代谢工程

摘要： 利用来源广、价格低、易制备且储量丰富的一碳化合物作为底物,通过构建甲基营养型细胞工厂,生物合成多种高附加值化学品,不仅可以促进一碳资源的洁净利用,同时可以缓解能源短缺、环境污染等问题。因此,深入了解甲基营养型微生物(天然型和合成型)的一碳代谢网络,是高效利用一碳化合物进行生物炼制的关键。本文综述了多种一碳化合物(甲烷、甲醇、甲酸和二氧化碳)生物炼制的研究进展,主要包括两个部分:(1)甲基营养型微生物(天然型和合成型)的关键代谢酶及多种代谢网络;(2)基于多种甲基营养型微生物进行生物合成的研究现状。文章最后讨论了一碳化合物作为底物进行生物转化所面临的主要瓶颈,并据此提供可行的研究策略,以期推动一碳化合物作为原材料进行生物炼制的工业化进程。

摘要： β-丙氨酸作为最具开发潜力的一种三碳化工产品,具有重要的营养、药用和经济价值,市场需求量逐年增加。近年来,β-丙氨酸的合成方法在化学法和生物法均有较大的进展。化学法相对成熟;在生物法上,随着β-丙氨酸合成途径和调控机理被深入揭示,通过基因工程、基因编辑和代谢工程等方法对合成β-丙氨酸菌株的改造和生产工艺优化,也得到了一系列具有工业竞争力的菌株。该文着重于对β-丙氨酸合成的化学法和生物法合成途径、调控机理、关键酶L-天冬氨酸-α-脱羧酶和影响因素等进行系统综述,以期为β-丙氨酸合成方法的进一步创新提供基础。

摘要： 茉莉酸甲酯(methyl jasmonate,MeJA)是植物次生代谢的调节剂,参与异戊二烯代谢调控,对莱茵衣藻的异戊二烯类物质合成有重要影响.为探究莱茵衣藻如何快速响应MeJA处理,测定MeJA处理下莱茵衣藻的生长状态和光合效率等生理特征参数,重点关注MeJA处理24 h内2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸(2-C-methnatureyl-D-rythritol-4-phosphate,MEP)合成途径、类胡萝卜素合成途径和甾醇合成途径关键基因的表达水平变化.结果表明,MeJA处理降低了莱茵衣藻的生物量积累和光合活性,上调了MEP通路和甾醇合成通路相关基因,下调了类胡萝卜素合成途径的关键基因.在转录与生理层面,莱茵衣藻对于MeJA处理的初期响应具有快速与剂量依赖性的特点.研究结果为探索微藻类异戊二烯合成和代谢机制提供理论参考.

摘要： 解淀粉芽孢杆菌是FDA认定的安全级(generally recognized as safe,GRAS)菌株,在工业酶制剂、高分子聚合物、大宗化学品、绿色生物农药等方面的生产具有突出的优势。近年来,随着解淀粉芽孢杆菌的分子遗传操作技术越来越成熟,对利用该菌开发成微生物发酵平台化菌株用于合成生物学制造领域提出了更迫切的需求。文中围绕解淀粉芽孢杆菌的遗传操作工具、代谢改造应用和未来发展前景等方面进行了详细综述,为进一步推动解淀粉芽孢杆菌合成生物学技术的创新与发展提供借鉴和参考。

摘要： 透明质酸(hyaluronic acid,HA)是广泛存在于生物体内的功能性糖胺高分子聚合物,在日化、医疗和食品领域应用前景广阔。随着基因工程与代谢工程等合成生物学技术的发展,人们对HA的生物合成过程和机理解析越发深入的同时,也伴随一些新的挑战来临。该综述从分子生物学角度总结了HA的关键合成酶基因及合成途径,对不同来源的HA合成酶进行了氨基酸序列比对分析,并详细描述了HA在常用微生物宿主中生产的安全性、底物不平衡性、发酵低溶氧性等瓶颈问题及其相应的合成生物学策略开发,从而归纳出了目前微生物中高产HA的有效策略,为进一步推动HA的绿色生物制造提供了重要的科学依据和理论支撑。

