基因组挖掘技术在海洋放线菌天然产物研究开发中的应用及展望

利用微生物的基因组信息预测其合成特定天然产物的潜能, 进而进行新化合物分离纯化和结构鉴定的基因组挖掘技术, 已经成为国内外研究的热点, 并在多种细菌和真菌的天然产物发现中得到成功应用。本文综述了基因组挖掘技术的最新进展, 包括生物信息分析和结构预测、基因组指导的天然产物的发现、沉默基因的激活和异源表达技术等, 以及我国学者开发的转录组挖掘技术, 并重点综述了影像质谱技术在基因组挖掘中的应用。目前对海洋放线菌进行基因组挖掘的研究还比较少, 而基因组挖掘技术的发展, 将极大地促进对海洋放线菌天然产物的发现和鉴定。未来除了充分挖掘可培养微生物的基因组, 对未培养微生物宏基因组的挖掘将进一步深入。此外, 除了开发利用基因组中合成天然产物的结构基因和调节基因, 还应该充分开发利用其他不同的遗传元件, 包括不同转录活性和响应不同环境条件和信号的启动子, 以及具有调节作用的RNA等。     

天然抗补体活性物质研究进展

补体系统的非正常激活可引起人体的多种疾病,包括类风湿性关节炎和老年性痴呆等,但目前还没有较好的抗补体制剂。化学合成的抗补体制剂成本高、选择性差、并能产生多种副作用,天然产物来源的抗补体活性成分引起了国内外学者的普遍关注。迄今为止,已经从动植物及微生物中分离出多种具有抗补体活性的物质,包括多糖、黄酮、甾体、皂苷、萜类、生物碱等。本文对近年来天然产物中具有抗补体活性的成分进行了综述,由于微生物易于培养及基因工程改良,而且产品质量容易控制,来自微生物的抗补体活性物质值得关注。     

液泡蛋白酶B对酿酒酵母高温乙醇发酵效率的影响

【目的】提高酿酒酵母的高耐温性,从而提高菌株在高温下的乙醇发酵性能。【方法】利用染色体整合过表达酿酒酵母液泡蛋白酶B编码基因PRB1。【结果】在41 °C高温条件下进行乙醇发酵,过表达PRB1基因的重组酿酒酵母菌株可在31 h内消耗全部的葡萄糖,而对照菌株在相同时间内仅消耗不到一半的葡萄糖。【结论】利用蛋白酶B基因过表达可构建耐高温酿酒酵母菌株,提高在高温条件下乙醇的发酵效率。     

新资源微生物：微生物资源的发现和应用

<正>微生物个体微小,分布广泛,形态和生理功能多样,包括疾病相关微生物和有益微生物等,其中有益微生物对物质循环、生态平衡、疾病治疗以及污染的降解都具有重要的贡献。因此,开发利用微生物资源,对推动生物技术在绿色制造中的应用,实现经济社会的可持续发展具有重要意义。     

UTH1基因破坏提高重组酿酒酵母分泌β-葡萄糖苷酶

异源蛋白质分泌效率低限制了重组酿酒酵母的多种药用蛋白和工业酶生产。挖掘促进蛋白质生物合成和分泌的关键基因,是提高异源蛋白质生产效率的重要手段。酿酒酵母细胞壁完整性影响异源蛋白质分泌,本研究利用基于CRISPR/Cas9的基因组编辑技术,破坏了重组酿酒酵母Y294-BGL1中参与细胞壁合成的未知功能基因UTH1,发现所获得的突变体胞外β-葡萄糖苷酶酶活比出发菌株提高112.9%,而细胞壁完整性下降。对促进产酶的分子机理进行探索,发现突变体产酶条件下与细胞壁完整性相关的关键基因和与蛋白质分泌途径相关的基因转录出现明显差异,提示UTH1基因破坏不仅影响细胞壁完整性关键基因的表达,也影响蛋白质分泌途径。本文的研究结果有助于深入理解UTH1的基因功能,并为构建异源蛋白质高分泌酵母菌株提供了借鉴。     

过表达tRNA基因tL(CAA)K提高酿酒酵母乙酸耐受性

乙酸是木质纤维素类生物质水解液中的常见毒性抑制物,选育乙酸耐受性好的酿酒酵母菌株,有利于高效利用木质纤维素类生物质,发酵生产生物燃料和生物基化学品。目前对酿酒酵母抗逆性的研究多集中在转录水平,但对转运RNA (Transfer RNA,tRNA) 在耐受性中的作用研究较少。在对酿酒酵母抗逆性研究过程中发现,一些转运RNA基因在耐受性好的酿酒酵母菌株中转录明显上调。本文深入分析了精氨酸tRNA基因tR(ACG)D和亮氨酸tRNA基因tL(CAA)K过表达对酿酒酵母耐受木质纤维素水解液的影响。结果表明,在4.2 g/L乙酸胁迫条件下进行乙醇发酵时,过表达tL(CAA)K的菌株生长和发酵性能均优于对照酵母菌株,乙醇生产强度比对照菌株提高了29.41%,但过表达tR(ACG)D基因的菌株生长和代谢能力较对照菌株明显降低,体现了不同tRNA的不同调控作用。进一步分析发现,过表达tL(CAA)K的重组酵母菌株乙酸耐受性调控相关基因HAA1、MSN2和MSN4等胁迫耐受性相关转录因子编码基因的转录水平上调。本文的研究为选育高效利用木质纤维素资源进行生物炼制的酵母菌株提供了新的改造策略,也为进一步揭示酿酒酵母tRNA基因表达调控对抗逆性的影响提供了基础。     

