数字细胞模型的研究及应用

组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义,因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍,重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用,进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势,对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍,最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。     

信号识别颗粒(SRP)在膜蛋白定位中的作用

依赖信号识别颗粒(signal recognition particle,SRP)的共翻译转运是所有生命体中的一个保守途径,它将新生肽链的翻译与转运耦联在一起。超过30%的新合成的多肽链被SRP转运到正确位置。最近的研究表明,大肠杆菌中SRP抑制子可以规避SRP的需求。当SRP缺失时,翻译控制在介导膜蛋白定位方面起着关键作用。本综述总结了SRP底物如何在存在或缺失SRP的情况下转运到适当的位置以及翻译速率降低如何补偿SRP的缺失。我们还讨论了不同蛋白质对SRP的依赖程度。这一回顾将为进一步研究SRP功能及膜蛋白定位提供新思路。     

生物制造产业是生物经济重点发展方向

<正>生物制造是利用生物体机能进行物质加工与合成的绿色生产方式,有望在能源、化工和医药等领域改变世界工业制造格局。国家发展改革委印发《“十四五”生物经济发展规划》,明确将生物制造作为生物经济战略性新兴产业发展方向,提出“依托生物制造技术,实现化工原料和过程的生物技术替代,发展高性能生物环保材料和生物制剂,推动化工、医药、材料、轻工等重要工业产品制造与生物技术深度融合,向绿色低碳、无毒低毒、可持续发展模式转型”。可以说,大力发展生物制造产业,将助力我国加快构建绿色低碳循环经济体系,推动生物经济实现高质量发展。     

细菌Na+/H+逆向转运蛋白的研究进展

Na+/H+逆向转运蛋白在维持细胞内pH稳态、Na+离子动态平衡和调控细胞体积方面发挥着重要作用。目前,细菌中许多参与高盐或高碱性环境压力应答的Na+/H+逆向转运蛋白得到了鉴定和功能阐释。继续挖掘高效的Na+/H+逆向转运蛋白,深入探究Na+/H+逆向转运蛋白的分子机理,将为工业菌株或农作物的改良提供新的研究思路。本文以4种模式菌株为例,简要概述细菌Na+/H+逆向转运蛋白的种类和特征,同时对其结构和功能等方面也进行探讨。     

泸型酒酒醅中梭菌群落的发酵演替规律和功能预测

【目的】研究泸型酒酒醅中梭菌(Clostridia)群落的演替规律,探讨梭菌群落在酒醅发酵过程中的潜在功能。【方法】利用实时荧光定量PCR技术结合高通量测序技术研究不同发酵时间泸型酒酒醅中梭菌丰度变化;通过梭菌16S r RNA基因序列高通量测序数据分析揭示梭菌群落演替规律,并运用LEf Se分析找出标志性OTU;通过PICRUSt分析对梭菌功能组成进行预测。【结果】泸型酒发酵过程酒醅中梭菌的生物量在发酵14 d上升至最高(3.46×10~7 copies/g),梭菌占总细菌的相对丰度在发酵20 d达到最高(6.67%);对梭菌群落结构的聚类分析结果表明,发酵7 d的酒醅梭菌群落结构显著区别于其他发酵时间,主要体现为存在17个标志性OTU,其中大部分分类学地位尚不明确;PICRUSt分析显示梭菌主要参与氨糖与核糖代谢、磷酸戊糖途径,其次是果糖和甘露糖代谢、TCA循环、糖酵解途径、丙酸及丁酸代谢。【结论】泸型酒酒醅中梭菌的生物量和占细菌的相对丰度在发酵开始后的2-3周内逐渐达到最高,而梭菌群落的结构则在发酵1周内便发生了显著改变,并在发酵2-3周内趋于稳定。在发酵2-3周时有较多与丙酸、丁酸等风味物质代谢相关的基因在酒醅梭菌中被预测到。     

体外多酶分子机器的现状和最新进展

体外多酶分子机器遵循所设计的多酶催化路径,将若干种纯化或部分纯化的酶元件进行合理的优化与适配,高效地在体外将特定的底物转化为目标化合物。体外多酶分子机器反应系统呈现元件化和模块化的特点,在设计、组装和调控方面具有较高的自由度。近年来,体外多酶分子机器在实现反应过程的精准调控和提高产品得率方面的优势逐渐体现,展示了其在生物制造领域重要的应用潜力。对体外多酶分子机器的相关研究已成为合成生物学的一个重要分支领域,日益受到广泛的关注。文中系统地综述了基于酶元件/模块的体外多酶分子机器的构建策略,以及改善该分子机器中酶元件/模块之间适配性的研究进展,并分析了该生物制造平台的发展前景与挑战。     

