代谢工程调控策略在生物合成氨基酸及其衍生物中的应用

氨基酸的工业化生产已有上百年历史,多用于动物饲料和食品添加剂;很多种类的氨基酸如L-半胱氨酸、β-丙氨酸、S-腺苷甲硫氨酸、4-羟基异亮氨酸和高丝氨酸等也具有很高的应用价值。相较于化工合成或分离提取的方式,利用微生物细胞作为平台生产氨基酸及其衍生物具有绿色安全、可持续等独特的优势。本文综述了近年来微生物合成氨基酸及其衍生物的研究进展,分别介绍了碳源的高效利用、限速步骤的调节、碳通量的调节、转录和反馈抑制调节以及转运调节等代谢调控策略在提高微生物生产氨基酸及其衍生物效率的研究及应用,分析了不同调控策略的优势和缺点,总结了不同氨基酸及其衍生物的应用价值,最后展望了微生物作为细胞工厂生产各类氨基酸及其衍生物的广阔前景。     

动态调控元件及其在微生物代谢工程中的应用

代谢工程是通过对代谢途径的设计、构建与优化,进行营养品、药品、生物燃料以及化工产品等各种生物基产品合成的关键技术。传统的改造策略如基因的敲除、弱化与过表达会造成代谢流的失衡,而利用微生物自身的调控方式和调控元件,构建合成调控元件,对代谢途径进行动态调控,可以平衡细胞生长与产物合成,从而实现高产量、高底物转化率与高生产强度的统一。利用微生物在转录水平对于外界环境以及胞内代谢物浓度的变化的响应机制,以及在转录后水平通过顺式及反式作用元件的调控,和在蛋白质水平通过途径酶的别构调节以及对蛋白质降解速率的调节,都能开发出相应的动态调控元件并对微生物的代谢进行动态调控。本文分别从转录水平、转录后水平及蛋白质水平3个层次总结了目前常见的一些动态调控元件,并对其在微生物代谢工程中的应用进行了介绍。     

微生物合成2,3-丁二醇的代谢工程

2,3-丁二醇（2,3-BD）是一种重要的微生物代谢产物,广泛应用于食品、医药、化工等多个领域。微生物合成2,3-BD的效率不高一直制约着其生物制造工业化进程,应用代谢工程的理论和方法优化微生物的代谢途径有望解决这一问题。本文全面总结了近年来微生物合成2,3-BD研究过程中的菌株改造和构建技术,包括过表达合成途径中的关键酶编码基因、敲除旁路代谢途径关键酶编码基因、应用辅因子工程手段对天然菌株代谢网络进行重新设计和合理改造,以及利用合成生物学技术在模式菌株中构建全新的代谢途径,实现2,3-BD的高效生物合成。最后,本文对未来的研究方向进行了展望,提出了进一步利用先进的合成生物学方法构建高效细胞工厂的指导性建议。     

丁烯基多杀菌素高产菌株的选育和改造策略

丁烯基多杀菌素（butenyl-spinosyn）是一种由须糖多孢菌（Saccharopolyspora pogona）产生的杀虫剂,兼具生物农药的安全性和化学农药的速效性。当前,野生型须糖多孢菌合成丁烯基多杀菌素效率低,达不到工业生产要求,获得高产菌株是亟待解决的问题。目前关于丁烯基多杀菌素的相关研究较少,由刺糖多孢菌（Saccharopolyspora spinosa）产生的多杀菌素是丁烯基多杀菌素的结构类似物,具有相似的生物合成途径,本文介绍了两者的基本特性,借鉴多杀菌素的研究经验总结了丁烯基多杀菌素高产菌株已有及可用的选育和改造策略,包括传统的理化诱变方法以及代谢流调控、途径基因调控、转录调控、异源表达等更加精准的基因工程方法,以期为后续丁烯基多杀菌素的深入研究提供思路。     

微生物细胞工厂中代谢途径动态调控策略与网络构建

微生物细胞工厂生产目标产物时会面临营养物质消耗、代谢物积累、异源途径压力和遗传不稳定等问题,导致代谢失衡,因此需要对细胞代谢途径重新进行设计,使代谢途径根据发酵等环境条件的变化自动调节代谢通量,达到高效生产。本文首先介绍了动态调控元件的主要类型、调控机制及其应用,重点讲述了与诱导物或诱导因素作用的蛋白质转录因子调控元件和RNA核糖开关调控元件;并且从转录因子与启动子序列两个方面介绍了动态调控元件的设计与改造策略;随后总结了诱导调控元件应用于代谢途径动态调控网络构建的策略,基因表达调控已从单输入信号调控转向多输入信号逻辑门调控,通过多重诱导输入信号的逻辑门和闭环代谢物反馈回路构建更精确的动态调控网络。     

非粮原料发酵富马酸的合成途径和人工合成菌株研究进展

富马酸（fumaric acid）是重要的十二种平台化合物之一及精细化工产品。近年来,传统富马酸合成工艺使用和发展受到严重制约,因而寻找低耗、高效以及环保型富马酸生产新工艺已成为研究趋势。本文介绍了微生物发酵产富马酸菌株种类,包括细菌、酵母菌、真菌。其中,真菌中的R.arrhizus是目前富马酸转化率和产量最高菌种,R.oryzae是目前富马酸生产强度最高的菌种。详细分析了以葡萄糖、木糖为底物微生物利用非粮原料发酵产富马酸的合成途径,讨论了R.oryzae耐受非粮原料水解液中糠醛胁迫的机制,重点论述了人工合成菌株发酵产富马酸的前景及存在问题。提出今后的工作重点在于全面解析非粮原料水解液中各种抑制剂对微生物发酵产富马酸全部酶类的抑制机制。同时,利用人工设计以及重构富马酸人工合成菌株,以研究合成菌株对外界环境的应答机制。     