工业微生物：创新与突破专刊序言(2021)

工业微生物及其产品广泛用于工业、农业、医药等诸多领域,相关产业在国民经济中具有举足轻重的地位。高效的菌株是提高生产效率的核心,而先进发酵技术和仪器平台对充分开发菌株代谢潜能也很重要。近年来,工业微生物领域的研究取得了快速进展,人工智能、高效基因组编辑技术和合成生物学技术逐渐广泛使用,相关产业应用也在不断扩展。为进一步促进工业微生物在生物制造等领域的应用,《生物工程学报》特组织出版专刊,从微生物菌株的多样性和生理代谢、菌株改造技术、发酵过程优化和放大,高通量微液滴培养装备开发以及工业微生物应用等方面,分别阐述目前的研究进展,并展望未来的发展趋势,为促进工业微生物及生物制造等产业的发展奠定基础。     

稳定遗传的染色体组合整合酿酒酵母重组菌株的构建

染色体整合表达可获得稳定遗传的基因工程菌,是工业酿酒酵母育种的重要手段。pAUR135整合载体是抗生素标记基因可循环使用的载体,添加特定的同源臂后可构建在酵母染色体上稳定遗传的菌株。目前对酵母菌的分子育种常需要对多个基因进行过表达,利用pAUR135载体可将不同基因分别整合在不同染色体或相同染色体的不同位点,这种组合整合表达方法可对不同基因的表达强度比例进行调节,构建表型优化的工业酿酒酵母菌株。本研究以木糖代谢途径基因为例,构建了3个pAUR135整合载体,将3个木糖代谢基因依次整合到工业酿酒酵母染色体的不同位点,获得了染色体组合整合表达的代谢工程菌株。与将这3个基因整合在同一个位点的对照重组菌株相比,染色体组合整合的重组菌株木糖利用率提高了24.4%–35.5%。多基因染色体组合整合方法从新的角度对工业酵母进行代谢工程改造,所获得的工程菌株不带有任何外来基因和选择标记,可以保持性状的稳定,是工业酿酒酵母分子育种的新方法。     

锌指蛋白及人工锌指蛋白对微生物代谢影响的研究进展

锌指蛋白由于锌指结构域序列相对保守,识别DNA序列具有高度特异性,所以成为研究较广泛的DNA结合蛋白,但目前对锌指蛋白的研究多集中在真核细胞,而对微生物锌指蛋白,尤其是原核微生物锌指蛋白的研究相对较少。本文综述了近年来微生物锌指蛋白,尤其是原核微生物锌指蛋白的发现及功能的最新研究进展,以及人工锌指蛋白技术在微生物菌株改造中的应用。特定人工锌指蛋白不仅可调控微生物细胞中多基因控制的复杂性状,例如耐热性、乙醇和丁醇耐性、渗透胁迫耐受性等,还可以利用锌指结构域构建DNA脚手架系统,进而构建复合酶系统,从而提高催化效率和代谢物产量。目前报道的用于微生物代谢调控的人工锌指蛋白利用的都是哺乳动物的基因,未来根据不同微生物中天然锌指蛋白的序列进行人工锌指的设计,将拓展人工转录因子技术在微生物全局基因表达调控中的应用。     

絮凝酵母海藻糖合成酶基因TPS1启动子区的克隆和乙醇胁迫下启动子活性的变化

提高生物能源生产菌株对各种胁迫因素的耐受性对于提高生产过程的经济性和高效生产生物能源具有重要的意义。对酿酒酵母乙醇耐性的分子机制的研究,可揭示影响其耐受性的关键基因,并通过代谢工程操作定向提高酵母菌的乙醇耐受性,从而提高燃料乙醇的生产效率。海藻糖对酵母菌在多种环境胁迫下的细胞活性具有保护作用,但其对乙醇耐性分子机制的研究还不够深入。克隆了自絮凝酵母Saccharomyces cerevisiae flo的海藻糖-6-磷酸合成酶基因TPS1的启动子区域,利用pYES2.0载体骨架,构建了PTPS1启动绿色荧光蛋白EGFP标记基因的报告载体,并转化酿酒酵母ATCC4126。对酵母转化子在含有7%和10%乙醇的生长培养基中的EGFP的表达情况进行相对荧光定量分析,发现PTPS1活性在7%乙醇存在下受到强烈诱导。EGFP表达量对高温和高糖胁迫无明显差别,显示了TPS1启动子对乙醇浓度的特异响应。研究结果表明,絮凝酵母海藻糖的合成是对乙醇胁迫的保护性反应。