全局转录调控及其在代谢工程中的应用

全局转录调控是一种全新的改进细胞表型的定向进化方法,通过error-prone PCR、DNA shuffling等技术对细胞中的σ因子和其他转录元件进行多轮突变修饰,改变RNA聚合酶的转录效率和对启动子的亲和能力,使细胞的转录在整体水平上发生改变,导致许多由多种基因控制的细胞表型得以改进。全局转录调控可以对代谢途径快速优化,在代谢工程中已被成功地应用于各种代谢产物的生物合成中。随着全局转录调控理论的不断完善,其应用前景也将越来越广阔。     

转录组学技术在急性肾损伤中的应用进展

急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)是一种常见的临床危重症,发病机制复杂,缺乏有效的防治策略.近年来,转录组测序(RNA sequencing,RNA-seq)技术已广泛应用于AKI分子机制的研究,加深了对AKI亚型和病理生理过程的认知.与常规的全转录组测序(bulk RNA sequencin...     

大肠杆菌全局调控转录因子环腺苷酸受体蛋白质在代谢工程中的应用

环腺苷酸受体蛋白质(Cyclic amp receptor protein,CRP)是原核生物共有的一类全局转录因子,调控原核生物大肠杆菌Escherichia coli中近一半基因的转录。通过易错PCR或DNA shuffling的方法可以获得CRP突变体文库,然后经过筛选可以得到目的细胞表型——"抗逆性"增强。本研究综述了突变CRP在细胞表型:耐氧化压力、耐渗透胁迫、耐有机溶剂(甲苯)、发酵中耐醋酸盐类和生物醇生产中耐生物醇中的应用。推论出CRP同样可以应用于相似微生物的表型培育,并展望了CRP的巨大应用潜力。     

单细胞转录组测序技术在细胞分类中的应用

多细胞有机体的细胞类型多且复杂,细胞间普遍存在异质性。目前,单细胞转录组测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)技术是一项新兴的研究单个细胞转录水平的技术,其从数千个平行的细胞中生成转录谱,揭示个体细胞基因组的差异性表达,反映细胞间的异质性,从而鉴定出不同细胞类型,形成组织或器官的细胞图谱,在生物和临床医学等领域发挥重要作用。该文在对scRNA-seq测序平台进行阐述和比较的基础上,着重介绍其在神经系统和免疫系统细胞类型探索中的应用,并且总结scRNA-seq与空间转录组技术相结合的研究成果。     

启动子和细胞全局转录机制的定向进化在微生物代谢工程中的应用

通过随机突变和定向选择而进行的定向进化(又称分子进化或人工进化)在改造酶的催化特性和稳定性、扩展酶的底物范围等方面具有广泛的应用。近年来,定向进化也开始应用在对结构基因的启动子区域和具有调节功能的蛋白如转录因子等进行代谢工程改造,并成功选育了对环境胁迫因素具有较强耐受性,以及发酵效率提高的微生物菌种。以下着重介绍近年来启动子的定向进化,包括启动子的强度和调节功能的分子进化,以及细胞全局转录工程等技术在微生物代谢工程中的应用,这些定向进化技术使人们可以更精细地调节基因表达水平,并可同时改变细胞内多个基因的转录水平,是代谢工程研究新的有力工具。     

高通量转录组测序技术在植物雄性不育研究中的应用

植物雄性不育是指植物雄蕊发育受阻不能产生正常有功能花粉的现象。植物雄性不育不仅是生殖生理研究的宝贵材料,也是植物杂种优势利用的重要工具。由于高通量转录组测序技术几乎可以检测细胞内所有mRNA及非编码RNA的信息,已被广泛应用于生命科学研究的各项领域。在植物雄性不育相关研究中,高通量转录组测序技术在不同物种、不同败育类型中的应用已有报道,这为研究者在转录组水平综合了解植物雄性不育的分子机制及代谢网络提供了帮助。本文从测序文库构建策略、差异表达基因、非编码RNA的功能特征等方面综述了高通量转录组测序在植物雄性不育机理方面的研究进展,并探讨了转录组测序技术在花粉败育机制解析及育性相关基因定位中的应用价值,以期为植物雄性不育的相关研究提供参考。     