摘要： 萜烯是一类基于五碳单元类异戊二烯的天然化合物,种类繁多且具有多种生物活性,被广泛应用于食品、医药和化工领域。传统萜类物质生产依赖于化学合成或植物组织提取,存在产率低、资源浪费的缺点。近年来,代谢工程和合成生物学的发展促进了微生物细胞工厂的高效构建,为化学品的微生物合成提供了新的选择。解脂耶氏酵母因前体甲羟戊酸途径的内源性、乙酰辅酶A供给的充足性以及底物利用的广谱性,被视为萜类化合物合成的重要底盘生物。本文总结了萜烯合成关键酶的挖掘与改造、代谢途径设计与优化、细胞器水平的区室化以及细胞整体水平调控等解脂耶氏酵母中萜类化合物的合成策略,展望了进一步提高该宿主中萜类化合物产量的研究方向与工程方法。

摘要： 己二酸作为生产尼龙、化纤和工程塑料等聚合物的单体,在食品、医药、塑料和化工行业具有广泛的应用。目前,己二酸的生物合成主要利用可食用原料,碳原子损失较多,造成己二酸产率较低。为解决上述问题,设计和重构以脂肪酸为原料的己二酸合成新路径,提高己二酸的理论得率;其次,强化本源的β-氧化路径和引入异源的ω-氧化路径;增强细胞对脂肪酸的利用能力;再次,借助系统代谢工程策略,进一步优化己二酸合成路径。最后,经发酵条件优化,最优工程菌Escherichia coli AA0304能够产生1.32 g/L己二酸。上述研究结果为利用废弃脂肪酸类化合物生产高价值化学品奠定了良好的基础。

摘要： 紫色杆菌素是微生物以色氨酸分子为前体物质氧化缩合得到的一种非水溶性次级代谢产物,不仅可用做染色剂,还具有抗肿瘤、抗菌、抗病毒及抗氧化等生物活性。目前,虽然Chromobacterium violaceum、Janthinobacterium lividum和Pseudoalteromonas luteoviolacea等被证实具有紫色杆菌素合成能力,由于紫色杆菌素合成机制复杂,涉及多酶级联反应,而且野生型菌株易形成无色突变体,导致紫色杆菌素产量不高,因此现阶段主要采取合成生物学和代谢工程手段在微生物宿主中进行异源生产。本文从紫色杆菌素合成基因簇的多样性、基因工程菌的构建以及工程菌生产途径的调控机制三方面具体介绍紫色杆菌素生产菌的构建及生产途径调控方面的研究进展,以期从微生物资源及基因来源等方面改善微生物菌株的紫色杆菌素生产能力,提出进行途径工程的调控策略,为实现紫色杆菌素产量规模化提供思路。

摘要： 糖的过量摄入给人们的身体健康带来了风险。甜味剂的发现和合理使用有助于减少食品中糖的添加。作为天然甜味剂的赤藓糖醇,因其具有独特的理化性质如热值低、基本不被人体代谢、稳定性高和食用不会引起肠道不适等而受到广泛关注。目前,赤藓糖醇已被广泛用于食品、医药和化工产品中,其国内外市场需求量正逐年提升,这对赤藓糖醇的工业化生产提出了新的挑战。为此,笔者综述了利用微生物发酵合成赤藓糖醇的国内外最新研究概况,包括生产所使用的主要菌种和优良菌种选育策略、以可再生资源为原料合成赤藓糖醇的技术探索,以及菌种的代谢工程改造方案,讨论了提高赤藓糖醇产量的组合策略和路径,以期为今后高产赤藓糖醇菌种的选育和赤藓糖醇的绿色可持续生产提供思路和参考。

