细胞寿命在大肠杆菌细胞工厂构建中的应用

微生物细胞工厂以可再生资源为原料,为工业化学品的可持续生产提供了一种有前景的替代方案。然而,不适的外界环境显著影响了微生物细胞的存活率,降低了微生物细胞工厂的生产性能。通过延长微生物细胞的时序寿命,可以显著提升微生物细胞工厂的生产性能。首先,基于存活率的变化建立了细胞时序寿命和半时序寿命的评价体系;然后,发现半胱氨酸、肌肽、氨基胍和氨基葡萄糖抗衰老药物可以使大肠杆菌Escherichia coli细胞的时序寿命分别延长80%、80%、50%和120%;最后,延长E. coli时序寿命可以显著改善E. coli细胞工厂的生产性能,可以用于改善具有本源代谢合成路径的E. coli细胞工厂的生产性能,使乳酸和丙酮酸的得率分别提升30.0%和25.0%,也可以用于改善具有异源代谢合成路径的E. coli细胞工厂的生产性能,使苹果酸的得率提升27.0%。这些研究结果表明延长E. coli细胞寿命提供了一种潜在的改善细胞工厂的生产性能的方法。     

合成生物学时代基于非模式细菌的工业底盘细胞研究现状与展望

工业微生物底盘细胞的开发将为工业生物技术的发展提供优良的细胞工厂,有利于实现环境保护及经济可持续发展。基于合成生物学"设计-构建-测试-学习"(Design-Build-Test-Learn,DBTL)策略,对底盘细胞进行多维度的理性或半理性改造是实现"建物致知"以及"建物致用"目标的重要手段。文中简述了合成生物学DBTL策略中各步骤相关的重要技术方法;概述了部分重要模式微生物底盘细胞的策略与研究进展;重点比较介绍了工业生物技术领域具有特殊生理功能、利用一碳化合物及高效生产平台化合物的部分非模式细菌;同时也提出了实现优良、安全合成微生物细胞工厂构建与应用的策略。这些方法策略包括依靠合成生物学技术方法,综合模式与非模式微生物优势,开发应用经济、高效的高通量智能装备,建立分子组学与表型组学研究平台,推动多层次系统生物学与表型组学大数据的解析、整合、模拟与可视化,以及建立高质量的数字细胞模型和基因组优化的底盘细胞,推动高效、优良工业细胞工厂的理性设计、构建与应用。     

适应性实验室进化技术在微生物育种中的应用进展

适应性实验室进化(Adaptive laboratory evolution,ALE)技术已成为微生物学基础研究和工业微生物育种的强大工具,被广泛用来研究影响菌株表型、性能和稳定性的进化潜力以及快速获取含有有益突变的工业生产菌株。近年来,随着基因组测序技术的进步,关于微生物新陈代谢机理和动力学方面的研究变得更加广泛和深入,这也极大促进了适应性实验室进化技术的快速发展。文中主要介绍了长期、短期适应性实验室进化技术在微生物育种方面的应用实例,并总结归纳了该技术在快速高效构建优良菌株过程中的方式与作用。最后分析了目前ALE技术面临的瓶颈问题及其可能的解决方法,以期能够为该技术的未来发展提供有价值的参考依据。     

耐受性工程调控微生物细胞工厂胁迫抗性

微生物细胞工厂的生产效率是由菌株生长性能、产品合成能力和胁迫抗性共同决定的,其中增强微生物细胞工厂的胁迫抗性是关键.耐受性工程基于微生物细胞工厂抵御胁迫压力的应激反应机制,通过巩固壁膜屏障增强胁迫防御能力,加快应激反应提高损伤修复能力,创制耐受进化工具筛选鲁棒性增强的工业微生物.文中分析归纳了耐受性工程的调控策略,并展...     

