新型蛋白聚糖类生物絮凝剂REA-11的合成途径

谷氨酸棒杆菌CCTCC M201005能合成一种以半乳糖醛酸为主要结构单元的蛋白聚糖类生物絮凝剂(命名为REA-11).为了研究该聚合物的生物合成途径,首先构建了谷氨酸棒杆菌生物合成REA-11的假设途径,然后从(1)中间代谢产物的添加及相关途径关键酶活性的检测和(2)胞内中间代谢产物的检测两个方面来验证该代谢途径的合理性.研究表明,在培养基中添加代谢途径的中间产物UDP-葡萄糖,可显著提高REA-11的絮凝活性,并且UDP-半乳糖差向酶和UDP-半乳糖脱氢酶的比酶活也分别提高了200%和50%;以不同底物为碳源,UDP-葡萄糖焦磷酸化酶、UDP-半乳糖差向酶和UDP-半乳糖脱氢酶的比酶活与REA-11产量的相关系数可分别达到0.75,0.89,0.97. 此外,利用HPLC检测出REA-11合成途径中3种关键中间产物UDP-葡萄糖、UDP-半乳糖和UDP-葡萄糖醛酸.由此证明,所构建的REA-11生物合成途径基本合理.     

在酿酒酵母中重构棉子糖生物合成途径的基础研究

研究了在酿酒酵母中重构棉子糖生物合成途径,为后续高效生物合成棉子糖细胞工厂的构建奠定基础。敲除酿酒酵母中能降解棉子糖的蔗糖酶与α-半乳糖苷酶的基因构建出E1(Δsuc2::Δmel1);在此基础上,构建单基因表达拟南芥肌醇半乳糖合成酶基因gols1与gols3及棉子糖合成酶基因sip1与sip5的工程菌株,及构建双基因组合表达(gols1::sip1、gols1::sip5、gols3::sip1与gols3::sip5)工程菌株;比较工程菌株代谢产物如肌醇、UDP-半乳糖、肌醇半乳糖、蔗糖及棉子糖等生成情况,验证在酿酒酵母中重构棉子糖生物合成途径的可行性。研究表明,通过共表达外源肌醇半乳糖合成酶及棉子糖合成酶基因,并敲除能降解棉子糖的蔗糖酶与α-半乳糖苷酶的基因,在酿酒酵母中实现了棉子糖生物合成途径的重构;肌醇半乳糖合成酶与棉子糖合成酶基因的不同共表达组合,棉子糖生成量有差异;重构的棉子糖生物合成途经改变了酿酒酵母原始菌株的代谢流量。     

代谢工程改造酿酒酵母生产2,3-丁二醇的研究进展

酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为“细胞动力车间”能够生产生物燃料和工业产品,2,3-丁二醇（2,3-BD）是其重要的一 种次级代谢产物,广泛应用于工业化生产。 但野生型S. cerevisiae合成2,3-BD的效率低,制约着工业化生产进程,因此,应用代谢工程 法优化代谢途径来解决这一问题极其重要。 该研究对近年来利用代谢工程手段来提高S. cerevisiae 2,3-BD产量的策略进行了总结, 主要包括：过表达2,3-BD合成途径中的关键酶编码基因;敲除编码乙醇、甘油、乙酸等分支途径的关键酶基因;利用可再生能源合成 2,3-BD;应用辅因子工程手段对S. cerevisiae合成2,3-BD的代谢网络进行重新设计及合理改造等。 对S. cerevisiae未来的研究方向进行 了展望,为实现生物燃料2,3-BD的工业化生产提供了保障。     

棒曲霉素生物合成及分子调控研究进展

棒曲霉素是由青霉、曲霉和丝衣霉等丝状真菌产生的一类有毒的次级代谢产物,可对人类健康造成严重威胁。本文从棒曲霉素生物合成途径、生物合成相关基因及编码酶、分子调控等方面分别进行阐述,其中生物合成由棒曲霉素基因簇(Pat)所决定,包括15个基因(PatA～PatO),分别编码参与合成途径相关的催化酶、转录因子和转运蛋白等。反应起始于一分子乙酰辅酶A和三分子丙二酰辅酶A所合成的6-甲基水杨酸,其经脱羧、羟化后生成龙胆醛,再经一系列反应后转化成异环氧菌素、叶点霉素、E-ascladiol,并最终生成棒曲霉素。生物合成途径不但受到编码催化酶的关键基因、特异性转录调控因子(PatL)、全局性调控因子(LaeA、CreA、AreA)、pH值依赖性调控因子(PacC)和光调控因子(VeA、VelB)等的调控,还受到宿主自身因素的影响。本文旨在为谷物、蔬菜、水果及其制品中棒曲霉素防控和脱除提供理论参考。     