利用代谢工程改善大肠杆菌的3-脱氢莽草酸生产

3-脱氢莽草酸是芳香族氨基酸合成代谢途径中的一种重要中间产物。除可作为一种高效的抗氧化剂,还可用于合成己二酸、香草醛等一些重要的化工产品,具有重要的应用价值。相关研究证明具有去酪氨酸反馈抑制的3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖-7-磷酸合成酶基因aroFFBR以及转酮醇酶基因tktA可以有效影响3-脱氢莽草酸的过量合成。通过增加aroFFBR和tktA串联过量表达的拷贝数,可使工程菌株在摇瓶发酵条件下3-脱氢莽草酸产量提高2.93倍。通过同源重组无痕基因敲除技术依次敲除出发菌大肠杆菌Escherichia coli AB2834的乳酸、乙酸、乙醇等副产物合成途径中的重要基因ldhA、ackA-pta和adhE,可使工程菌株的3-脱氢莽草酸产量进一步提高,达到了1.83 g/L,是初始出发菌株大肠杆菌E.coli AB2834产量的6.7倍。利用5 L发酵罐进行分批补料发酵,62 h后工程菌株3-脱氢莽草酸产量达到了25.48 g/L。本研究可为构建有应用前景的3-脱氢莽草酸生产菌株提供重要参考。     

工业蛋白质理性设计与应用

作为合成生物学与绿色生物制造等领域的底层核心技术,蛋白理性设计可有效解决天然功能元件性能不足等共性挑战,创制高性能人工酶元件。值此天津工业生物研究所(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, TIB)创立10周年之际,文中回顾了研究所在工业蛋白理性设计领域的系列重要工作进展。从酶设计方法学研究、新酶反应设计到生物催化应用等方面进行了分析讨论,并展望了本领域未来发展方向。望借此搭建学术界和产业界与酶理性设计的桥梁,促进新技术、新策略的开发应用,加速融合人工酶的基础研究与产业应用,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

造纸用木聚糖酶的基因工程研究进展

木聚糖酶用于造纸行业可以显著改善纸浆的性能,减少纸张处理过程中有害化学试剂的使用,从而减轻环境污染,提高纸张品质,因此在造纸工业中具有广阔的应用前景。本文从造纸用碱性木聚糖酶基因的克隆、分子改造、高效表达及在造纸行业的应用研究等方面出发,对造纸用碱性木聚糖酶的研究现状进行综述,为开发造纸用木聚糖酶提供了思路。     

谷氨酸棒杆菌碱基编辑的条件优化

近年来,基于CRISPR/Cas9的碱基编辑技术因其具有不产生DNA双链断裂、无需外源DNA模板、不依赖宿主同源重组修复的优势,已经逐渐发展成为一种强大的基因组编辑工具,在动物、植物、酵母和细菌中得到了开发和应用。研究团队前期已在重要的工业模式菌株谷氨酸棒杆菌中开发了一种多元自动化的碱基编辑技术MACBETH,为进一步优化该方法,提高碱基编辑技术在谷氨酸棒杆菌中的应用效率,本研究首先在谷氨酸棒杆菌中构建了基于绿色荧光蛋白(GFP)的检测系统:将GFP基因的起始密码子ATG人工突变为ACG,GFP无法正常表达,当该密码子的C经编辑后恢复为T,即实现GFP蛋白的复活,结合流式细胞仪分析技术,可快速衡量编辑效率。然后,构建针对靶标位点的碱基编辑工具,经测试,该位点可成功被编辑,在初始编辑条件下碱基编辑效率为(13.11±0.21)%。在此基础上,通过对不同培养基类型、诱导初始OD600、诱导时间、诱导物浓度进行优化,确定最优编辑条件是:培养基为CGXII,初始OD600为0.05,诱导时间为20 h,IPTG浓度为0.01 mmol/L。经过优化,编辑效率达到(30.35±0.75)%,较初始条件提高了1.3倍。最后,选取原编辑条件下编辑效率较低的位点,进行了优化后编辑条件下的编辑效率评估,结果显示,不同的位点在最优编辑条件下的编辑效率提高了1.7–2.5倍,进一步证实该优化条件的有效性及通用性。研究结果为碱基编辑技术在谷氨酸棒杆菌中更好的应用提供了重要的参考价值。