微生物实验室进化的研究进展

当前,微生物细胞工厂的构建逐渐成为工业上生产大宗和精细化学品的重要手段。然而,微生物遗传背景的复杂性及表型间相互影响的不可预测性限制了人们对微生物的理性改造。因此,在缺乏遗传背景基础上仍能获得目标表型的微生物实验室进化手段逐渐成为当今生物化工领域的研究热点。近年来,随着微生物连续培养技术及体内连续进化策略的深入研究,微生物实验室进化取得了较大进展。本文中,笔者将对近年来微生物实验室进化策略进行综述,为其后续研究及应用提供借鉴。     

适应性实验室进化在工业生产菌株选育中应用的进展

适应性实验室进化是一种在实验室里将微生物置于一定选择压力下,通过长期驯化,筛选获得具有特定表型突变菌株的方法.近年来,该方法通过改进特定进化条件和筛选策略,已广泛应用于筛选具有优良特性的工业生产菌株,如特定表型筛选、底物高效利用、目标产物合成及生长特性优化等工业微生物菌株选育.本文综述了适应性实验室进化技术在工业生产菌...     

超突变细胞在进化工程中的开发与应用

通过进化工程技术改造微生物细胞的生理表型是生物技术和生物炼制领域的重要研究方向,但是现阶段的各种进化工程技术面临效率低或连续性差的问题。超突变细胞能够进行自发、连续的胞内诱变,将其应用于进化工程技术能够实现连续、高效的菌种改造。本文详细介绍了自然界中超突变细胞产生的遗传机制和相应的人工超突变细胞的构建策略,以及应用此类超突变系统在微生物细胞生理性能改造和蛋白质突变体文库高效构建上取得的进展。随着相关领域认识和技术的加强,未来人工超突变细胞的构建将继续向着不同维度上可控性、靶向性不断提高的方向发展,从而为细胞和蛋白的改造提供更强更优的进化动力。     

谷氨酸棒杆菌的代谢工程使能技术研究进展

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum是重要的工业微生物,尤其是在氨基酸工业中,每年用于600余万t氨基酸的生物制造。近年来,谷氨酸棒杆菌代谢工程使能技术正在不断完善,不仅加快了细胞工厂的创建和优化,拓展了底物谱和产物谱,也推动了谷氨酸棒杆菌的基础研究,使谷氨酸棒杆菌成为代谢工程的理想底盘细胞。文中综述了近期针对谷氨酸棒杆菌开发的代谢工程使能技术,着重介绍了基于CRISPR的基因组编辑、基因表达调控、适应性进化和生物传感器等技术的开发和应用。     

微生物大片段DNA染色体整合技术研究进展

现代生物发酵工业聚焦于设计和创制高效的微生物细胞工厂,以实现原料向目标产品的定向转化。评判微生物细胞工厂性能优劣的主要标准是其合成能力及稳定性。由于质粒系统存在拷贝数不稳定、易于丢失等局限性,在菌株改造中将基因或产物合成途径整合至染色体上实现稳定表达通常是更优的选择。因此,染色体的基因整合技术作为实现这一目标的重要手段已受到广泛关注,并得到快速发展。本综述梳理了近年来微生物染色体上的大片段DNA整合方法的研究进展,归纳了各种技术的原理和特点,尤其是新兴的CRISPR相关转座系统,同时对未来的发展重点和方向进行了展望。     

基于基因组DNA诱变的遗传重组改造乙醇工业酵母的耐热性及发酵性能

酵母菌是乙醇发酵工业中非常重要的微生物细胞工厂,发酵过程中温度变化胁迫一直是影响生产效率的重要瓶颈之一,选育具有广泛温度适应性的酵母菌株对提高发酵性能和降低生产成本具有重要意义。通过化学诱变和基于基因组DNA诱变的遗传重组技术对乙醇工业酵母菌的温度适应性进行改造,获得耐热性能和发酵性能得到提高的重组酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae T44-2。重组菌株T44-2的最高生长温度比原始菌株CE6提高了3 ℃,48 ℃和52 ℃热激处理1 h,重组菌株的细胞存活率分别是原始菌株的1.84     

非天然氨基酸细胞工厂的构建与应用

非天然氨基酸在医药、农药、材料等领域得到广泛应用,其绿色、高效合成越来越受到关注.近年来,随着合成生物学的快速发展,微生物细胞工厂为非天然氨基酸的制造提供了重要手段.文中从合成途径的重构、关键酶的设计改造及与前体的协同调控、竞争性旁路途径的敲除、辅因子循环系统的构建等方面介绍了 一系列非天然氨基酸细胞工厂构建与应用的研...     