微藻油脂合成的转录调控研究进展

生物燃料是传统化石燃料的理想替代品,微藻是生产生物燃料的优良原料,通过对微藻油脂合成和调控的了解,能够有效提高微藻生产生物柴油的效率。转录因子是一种具有特殊功能结构、行使调控基因表达功能的蛋白质分子,在复杂的油脂合成代谢过程中,转录因子能对代谢过程中多个酶系进行集体调控,从而促进藻细胞中油脂积累。从微藻油脂的合成途径出发,简要介绍了合成途径中的关键酶,重点综述了bZIP、MYB、Dof、bHLH转录因子对于微藻油脂合成的调控影响。微藻油脂合成涉及多个亚细胞单位的多条途径,是一个十分复杂的代谢网络过程,通过基因工程手段改变合成途径中相关酶的表达可以增加微藻中油脂积累。     

大肠杆菌羊毛甾醇合成途径的构建与优化

三萜类化合物是一类具有高附加值的次生代谢产物，羊毛甾醇是其生物合成的重要骨架化合物。为了在大肠杆菌中构建羊毛甾醇合成途径，将酵母来源的鲨烯合酶，荚膜甲基球菌来源的鲨烯环氧酶和氧化鲨烯环化酶分别克隆到载体pET28a(+)和pCDF-DUET-1中，共转入大肠杆菌BL21(DE3)底盘细胞，获得了羊毛甾醇生产菌株BT-tSSE-DXOSC。通过过表达甲基赤藓糖醇磷酸(2-C-methyl-D-erythrito-4-phosphate, MEP)途径关键酶1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶和法尼基焦磷酸合酶，增加了前体供应，使羊毛甾醇产量达2.39 mg/L,较优化前提高了2.1倍。通过发酵条件优化，确定了最优pH为7.5,诱导剂IPTG浓度0.5 mmol/L,诱导温度30℃,获得羊毛甾醇产量为5.12 mg/L,较初始条件提高了1.1倍。该研究首次构建了产羊毛甾醇的大肠杆菌工程菌株，为以羊毛甾醇为中间体的三萜类物质生物合成及相关代谢途径的研究搭建了平台。     

L-酪氨酸代谢工程研究进展

L-酪氨酸属于芳香氨基酸,广泛应用于食品、医药以及化工等领域。由于天然微生物合成积累L-酪氨酸的能力很低,近几年利用代谢工程的方法进行途径改造和全局代谢途径优化取得了显著成效。解除反馈抑制、增加前体供应、阻断竞争途径以及调控转运等代谢改造策略非常有效地提高了L-酪氨酸的产量。而模块化工程、全局转录装置工程、小RNA工程等新技术使L-酪氨酸产量更上一个水平。L-酪氨酸代谢途径是多基因和多调控方式协同控制的复杂代谢网络,随着生物技术的发展,重新合理设计、人工合成和全局优化将是未来L-酪氨酸代谢工程发展的方向。     

大肠杆菌产脂肪酶代谢通量分析

考察了5 L发酵罐中大肠杆菌表达枯草芽孢杆菌脂肪酶LipA的发酵特性,诱导2 h后,脂肪酶比活达到最高值18. 11 U/mg。建立了E. coli代谢合成脂肪酶的反应网络,并通过代谢通量分析发现,经诱导产酶后,乳酸代谢通量增加,碳流通过糖酵解途径(embden-meyerhof-parnas pathway,EMP)生成乳酸,分流了部分合成生物量的碳流,降低了生物量合成的速率;缬氨酸通量的增加满足了脂肪酶合成的需求; ATP通量的减少,限制了脂肪酶的高效合成。该研究为进一步指导提高生产脂肪酶菌种的发酵条件优化和代谢途径改造提供了理论依据。     

微生物合成乳酸的细胞工厂构建研究进展

乳酸目前广泛应用于食品、医疗和化妆品行业,并因其作为可生物降解塑料聚乳酸的原料而备受关注。微生物发酵合成乳酸具有光学纯度高和底物成本低等优点,因此,研究人员利用合成生物学和代谢工程技术构建了新型微生物细胞工厂,以实现乳酸的高效合成。在此过程中,代谢通路的构建与优化、氧化还原平衡的调节、底物谱的拓宽以及细胞工厂鲁棒性的提高等方面是需要考虑的关键问题。文章详细介绍了微生物合成乳酸的细胞工厂构建研究进展,并对当前面临的挑战和未来的研究方向进行了探讨,旨在为工业微生物高效合成乳酸提供借鉴。     