纤维素水解液中抑制剂对纤维二糖利用菌株发酵能力的影响

木质纤维素在预处理的过程中会产生呋喃类、酚类和弱酸类物质,抑制菌株的生长和发酵。研究了典型抑制剂糠醛、苯酚和乙酸对可利用纤维二糖的工程酿酒酵母菌株生长和发酵的影响,考查了分别以纤维二糖和葡萄糖作为单一碳源时菌株对抑制剂的耐受能力。结果发现,糠醛对菌株的纤维二糖和葡萄糖利用能力的抑制作用随糠醛浓度增加而增大。低浓度(≤0.5 g/L)的苯酚对纤维二糖利用有一定的促进作用,高浓度(1.5 g/L)的苯酚会抑制菌株的生长和发酵。乙酸对菌株纤维二糖利用的影响最为显著,可以明显抑制菌株的生长、纤维二糖利用和乙醇生产,而一定浓度(0.5~4.0 g/L)的乙酸会促进葡萄糖的利用。研究中还发现,复合抑制剂对纤维二糖利用菌株的抑制作用强于单一抑制剂。     

几种水杨醛衍生物和Salen配体的合成

报道了5-[亚甲基-N-(氯化三正丁胺基)]-3-叔丁基水杨醛、5-(亚甲基-N-四氢吡咯基)-3-叔丁基水杨醛、5,5'-亚甲基-双[3-亚甲基-(N-六氢吡啶基)]水杨醛和两种Salen型有机化合物的合成方法.并对物质结构做了IR、1HNMR、13CNMR、ESI-MS和元素分析.     

F-T合成油品加工提高柴油采收率的几种方法

本文介绍了费-托合成（F-T合成）油品的性质及其各馏分经过加氢裂化所得产品的性能及应用。通过改变中间油品的进料配比,选用中间馏分油选择性更高的催化剂,优化催化剂床层温度分布及分馏系统操作等途径来达到提高柴油收率的目的。     

核糖核酸开关用于微生物细胞工厂的智能与精细调控

利用代谢工程与合成生物技术对细胞内复杂的代谢网络和调控网络进行重构和改造,以建立合成新化合物或提高目标产物产量的微生物细胞工厂是当今绿色化工技术发展的方向之一。微生物代谢途径的调控受环境和遗传的双重影响,细胞通过全局转录因子、信使分子和反馈抑制等方式响应环境变化来维持细胞的内稳态;同时细胞还受自身遗传基因线路的调控,在转录、翻译以及翻译后修饰过程中调控特定基因的表达。核糖核酸开关是一类调控基因线路表达的RNA元件,通过与金属离子、糖类衍生物、氨基酸、核酸衍生物以及辅酶等特异性配体结合发生的构象变化,从而启动或阻断mRNA的转录、翻译、拼接等过程来调控基因的表达。核糖核酸开关作为天然的生物感受器和效应器通过人工设计可成为微生物细胞工厂智能化和精细化调控的分子工具,并在化工、医药、环保、食品等领域得到广泛应用。     

多元模块工程在代谢工程中的应用与研究进展

随着代谢工程理论体系的发展,代谢工程的研究方法目前已从对单一途径的调控转变为对整个代谢网络的全局调控。同时,为了在工业微生物领域实现与化学工业生产规模相当的生物炼制过程,代谢工程需要一套通用的菌株优化策略。其中关键问题之一,是解决代谢通量的不平衡。本文介绍了基于传统的理性代谢工程与近年来兴起的组合工程中存在的问题,研究者提出了一种模块化的代谢网络优化策略--多元模块工程（multivariate modular metabolic engineering,MMME）。阐述了多元模块工程的原理和方法,列举了其常用的调控技术和手段,在此基础上综述了近年来模块化策略在代谢工程领域的应用进展,提出了该策略面临的主要问题并展望了其未来的发展方向。     

甲醇营养型重组毕赤酵母高效表达外源蛋白过程的控制与优化(英文)

The methylotrophic yeast Pichia pastoris is a highly successful system for production of a variety of heterologous proteins due to its unique features/abilities for effective protein expression, and tremendous efforts have been made to increase heterologous protein productivity by P. pastoris in recent years. When new engineered yeast strains are constructed and are ready to use for industrial protein production, process control and optimization techniques should be applied to improve the fermentation performance in the following aspects: (1) increase recombinant cell concentrations in fermentor to high density during growth phase; (2) effectively induce heterologous proteins by enhancing/stabilizing titers or concentrations of the proteins during induction phase; (3) decrease operation costs by relieving the working loads of heat-exchange and oxygen supply. This article reviews and discusses the key and commonly used techniques in heterologous protein production by P. pastoris, with the focus on optimizations of fermentation media and basic operation conditions, development of optimal glycerol feeding strategies for achieving high density cultivation of P. pastoris and effective heterologous protein induction methods by regulating specific growth rate, methanol concentration, temperatures, mixture ratio of multi-carbon substrates, etc. Metabolic analysis for recombinant protein production by P. pastoris is also introduced to interpret the mechanism of sub-optimal heterologous protein production and to explore further optimal expression methods.