Evolutionary engineering of Corynebacterium glutamicum

A unique feature of biotechnology is that we can harness the power of evolution to improve process performance. Rational engineering of microbial strains has led to the establishment of a variety of successful bioprocesses, but it is hampered by the overwhelming complexity of biological systems. Evolutionary engineering represents a straightforward approach for fitness‐linked phenotypes (e.g., growth or stress tolerance) and is successfully applied to select for strains with improved properties for particular industrial applications. In recent years, synthetic evolution strategies have enabled selection for increased small molecule production by linking metabolic productivity to growth as a selectable trait. This review summarizes the evolutionary engineering strategies performed with the industrial platform organism Corynebacterium glutamicum. An increasing number of recent studies highlight the potential of adaptive laboratory evolution (ALE) to improve growth or stress resistance, implement the utilization of alternative carbon sources, or improve small molecule production. Advances in next‐generation sequencing and automation technologies will foster the application of ALE strategies to streamline microbial strains for bioproduction and enhance our understanding of biological systems.     

Dissecting and engineering metabolic and regulatory networks of thermophilic bacteria for biofuel production

Interest in thermophilic bacteria as live-cell catalysts in biofuel and biochemical industry has surged in recent years, due to their tolerance of high temperature and wide spectrum of carbon-sources that include cellulose. However their direct employment as microbial cellular factories in the highly demanding industrial conditions has been hindered by uncompetitive biofuel productivity, relatively low tolerance to solvent and osmic stresses, and limitation in genome engineering tools. In this work we review recent advances in dissecting and engineering the metabolic and regulatory networks of thermophilic bacteria for improving the traits of key interest in biofuel industry: cellulose degradation, pentose–hexose co-utilization, and tolerance of thermal, osmotic, and solvent stresses. Moreover, new technologies enabling more efficient genetic engineering of thermophiles were discussed, such as improved electroporation, ultrasound-mediated DNA delivery, as well as thermo-stable plasmids and functional selection systems. Expanded applications of such technological advancements in thermophilic microbes promise to substantiate a synthetic biology perspective, where functional parts, module, chassis, cells and consortia were modularly designed and rationally assembled for the many missions at industry and nature that demand the extraordinary talents of these extremophiles.     

ATP调控策略及其在微生物代谢产物合成中的应用

辅因子工程是代谢工程的一个新兴分支领域,主要通过直接调控细胞内关键酶的辅因子,如ATP/ADP、NADH/NAD+、NADPH/NADP+等的浓度和形式来实现代谢流的最大化,快速地将物质流导向目标代谢物。ATP作为一种重要辅因子参与微生物细胞内大量的酶催化反应,将物质代谢途径串联或并联成复杂的网络体系,最终使得物质代谢流的分配受到牵制。因此ATP调控策略有望成为微生物菌株改造的有利工具,用于提高目标代谢物的浓度和生产能力,强化微生物对于环境的耐受以及促进底物利用等。文中将重点论述目前常用的有效ATP调控策略以及ATP调控对于细胞代谢的影响,以期为微生物细胞工厂的高效构建提供参考。     

Mathematical models of cell factories: moving towards the core of industrial biotechnology

Industrial biotechnology involves the utilization of cell factories for the production of fuels and chemicals. Traditionally, the development of highly productive microbial strains has relied on random mutagenesis and screening. The development of predictive mathematical models provides a new paradigm for the rational design of cell factories. Instead of selecting among a set of strains resulting from random mutagenesis, mathematical models allow the researchers to predict in silico the outcomes of different genetic manipulations and engineer new strains by performing gene deletions or additions leading to a higher productivity of the desired chemicals. In this review we aim to summarize the main modelling approaches of biological processes and illustrate the particular applications that they have found in the field of industrial microbiology.     

