略。     

2018酶工程专刊序言

酶工程是酶学与工程科学融合的综合性科学技术,是现代生物技术的支柱之一。为促进国内酶工程研究的发展,本期\"酶工程专刊\"集中展现了我国酶工程专家学者在酶工程领域所取得的最新进展。     

代谢工程发展30年

代谢工程学科建立30年以来先后与分子生物学、系统生物学和合成生物学发生深度的交叉融合,并在此基础上获得了飞速发展,极大地促进了生物技术产业的进步和升级.文中首先基于SCI论文发表情况对30年来代谢工程学术研究现状和我国在该领域的地位和影响力进行了分析,随后总结了近10年来系统生物学方法和合成生物学的主要使能技术在代谢工...     

遗传改造微生物代谢途径生产新型柴油燃料的研究进展

生物柴油是一种能替代柴油的可再生燃料,然而通过植物油料化学转酯化生产的第一代生物柴油在性能和生产工艺上有很多缺点。近年来随着合成生物学和代谢工程的迅速发展,通过选择合适的微生物并利用各种生物技术改造其代谢合成途径,如脂肪酸合成途径、异戊二烯合成途径,研究人员能利用微生物直接生产性能更加优越、品质更高的新型第二代生物柴油——长链烷烃。文章总结了目前遗传改造微生物代谢途径生产新型柴油的研究进展,并指出目前该领域存在的问题以及今后的发展方向。     

燃料乙醇工程菌的代谢工程进展

能源问题是现今经济发展面临的主要问题之一,伴随着21世纪生物发展的步伐,基于微生物合成生物学、蛋白组学和代谢组学的研究进展,利用组合基因的无标记基因删除与重组DNA等技术,构建以廉价的可再生生物原料为碳源、高效合成生物乙醇的发酵工程菌已成为研究热点。我们简要总结了以大肠杆菌、啤酒酵母和运动发酵单胞菌为宿主的乙醇代谢工程改造的相关进展。     

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。     

单萜类化合物的微生物合成

单萜类化合物是萜类化合物的一种,一般具有挥发性和较强的香气,部分单萜还具有抗氧化、抗菌、抗炎等生理活性,是医药、食品和化妆品工业的重要原料.近年来,利用微生物异源合成单萜类化合物的研究引起了科研人员的广泛关注,但因产量低、生产成本高等限制了其大规模应用.合成生物学的迅猛发展为微生物生产单萜类化合物提供了新的手段,通过改...     

Genome-scale models of bacterial metabolism: reconstruction and applications

Genome-scale metabolic models bridge the gap between genome-derived biochemical information and metabolic phenotypes in a principled manner, providing a solid interpretative framework for experimental data related to metabolic states, and enabling simple in silico experiments with whole-cell metabolism. Models have been reconstructed for almost 20 bacterial species, so far mainly through expert curation efforts integrating information from the literature with genome annotation. A wide variety of computational methods exploiting metabolic models have been developed and applied to bacteria, yielding valuable insights into bacterial metabolism and evolution, and providing a sound basis for computer-assisted design in metabolic engineering. Recent advances in computational systems biology and high-throughput experimental technologies pave the way for the systematic reconstruction of metabolic models from genomes of new species, and a corresponding expansion of the scope of their applications. In this review, we provide an introduction to the key ideas of metabolic modeling, survey the methods, and resources that enable model reconstruction and refinement, and chart applications to the investigation of global properties of metabolic systems, the interpretation of experimental results, and the re-engineering of their biochemical capabilities.     

Metabolic engineering based on systems biology for chemicals production

Microorganisms have been the main sources for the production of chemicals. Production of chemicals requires the development of low-cost and higher-yield processes. Towards this goal, microbial strains with higher levels of production should be first considered. Metabolic engineering has been used extensively over the past two to three decades to increase production of these chemicals. Advances in omics technology and computational simulation are allowing us to perform metabolic engineering at the systems level. By combining the results of omics analyses and computational simulation, systems biology allows us to understand cellular physiology and characteristics, which can subsequently be used for designing strategies. Here, we review the current status of metabolic engineering based on systems biology for chemical production and discuss future prospects.