基于油桐种子3个不同发育时期转录组的油脂合成代谢途径分析

油桐是我国重要的木本油料植物, 过去对油桐的研究主要集中于栽培和常规育种, 与油桐种仁油脂合成相关的分子机理研究还未见报道。文章采用RNA-seq技术对油桐种子油脂合成的3个不同时期的转录组进行比较, 获得了大量差异表达的Unigene序列。在此基础上, 通过GO分类和Pathway富集性分析将这些差异表达Unigene归类于128个代谢途径, 其中包含与油脂合成相关的脂肪酸生物合成和甘油磷脂代谢途径。桐酸经脂肪酸生物合成途径合成后通过甘油磷脂代谢途径以桐油的形式贮存。将这两个代谢途径的Unigene序列在KEGG数据库中进行比对, 获得了一些关键酶的同源蛋白质。文章通过对编码这些同源蛋白质的基因在油桐种子油脂合成期的表达模式进行分析, 以期为油桐油脂合成, 尤其是桐酸合成机理的解析提供理论参考, 并为油桐的遗传改良提供潜在的基因资源, 从而提高油桐的单位面积产量。     

单细胞转录组技术及其在人类细胞图谱构建中的应用

单细胞转录组技术在单细胞水平上进行转录组测序,提供了单个细胞的基因表达差异信息,使在单细胞尺度下研究个体细胞、相关环境细胞及其相互作用的机理成为可能.近年来,单细胞转录组技术在c DNA扩增原理上经历了从末端加尾、体外逆转录到模板置换的方法发展,大大提高了基因检测的数量、基因表达的准确性等.同时,在单细胞选取方式上进行了从96/384孔板到油包水液滴以及纳米微孔的创新,在提高通量和重复性的同时降低了整体实验成本.单细胞转录组技术广泛应用于细胞群体分类和异质性研究,推动了从发育生物学到正常、病态组织细胞图谱的构建.本文对单细胞转录组技术近年的技术进展以及在人类细胞图谱构建中的应用进行了综述.     

Rational design of thiolase substrate specificity for metabolic engineering applications

Metabolic engineering efforts require enzymes that are both highly active and specific toward the synthesis of a desired output product to be commercially feasible. The 3‐hydroxyacid (3HA) pathway, also known as the reverse β‐oxidation or coenzyme‐A‐dependent chain‐elongation pathway, can allow for the synthesis of dozens of useful compounds of various chain lengths and functionalities. However, this pathway suffers from byproduct formation, which lowers the yields of the desired longer chain products, as well as increases downstream separation costs. The thiolase enzyme catalyzes the first reaction in this pathway, and its substrate specificity at each of its two catalytic steps sets the chain length and composition of the chemical scaffold upon which the other downstream enzymes act. However, there have been few attempts reported in the literature to rationally engineer thiolase substrate specificity. In this study, we present a model‐guided, rational design study of ordered substrate binding applied to two biosynthetic thiolases, with the goal of increasing the ratio of C6/C4 products formed by the 3HA pathway, 3‐hydroxy‐hexanoic acid and 3‐hydroxybutyric acid. We identify thiolase mutants that result in nearly 10‐fold increases in C6/C4 selectivity. Our findings can extend to other pathways that employ the thiolase for chain elongation, as well as expand our knowledge of sequence–structure–function relationship for this important class of enzymes.     

