面向工业生物技术的系统生物学

工业生物技术是以微生物细胞工厂利用可再生的生物原料来生产能源、材料与化学品等的生物技术,在解决资源、能源与环境等问题方面起着越来越重要的作用。系统生物学是全面解析微生物细胞工厂及其发酵过程从"黑箱"到"白箱"的重要研究方法。系统生物学借助基因组、转录组、蛋白质组、代谢组以及代谢流组等多组学数据,可解析微生物细胞工厂在RNA、蛋白与代谢物等不同水平上的变化规律与调控机制。目前,系统生物学在微生物细胞工厂的设计创建与发酵工艺优化中起着越来越重要的指导作用,许多成功应用实例不断涌现,推动着工业生物技术的快速发展。文中重点综述基因组、转录组、蛋白质组、代谢组与代谢流组以及基因组规模的网络模型等各组学技术的最新发展及其在工业生物技术尤其是菌株改造与发酵优化中的应用,并就工业生物技术中系统生物学的未来发展方向进行展望。     

黑曲霉柠檬酸工业菌株原生质体制备与转化

黑曲霉是柠檬酸工业化生产的主要发酵菌株。尽管现代遗传操作技术在黑曲霉的实验室菌株、蛋白质生产菌株等的应用中获得了成功,但是柠檬酸工业菌株遗传转化异常困难,成为柠檬酸工业持续升级的重要限制因素。以柠檬酸工业生产实际应用的黑曲霉菌株为研究对象,对其原生质体的制备与再生以及PEG介导的转化等条件进行了细致优化。结果表明,柠檬酸高产工业菌株原生质体的制备需选取丰富培养基中培养48 h的年轻菌丝体,在1.5%裂解酶-0.5%蜗牛酶-0.2%溶菌酶的复合酶解体系下裂解2.5 h,原生质体的制备浓度可达106个/m L以上,原生质体再生效率可达90%以上。原生质体的浓度是原生质体-PEG介导转化方法的关键,当原生质体浓度达到106个/m L以上时,高产柠檬酸菌株的转化效率大幅提高。成功建立了由原生质体-PEG所介导的高产柠檬酸黑曲霉菌株的遗传转化体系。     

硝酸盐型厌氧铁氧化菌的种类、分布和特性

硝酸盐型厌氧铁氧化(NAFO)是指微生物在厌氧条件下利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体,将低价铁(二价铁或零价铁)氧化为高价铁(三价铁)的过程。具有NAFO代谢能力的微生物称为硝酸盐型厌氧铁氧化菌(NAFOM)。NAFO是微生物领域的重大发现,也是环境领域开发新型脱氮技术和地学领域研究铁、氮循环的理论依据。整理文献报道的NAFOM资料,分析NAFOM系统发育性状,探讨典型NAFOM的生态分布及其营养、代谢特性,以期为NAFOM菌种资源的开发、地球铁素和氮素循环的研究、NAFO过程的优化提供借鉴。     

三种接种物启动Anammox-EGSB反应器的性能

为了优选接种物和加速Anammox反应器启动,分别以厌氧产甲烷污泥 (Anaerobic methanogenic sludge,AMS)、新鲜厌氧氨氧化污泥 (Fresh Anammox sludge,FAS) 和储藏厌氧氨氧化污泥 (Stored Anammox sludge,SAS) 作为接种物,研究了厌氧氨氧化膨胀颗粒污泥床 (Anammox-EGSB) 反应器 (R1、R2和R3) 的启动性能。结果表明：3种接种物均能成功启动Anammox-EGSB反应器,启动性能的优劣次序为：R2 (接种物为     

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。     

硫氧化细菌源单质硫的生成、转运和回收

单质硫(硫粒)是硫化物生物氧化的中间产物。按化学计量式精准调控O/S比(溶解氧与硫化物的摩尔比),单质硫可成为硫氧化细菌(Sulfur-oxidizing bacteria,SOB)的主要代谢产物。根据单质硫的分布,单质硫可分为胞内硫粒和胞外硫粒。单质硫由胞内向胞外的跨膜转运过程是泌硫型SOB的重要生理特征。从生物脱硫系统中回收单质硫,可实现废物资源化,具有重大意义。本文综述了硫氧化细菌源单质硫的生成过程、赋存形式、代谢特性、转运机理及生物脱硫系统中的单质硫回收,以期为新型泌硫型生物脱硫工艺的研发提供参考。     

