光合微生物混菌体系的应用和研究进展

光合微生物与其他异养微生物混菌共培养是近年来的研究热点,该体系弥补了光合微生物纯培养时易染菌、不稳定等缺陷,在污水处理、土壤改善、生物降解有害物质、生产高附加值产物方面拥有广阔的应用前景。文中通过系统总结天然和人工光合微生物混菌体系的研究进展,探究人工构建的光驱动混菌体系的基础理论和应用前景,为进一步利用合成生物学等前沿技术理性改造基于光合微生物的混菌培养系统提供科学依据。     

巨大芽胞杆菌与普通生酮基古龙酸菌共培养过程中相互作用分子机制研究进展

混菌发酵法广泛应用于维生素C前体2-酮基-L-古龙酸的生产.为进一步改善工艺,多年来,科研人员一直致力于研究发酵过程中两菌相互作用的科学本质.目前,随着组学技术、高通量技术、生物信息学和生理学等多种技术与学科的迅速发展,为深入研究相互作用分子机制提供了新的方法和工具.通过蛋白质组学、代谢组学、比较基因组学、转录组学等多种组学数据的挖掘和分析,提供了系统中各层次之间的相互作用关系网络.在此基础上结合高通量的生理学验证分析,为诠释两菌相互作用分子机制和开发代谢工程改造策略奠定了基础.本文就近些年来在该研究方向的进展及其应用进行了简要归纳,并提出进一步研究的方向.     

基于组学技术的维生素C二步混菌发酵研究进展

二步发酵法是工业化生产维生素C (vitamin C, Vc)的主要方法,其中第二步由伴生菌与产酸菌(普通生酮基古龙酸菌)组合进行混菌发酵产生Vc前体2-酮基-l-古龙酸(2-keto-l-gluonic acid, 2-KLG)的机制,一直是科研人员研究的重要科学问题。通过高通量基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学等组学技术揭示生物系统中各个组分相互作用关系已经成为主要的研究手段。本文对近年来利用组学技术解析Vc混菌发酵中两菌互作关系、解除发酵系统的氧化胁迫、伴生活性物质、产酸菌群体感应、外源添加物、基因工程改造产酸菌促进产2-KLG等方面的研究进行综述,并为进一步的探索和深入研究提供思路。     

宏基因组及培养组学技术在粪菌移植中的应用

粪菌移植技术（fecal microbiota transplantation，FMT）是利用健康人群的粪便或经过处理的粪便中的微生物来治疗消化、代谢等系统诸多疾病的一项古老而又新兴的技术。宏基因组、培养组等肠道微生物组前沿研究技术的飞速发展，为粪菌移植治疗疾病提供了强有力的研究和临床实践武器。宏基因组技术可全面揭示健康及疾病状态下肠道微生态的组成及功能变化，而培养组学技术则可以用来分离和鉴定人类肠道中的诸多在常规培养条件下未可培养菌，两项技术联用不仅可以使我们更为深入地理解粪菌移植在临床实践中的因果规律，还将有力推动粪菌移植技术在未来的应用与发展。基于此，本文综述了宏基因组及培养组学技术在粪菌移植中的应用及未来发展趋势。     

木质纤维素的微生物降解

木质纤维素广泛存在于自然界中,因结构复杂,其高效降解需要多种微生物的协同互作,由于参与木质纤维素降解的微生物种类繁多,其协同降解机理尚不完全明确。随着微生物分子生物学和组学技术的快速发展,将为微生物协同降解木质纤维素机制的研究提供新的方法和思路。笔者前期研究发现,细菌复合菌系在50℃下表现出强大的木质纤维素降解能力,菌系由可分离培养和暂时不可分离培养细菌组成,但是可分离培养细菌没有降解能力。通过宏基因组和宏转录组研究表明,与木质纤维素降解相关的某些基因表达量发生显著变化,通过组学方法有可能更加深入解释微生物协同降解木质纤维素的微生物学和酶学机理。文中从酶、纯培养菌株和复合菌群三个方面综述了木质纤维素微生物降解研究进展,着重介绍了组学技术在解析复合菌群作用机理方面的现状和应用前景,以期为探索微生物群落协同降解木质纤维素的机理提供借鉴。     