乳酸菌代谢途径的基因工程调控

随着乳酸菌基因工程技术的发展，对乳酸菌的代谢途径进行基因工程调控，可以使其产生除乳酸之外的其它具有重要工业用途的成分。通过对乳酸菌丙酮酸代谢途径中某些关键酶基因进行敲除或过量表达，可以使乳酸菌大量地产生双乙酰或L-丙氨酸；在乳球菌中过量地表达叶酸或核黄素生物合成的关键酶，可以促进这两种B族维生素的生物合成：对乳酸菌胞外多糖生物合成途径中的限制性步骤进行调控。可以有效地提高胞外多糖的产量。利用这种基因工程改造的乳酸菌可以开发新型功能性发酵食品。     

Biotechnological production of zeaxanthin by microorganisms

BackgroundZeaxanthin is a natural xanthophyll carotenoid that is widely produced by plants, algae and microorganisms and plays a critical role in the prevention of age-related eye diseases, such as macular degeneration and cataracts. Zeaxanthin is also used in the food, pharmaceutical and nutraceutical industries because of its strong antioxidant and anti-cancer properties. To date, zeaxanthin has been primarily produced by extraction from natural resources, especially plants, which is costly and environmentally unfriendly. The biosynthesis of zeaxanthin by microorganisms has been reported in lots of works to provide another potential route for zeaxanthin production.Scope and approachIn this review, we discuss the zeaxanthin biosynthetic pathway, naturally occurring zeaxanthin-accumulating microorganisms containing bacteria and microalgae, the optimization of fermentation conditions using these microorganisms, and zeaxanthin production using microbial cells factory constructed by metabolic engineering. The different metabolic engineering strategies and the zeaxanthin-accumulating level of the reviewed wild and engineered microorganisms are also considered. Furthermore, this work presents perspectives concerning the microbial production of zeaxanthin, especially the trends to construct the metabolically engineered microorganisms for zeaxanthin production.Key findings and conclusionsTo date, all the reported wild zeaxanthin-accumulating microorganisms belong to either bacteria or microalgae, while most of the reported engineering microorganisms for zeaxanthin production are Escherichia coli or yeast. A feasible strategy for zeaxanthin production is the use of metabolic engineering to construct a zeaxanthin-accumulating microbial cells factories followed by the optimization of fermentation with the engineered strain. Besides the simple overexpression of the biosynthesizing genes, the dynamic regulation of the constructed pathway has also been used for zeaxanthin production by metabolic engineering. Construction of better microbial cells factories which produce more zeaxanthin will profit from the breakthrough of the following fields: Introduction of higher plant zeaxanthin biosynthesizing genes into microorganisms; Characterization of novel zeaxanthin pathway genes from the wild microorganisms producing high level of zeaxanthin; Deep investigation of the farnesyl diphosphate formation pathway; Construction of microbial host with weak antioxidative capacity.     

虾青素化学和生物合成研究进展

虾青素是一种重要的次级类胡萝卜素,具有极强的抗氧化性能,在食品、化工、医疗、水产养殖等方面具有广泛应用。虾青素的合成方法有化学合成及生物合成,化学合成是目前商业化虾青素来源,但生物合成的虾青素更安全,在食品、保健品行业更受欢迎。研究发现生物体内虾青素的代谢合成与油脂代谢路径间存在着一定的联系。本文综述了虾青素的化学合成法和生物合成法,重点综述了微生物中参与虾青素生物合成的关键基因及其代谢调控网络。概述了利用随机诱变、代谢工程、酶工程等手段提高细菌、酵母、海洋真核微生物等虾青素合成积累的研究进展。本文可为虾青素的高效合成研究提供理论指导。     

模块化共培养技术在代谢工程领域的应用及研究进展

利用代谢工程方法生物合成目标产物时,需要为设计好的生物合成途径筛选一个合适的微生物宿主,关于此方面的研究在过去十几年中已取得了巨大的成果。随着代谢工程领域的发展,有很多先进的方法被不断地建立与应用,这就对微生物宿主细胞提出了更高的要求。近期的许多科学研究应用共培养体系来减轻细胞压力,从而提高目标产物的产量。模块化共培养体系由多种工程生物菌株组成,可对生物合成进行模块化构建。这种新兴的模块化共培养的工程方法可以广泛地应用于代谢工程领域,具有很高的应用价值。本文总结并讨论了模块化共培养工程方法的优势以及主要面临的挑战,同时对模块化共培养工程的研究进展进行了概述。     