渗透压对硝化作用的影响

在气升式内循环硝化反应器中研究了渗透压对硝化作用的影响。保持进水氨氮浓度420mg·L-1,将进水渗透压逐渐从4.3×105Pa提高到18.8×105Pa,硝化反应器的氨氮转化率稳定在93%～100%。将进水渗透压进一步提高到19.2×105Pa,氨氮转化率降至69.2%。渗透压对硝化作用的影响具有突发性,临界值在18.8×105～19.2×105Pa之间。受高渗透压胁迫时,活性污泥中硝化细菌的形态趋向单一,个体变小,内膜数量减少,并产生许多不明成分的颗粒状内含物。解除渗透压胁迫后,细胞结构恢复。添加钾离子能够缓解高渗压对硝化作用的影响。高渗透压胁迫以及解除渗透压胁迫可增强污泥硝化活性,比污泥氨氮转化率(污泥以SS计)分别从0.083kg·kg-1·d-1升至0.509kg·kg-1·d-1和2.569kg·kg-1·d-1,同比提高5.1倍和30.0倍。     

厌氧铁氧化菌研究进展

厌氧铁氧化菌(AFOM)是微生物学、地质学和环境学领域的重大发现.研究AFOM对于认识铁地质层形成,促进铁、氮、碳等元素的地球生物化学循环,丰富微生物学内容,开发厌氧铁氧化工艺,以及探索原始地球环境和外星生命现象,均有重要意义.本文综述了AFOM的研究进展,介绍了AFOM的存在生境,探讨了AFOM的物种多样性及其营养特性和代谢特性,阐述了AFOM在地质学、微生物学和环境学领域的潜在作用,并展望了AFOM在新物种发掘、代谢机理揭示以及开发应用等方面的研究方向.     

琥珀酸脱氢酶或琥珀酰辅酶A合成酶缺失促进大肠杆菌积累5-氨基乙酰丙酸

5-氨基乙酰丙酸 (ALA) 是生物体内四吡咯类化合物的合成前体,在农业及医药领域应用广泛,是极具开发价值的高附加值生物基化学品。目前利用外源C4途径的重组大肠杆菌发酵生产ALA的研究主要利用LB培养基并添加葡萄糖和琥珀酸、甘氨酸等合成前体,成本较高。琥珀酸在C4途径中以琥珀酰辅酶A的形式直接参与ALA的合成。文中在以葡萄糖为主要碳源的无机盐培养基中研究了琥珀酰辅酶A下游代谢途径琥珀酸脱氢酶编码基因sdhAB和琥珀酰辅酶A合成酶编码基因sucCD缺失对ALA积累的影响。与仅表达异源ALA合成酶的对照菌株相比,sdhAB和sucCD缺失菌株ALA的产量分别提高了25.59%和12.40%,且ALA的积累不依赖于琥珀酸的添加和LB培养基的使用,从而大幅降低了生产成本,显示出良好的工业应用前景。     

厌氧铁氧化菌研究进展

厌氧铁氧化菌(AFOM)是微生物学、地质学和环境学领域的重大发现.研究AFOM对于认识铁地质层形成,促进铁、氮、碳等元素的地球生物化学循环,丰富微生物学内容,开发厌氧铁氧化工艺,以及探索原始地球环境和外星生命现象,均有重要意义.本文综述了AFOM的研究进展,介绍了AFOM的存在生境,探讨了AFOM的物种多样性及其营养特性和代谢特性,阐述了AFOM在地质学、微生物学和环境学领域的潜在作用,并展望了AFOM在新物种发掘、代谢机理揭示以及开发应用等方面的研究方向.