高通量筛选系统在定向改造中的新进展

酶和细胞工厂是工业生物技术的核心,在医药、化工、食品、农业、能源等诸多领域发挥重要作用。一般天然酶和细胞均需通过分子改造提高其催化效率、稳定性及立体选择性等。定向改造为快速改善酶和细胞工厂的性能提供了可能性,其中灵敏可靠的高通量筛选方法是决定酶和细胞工厂成功高效定向改造的关键。文中阐述并分析讨论了各种筛选方法的优缺点、适用范围以及信号产生策略,并总结了近3年超高通量筛选技术在酶和细胞工厂定向改造中的最新研究进展。在此基础上,讨论了高通量筛选系统目前面临的限制性因素,并对高通量筛选方法未来的发展趋势作出了展望。希望生物技术和仪器开发等各领域的研究者能够紧密合作,实现协同发展,进一步提升高通量筛选技术的可靠性和适用性。     

Metabolic engineering for the synthesis of polyesters: A 100-year journey from polyhydroxyalkanoates to non-natural microbial polyesters

As concerns increase regarding sustainable industries and environmental pollutions caused by the accumulation of non-degradable plastic wastes, bio-based polymers, particularly biodegradable plastics, have attracted considerable attention as potential candidates for solving these problems by substituting petroleum-based plastics. Among these candidates, polyhydroxyalkanoates (PHAs), natural polyesters that are synthesized and accumulated in a range of microorganisms, are considered as promising biopolymers since they have biocompatibility, biodegradability, and material properties similar to those of commodity plastics. Accordingly, substantial efforts have been made to gain a better understanding of mechanisms related to the biosynthesis and properties of PHAs and to develop natural and recombinant microorganisms that can efficiently produce PHAs comprising desired monomers with high titer and productivity for industrial applications.Recent advances in biotechnology, including those related to evolutionary engineering, synthetic biology, and systems biology, can provide efficient and effective tools and strategies that reduce time, labor, and costs to develop microbial platform strains that produce desired chemicals and materials. Adopting these technologies in a systematic manner has enabled microbial fermentative production of non-natural polyesters such as poly(lactate) [PLA], poly(lactate-co-glycolate) [PLGA], and even polyesters consisting of aromatic monomers from renewable biomass-derived carbohydrates, which can be widely used in current chemical industries.In this review, we present an overview of strain development for the production of various important natural PHAs, which will give the reader an insight into the recent advances and provide indicators for the future direction of engineering microorganisms as plastic cell factories. On the basis of our current understanding of PHA biosynthesis systems, we discuss recent advances in the approaches adopted for strain development in the production of non-natural polyesters, notably 2-hydroxycarboxylic acid-containing polymers, with particular reference to systems metabolic engineering strategies.     

合成芳香族化合物的酵母底盘改造策略*

芳香族化合物种类丰富,在多个行业具有广泛的用途,需求量大。通过构建微生物细胞工厂合成芳香族化合物具有独特的优势和工业化应用前景,其中酵母底盘因其清晰的遗传背景、完善的基因操作工具以及成熟的工业发酵体系等优势,常被用于构建细胞工厂。目前改造酵母底盘生产芳香族化合物的研究取得了一系列进展,并针对关键问题提出了一些可行的解决策略。针对酵母合成芳香族化合物的策略与挑战,从芳香族化合物合成路径改造、多样化碳源利用及转运系统改造、基因组多靶点改造、特殊酵母底盘及混菌系统构建、合成生物学高通量技术的应用这五个方面进行系统地梳理和阐述,为生产芳香族化合物的酵母底盘构建与改造提供思路。