2016年动物胃肠道微生物组研究十大亮点成果

动物胃肠道微生物对生产性能提高具有重要的作用,因此营养、微生物组与生产表型的互作研究已经成为国际研究热点。综述了2016年动物胃肠道微生物组学研究取得的十项重要成果,这些成果通过组学方法,研究了瘤胃纤维分解菌和尿素分解菌的功能基因多样性,揭示了微生物群落与日粮营养素、宿主基因型、环境的互作关系,阐明了反刍动物生产表型相关的瘤胃微生物种类和功能;首次构建猪肠道微生物组参考基因集,解析猪全肠道黏膜微生物组成,阐明了猪增重相关肠道微生物种类。这十大亮点成果将为国内动物营养学家开展动物胃肠道微生物组学研究提供参考。     

筛选微生物降解木质纤维素的研究进展

木质纤维素资源是自然界中含量丰富的可再生资源,利用微生物降解木质纤维素是一种重要的策略。在综合国内外对木质纤维素降解微生物的筛选方法和研究策略的基础上,从单一菌株、复合微生物菌系和组学技术三个方面对筛选微生物降解木质纤维素进行了总结和分析,阐述了各个策略的优势特点和应用价值,即单一菌株易于培养但降解能力较低,复合菌系降解能力强但传代稳定性较差,组学技术能够更好的解释微生物降解木质纤维素的机理,为筛选木质纤维素降解微生物提供一定的指导。同时提出使用合成生物学的策略进行相应微生物的筛选,旨在为筛选高效降解木质纤维素的微生物提供一定的参考。     

宏组学方法在污水处理系统中的应用进展

污水生物处理由微生物生理过程驱动,宏组学方法能够获得不同水平的分子信息,为认识污水处理系统中的微生物提供了新途径。本文对宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学与代谢组学等宏组学方法的发展进行综述,着重介绍各组学及整合宏组学在污水处理系统中的研究现状,并指出其应用前景。     

后基因组时代基因组重排在微生物菌种选育中的应用及展望

基因组重排作为一种实用高效的育种技术,在缺乏遗传背景认知和可操作遗传体系等条件下,可以突破微生物种属间的限制,经过多轮递推的原生质体融合来加速其人工定向进化,在微生物菌种改良及代谢产物开发和产业化等研究领域得到了广泛应用。步入后基因组时代,快速发展的组学和生物信息学使基因组重排成为连接各种微生物育种方法的重要纽带,为我们深入探索微生物复杂的代谢网络和全局调控机制,更为精准地实施对微生物的人工调控和定向进化提供了契机。本文系统性地回顾了近年来基因组重排在微生物菌种选育中的应用研究,尤其针对围绕其开展的组学研究进行了详细阐述,并对基因组重排与组学、生物信息学和合成生物学等新兴技术的联合应用进行了展望。     

组学技术在产油微生物中的应用

微生物油脂是未来燃料和食品用油的重要潜在资源。近年来,随着系统生物学技术的快速发展,从全局角度理解产油微生物生理代谢及脂质积累的特征成为研究热点。组学技术作为系统生物学研究的重要工具被广泛用于揭示产油微生物脂质高效生产的机制研究中,这为产油微生物理性遗传改造和发酵过程控制提供了基础。文中对组学技术在产油微生物中的应用概况进行了综述,介绍了产油微生物组学分析常用的样品前处理及数据分析方法,综述了包括基因组、转录组、蛋白(修饰)组及代谢(脂质)组等在内的多种组学技术,以及组学数据基础上的数学模型在揭示产油微生物脂质高效生产机制中的研究,并对未来发展和应用进行了展望。     

合成微生物体系研究进展

合成微生物体系作为自下而上构建的人工合成微生物群落,相比于自然微生物群落具有复杂度低及可控性、可操作性强等特点。其作为新兴的生物技术,综合借鉴了合成生物学、系统生物学、生物进化等知识,通过合理的设计、规划与调控,成为研究微生物生态学理论的实验平台,以及验证已知理论的微生物系统。本文首先简单介绍了合成微生物体系的概念及其由来,阐述了其基本构建原则,随后介绍了其生态学理论基础,并总结概括了近年来的实际应用,最后提出合成微生物体系的发展前景,包括需要设计构建更为复杂的人工合成微生物群落,以及优化生态模型。     