基因敲除技术及其在微生物代谢工程方面的应用

应用基因工程技术对微生物细胞内的代谢通量进行重新设计,是获得高产高效的工业菌株的重要手段之一。基因敲除是20世纪80年代发展起来的一项重要的分子生物学技术,利用基因敲除技术可阻断细胞的代谢旁路。或通过引入突变位点改变目的产物的产量或质量而达到调节代谢流,优化代谢途径的目的。简单介绍了基因敲除技术的操作过程,重点讨论基因敲除技术的敲除策略及在微生物代谢工程方面的应用,并展望了相关技术在诸多领域的发展趋势。     

Dynamic control in metabolic engineering: Theories,tools, and applications

Metabolic engineering has allowed the production of a diverse number of valuable chemicals using microbial organisms. Many biological challenges for improving bio-production exist which limit performance and slow the commercialization of metabolically engineered systems. Dynamic metabolic engineering is a rapidly developing field that seeks to address these challenges through the design of genetically encoded metabolic control systems which allow cells to autonomously adjust their flux in response to their external and internal metabolic state. This review first discusses theoretical works which provide mechanistic insights and design choices for dynamic control systems including two-stage, continuous, and population behavior control strategies. Next, we summarize molecular mechanisms for various sensors and actuators which enable dynamic metabolic control in microbial systems. Finally, important applications of dynamic control to the production of several metabolite products are highlighted, including fatty acids, aromatics, and terpene compounds. Altogether, this review provides a comprehensive overview of the progress, advances, and prospects in the design of dynamic control systems for improved titer, rate, and yield metrics in metabolic engineering.     

植物代谢工程的研究现状

植物代谢工程是一个很有发展前景的新兴学科。它可通过多种方法对植物的代谢流进行改造,如加速限制步骤的反应,改变分叉代谢途径的流向,构建代谢旁路,引入转录调节因子、信号因子、植物激素合成基因,扩展和构建新的代谢途径等方法进行。并取得了一些有意义的研究结果。     

历久弥新：进化中的代谢工程

20世纪90年代,Bailey及Stephanopoulos等提出了经典代谢工程的理念,旨在利用DNA重组技术对代谢网络进行改造,以达到细胞性能改善,目标产物增加的目的。自代谢工程诞生以来的30年,生命科学蓬勃发展,基因组学、系统生物学、合成生物学等新学科不断涌现,为代谢工程的发展注入了新的内涵与活力。经典代谢工程研究已进入到前所未有的系统代谢工程阶段。组学技术、基因组代谢模型、元件组装、回路设计、动态控制、基因组编辑等合成生物学工具与策略的应用,大大提升了复杂代谢的设计与合成能力;机器学习的介入以及进化工程与代谢工程的结合,为系统代谢工程的未来开辟了新的方向。文中对过去30年代谢工程的发展趋势作了梳理,介绍了代谢工程在发展中不断创新的理论与方法及其应用。     

Physiology of microbial cells and metabolic engineering

This review is devoted to the problems of the physiology and cell biology of microorganisms in relation to metabolic engineering. The latter is considered as a branch of fundamental and applied biotechnology aimed at controlling microbial metabolism by methods of genetic engineering and classical genetics and based on intimate knowledge of cell metabolism. Attention is also given to the problems associated with the metabolic limitation of microbial biosyntheses, analysis and control of metabolic fluxes, rigidity of metabolic pathways, the role of pleiotropic (global) regulatory systems in the control of metabolic fluxes, and prospects of physiological and evolutionary approaches in metabolic engineering.     

代谢工程在D-核糖生产中研究现状及应用前景

简要介绍了代谢工程的进展情况,并较为详细地从宿主的选择、加速限速反应、改变代谢流和生产过程的优化等方面论述了代谢工程在D-核糖基因工程菌构建方面的应用及其应用前景。     

提高衣康酸产量的代谢工程育种研究进展

衣康酸(itaconic acid,IA)是一种白色结晶状的不饱和二元羧酸,它是化学和制药工业中许多相关化合物的前体,被广泛应用于树脂、塑料、胶乳和超吸附剂等的工业生产中。与化学法生产衣康酸相比,生物法具有原料来源广泛,生产过程能耗低,不污染环境等优点。介绍了衣康酸合成的生物代谢途径,以及在野生型宿主和异源宿主中生产衣康酸和提高衣康酸产量的生物技术,为今后开展利用生物技术生产衣康酸的研究提供参考。