破囊壶菌属微生物中超长链多不饱和脂肪酸的生物合成及其代谢工程应用

超长链多不饱和脂肪酸（VLCPUFAs）包括ARA、EPA、DHA等不但能营养机体,又具有独特生理功能而受到广泛的关注。破囊壶菌属微生物作为VLCPUFAs主要生产者,是鱼类、贝类等海洋生物富集积累VLCPUFAs的重要来源。许多研究指出,破囊壶菌具有大规模工业化生产VLCPUFAs的潜力。但是,目前对其的生物合成途径和组装机理仍未清楚。该综述从破囊壶菌属微生物的生物合成途径、储藏性脂质的组装机理和提高VLCPUFAs产量的基因工程策略三个方面进行介绍,着重对其VLCPUFAs的生物合成途径,及其油脂组装机理开展详细的介绍,并整理、结合一些较为前沿的研究发现对这些途径研究的潜在应用进行探讨,提高人们对破囊壶菌的生物合成及甘油酯组装途径的认知。研究表明,通过异源表达参与VLCPUFAs合成的基因,能在微生物工程菌和油料作物中产生EPA、DPA和DHA等功能油脂,含量能达到总脂的5%~40%,而通过基因工程敲除或改造破囊壶菌微生物的脂质合成途径基因,能提高破囊壶菌DHA产量约3%~55%。这些实例为指导VLCPUFAs的工业化生产,提供理论依据。     

生物法合成α-酮戊二酸及其衍生物的研究进展

α-酮戊二酸是三羧酸循环的中间代谢产物,参与氨基酸、维生素和有机酸的合成及能量代谢,具有广泛的应用前景。该研究从α-酮戊二酸及其衍生物的应用、生物合成途径及代谢调控、生物法合成策略等方面综述了生物法合成α-酮戊二酸及其衍生物的研究进展,旨在为生物法合成α-酮戊二酸及其衍生物以及生产菌株的代谢工程研究提供参考。     

Metabolic physiology of aroma-producing Kluyveromyces marxianus

Kluyveromyces marxianus has a high potential for industrial production of aroma compounds, such as 2-phenylethanol, which is derived in a bioconversion from L-phenylalanine. In the present work the product yield of K. marxianus in batch cultivation was estimated as 0.65 mol 2-phenylethanol/mol L-phenylalanine and thus significantly below the theoretical optimum of 1 mol/mol. By a comprehensive approach of stoichiometric balancing and GC-MS analysis of various substrates and products of K. marxianus a detailed insight into its metabolism was gained. For this purpose ring-labelled ((13)C(6)) L-phenylalanine and naturally labelled glucose were applied as substrates in tracer studies in batch culture. The produced aroma compounds 2-phenylethanol and 2-phenylethylacetate stem exclusively from the supplied L-phenylalanine, whereas glucose was not converted into these products because of efficient feed-back inhibition of prephenate dehydratase in the L-phenylalanine biosynthetic pathway. It could be further shown that the supplied L-phenylalanine completely covers the anabolic cellular demand for this amino acid. Quantification of (13)CO(2) in the exhaust gas provided clear evidence for catabolic breakdown of L-phenylalanine during cultivation. Metabolic balancing around the pool of free intracellular L-phenylalanine revealed a significant loss of L-phenylalanine into catabolic and anabolic pathways. While 73.3% of L-phenylalanine was converted into 2-phenylethanol or 2-phenylethylacetate, 22.4% was catabolized through the cinnamate pathway and 4.3% was directed towards protein biosynthesis. Catabolic breakdown of L-phenylalanine via hydroxylation to L-tyrosine could be excluded. In addition to an insight into metabolic functioning and regulation of 2-phenylethanol-producing K. marxianus, the approach presented here provides important information on potential targets for genetic optimization of 2-phenylethanol-producing yeasts.     

反油酸诱导人脐静脉内皮细胞转录组学及生物信息学分析

以反油酸诱导人脐静脉内皮细胞后,结合转录组学分析及其生物信息学分析,在转录水平上对相关差异表达基因进行研究。结果表明：共检测到95?条基因显著变化,其中31?条基因上调,64?条基因下调。并通过生物信息学分析,其中参与生物进程显著性差异表达基因共772?条,关于细胞组成的基因显著表达性差异基因共46?条,关于分子功能的基因显著表达性差异基因共122?条。共检测到93?条信号通路,其中显著变化的有11?条,其中包括萜类骨架生物合成通路、类固醇生物合成通路和脂肪酸代谢通路等。根据蛋白质基因互作通路图,重点分析了同时参与不同通路的靶基因,包括脂肪酸合成酶、STAT4转录因子及IL-23细胞因子等。     

大肠杆菌合成琥珀酸的代谢工程研究进展

琥珀酸是一种重要的平台化合物,广泛地应用于食品、医药和化工等领域,被美国能源部列为12种最具潜力的可大宗生产的 化学品之首。 大肠杆菌（Escherichia coli）是目前生产琥珀酸的主要菌株,利用生物法发酵生产琥珀酸因具有原料可再生利用、绿色环 保等优势而成为当今研究的热点。该文从代谢调控的角度出发分析总结了大肠杆菌在发酵产琥珀酸中所应用到的方法策略,如消除 竞争途径、过表达关键酶、提供还原能量、扰动磷酸戊糖途径等,着重突出了代谢控制发酵产琥珀酸方面的研究进展,并对今后的发 展提供了新思路。