植物响应镉胁迫的生理生化机制研究进展

镉(Cd)是一种分布广泛且污染严重的重金属; 其毒性大, 不仅影响植物的生长发育, 而且危害人类健康。该文对植物Cd胁迫的生理生化响应方面的最新研究进展进行了总结概括。从植物光合系统、活性氧、活性氮、抗氧化防御系统、激素、钙信号、蛋白和基因等方面, 概述了植物对Cd胁迫的响应及应答机制, 探讨了植物对Cd胁迫响应机制的研究方向, 旨在为今后开展植物响应Cd胁迫的生理生化及分子机制研究提供理论依据。     

微生物降解持久性有机污染物的研究进展与展望

持久性有机污染物（POPs）是伴随着人类工业化发展而产生的合成类污染物,具有高毒性、持久性、长迁移性和高生物富集性等特点,POPs污染物的微生物降解一直是环境科学与技术应用领域的研究热点。微生物降解技术修复POPs污染环境具有无二次污染、成本低、快速简便等优点,拥有广泛的应用前景。本文论述了各种POPs微生物分解代谢的最新研究进展,包括降解性微生物资源以及降解机制。此外,还讨论了计算生物学、合成生物学、基因组学等技术在POPs微生物降解中的潜力和应用,以期为环境中持久性有机污染物的修复提供参考。     

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.     

Do bacterial and fungal communities assemble differently during primary succession?

High‐throughput sequencing technologies are now allowing us to study patterns of community assembly for diverse microbial assemblages across environmental gradients and during succession. Here we discuss potential explanations for similarities and differences in bacterial and fungal community assembly patterns along a soil chronosequence in the foreland of a receding glacier. Although the data are not entirely conclusive, they do indicate that successional trajectories for bacteria and fungi may be quite different. Recent empirical and theoretical studies indicate that smaller microbes (like most bacteria) are less likely to be dispersal limited than are larger microbes – which could result in a more deterministic community assembly pattern for bacteria during primary succession. Many bacteria are also better adapted (than are fungi) to life in barren, early‐successional sediments in that some can fix nitrogen and carbon from the atmosphere – traits not possessed by any fungi. Other differences between bacteria and fungi are discussed, but it is apparent from this and other recent studies of microbial succession that we are a long way from understanding the mechanistic underpinnings of microbial community assembly during ecosystem succession. We especially need a better understanding of global and regional patterns of microbial dispersal and what environmental factors control the development of microbial communities in complex natural systems.     

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...     

Stay connected: Electrical conductivity of microbial aggregates

The discovery of direct extracellular electron transfer offers an alternative to the traditional understanding of diffusional electron exchange via small molecules. The establishment of electronic connections between electron donors and acceptors in microbial communities is critical to electron transfer via electrical currents. These connections are facilitated through conductivity associated with various microbial aggregates. However, examination of conductivity in microbial samples is still in its relative infancy and conceptual models in terms of conductive mechanisms are still being developed and debated. The present review summarizes the fundamental understanding of electrical conductivity in microbial aggregates (e.g. biofilms, granules, consortia, and multicellular filaments) highlighting recent findings and key discoveries. A greater understanding of electrical conductivity in microbial aggregates could facilitate the survey for additional microbial communities that rely on direct extracellular electron transfer for survival, inform rational design towards the aggregates-based production of bioenergy/bioproducts, and inspire the construction of new synthetic conductive polymers.     

微生物模块化共培养工程的应用及控制策略

传统的微生物合成方法通常依赖于单一工程菌株,通过代谢工程改造合成目标产物.由于关键的辅因子、前体和能量被引入到复杂的化合物合成途径中,加重了工程菌株的代谢负担,因而常常会影响目标产物产量.而模块化共培养工程已经成为一种有效进行异源生物合成并有望大大提高产物产量的新方法.在模块化共培养工程中,不同模块菌群之间的相互协调对...     

The circadian regulation of photosynthesis

Correct circadian regulation increases plant productivity, and photosynthesis is circadian-regulated. Here, we discuss the regulatory basis for the circadian control of photosynthesis. We discuss candidate mechanisms underpinning circadian oscillations of light harvesting and consider how the circadian clock modulates CO₂ fixation by Rubisco. We show that new techniques may provide a platform to better understand the signalling pathways that couple the circadian clock with the photosynthetic apparatus. Finally, we discuss how understanding circadian regulation in model systems is underpinning research into the impact of circadian regulation in crop species.