摘要： 岩藻黄质是海洋藻类中常见的叶黄素之一,尤其在褐藻中含量较高,具有抑菌、抗炎、抗肥胖、抗糖尿病、抗肿瘤、调节肠道菌群和抗器官纤维化等多种生理活性。新黄质是岩藻黄质的可能前体物质,首次在大肠杆菌(Escherichia coli)中构建新黄质合成途径,首先构建了pTrc99a-crt EBIYZ质粒,该质粒携带5个来自于菠萝泛菌(Pantoea ananatis)的基因crt E、crt B、crt I、crt Y和crt Z,编码的蛋白分别是牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶、八氢番茄红素合成酶、八氢番茄红素脱氢酶、番茄红素环化酶和β-胡萝卜素羟化酶。将该质粒转入大肠杆菌中,得到了产玉米黄质的工程菌E.coli BL21 pTrc99a-crt EBIYZ,玉米黄质产量(细胞干质量,下同)为0.70 mg·g^(-1)。以产玉米黄质工程菌为宿主,将来自三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)的ZEP3基因去信号肽之后转入,得到产紫黄质的工程菌E.coli BL21 pTrc99a-crt EBIYZ p ACYCDuet-1-QZEP3。在紫黄质工程菌E.coli BL21 p Trc99a-crt EBIYZ p ACYCDuet-1-QZEP3的基础上转入新黄质合酶基因NSY,成功获得了产新黄质的工程菌E.coli BL21 NEO,新黄质产量为99.27μg·g^(-1),紫黄质产量为150.30μg·g^(-1),玉米黄质产量为119.77μg·g^(-1)。

摘要： 代谢工程技术是构建微生物细胞工厂的重要方法.过去20年,代谢工程技术在生产高附加值生物活性物质和大宗商业化学品等方面被广泛应用,极大地推动了医药、能源、环境等行业的技术变革和高速发展.近些年来,随着合成生物学、分子生物学以及计算机科学等相关学科技术的发展,代谢工程在代谢网络分析、提高菌株性能、途径酶的共定位表达等方面呈现许多新的发展,本文对这些技术方法的研究和应用进行了概述.

摘要： 乙酰辅酶A是多种酶促反应的必要辅助因子和主要限制因素之一,通过代谢工程改造大肠杆菌乙酰辅酶A合成途径,提高乙酰辅酶A的产量,对多种生物催化反应将有促进作用.

摘要： 芳香族氨基酸包括L-苯丙氨酸(L-Phe)、L-酪氨酸(L-Tyr)和L-色氨酸(L-Trp),是生物体内非常重要的必需氨基酸,具有重要的生物学功能,广泛应用于医药、食品和饲料等领域.本文介绍了芳香族氨基酸的生物合成途径以及代谢调控,综述了构建大肠杆菌芳香族氨基酸生产菌株的代谢工程策略.针对现阶段工业化生产芳香族氨基酸存在的问题,本文对进一步应用代谢工程策略改造芳香族氨基酸菌株进行了展望.

摘要： 尿苷广泛应用于食品、保健品、化妆品和医药行业,尤其作为多种抗病毒抗肿瘤药物的中间体,具有极其重要的医药价值.微生物发酵法是公认的工业化生产尿苷的理想方法,其研究的瓶颈在于获得高产尿苷的优良菌种.本研究采用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术对野生型大肠杆菌E.coli W3110进行了系统的代谢工程改造:将B.subtilis A260的嘧啶核苷操纵子基因整合在E.coli W3110基因组上,构建了菌株E.coli W3110(UR1),该菌株具备了胞外积累尿苷的能力;接着敲除尿苷分解代谢相关的基因,构建了菌株E.coli W3110(UR3),阻断了尿苷的降解;最后改造天冬氨酸和PRPP的合成和代谢相关途径,构建了菌株E.coli W3110(UR5).该菌株在5L发酵罐上发酵64h,可积累尿苷70g/L,是目前报道的发酵法生产尿苷的最高水平,为尿苷发酵生产的产业化奠定了坚实基础.

摘要： 萜类化合物(terpenoids)是自然界中分布最广泛的天然产物,因其多样的生理活性和经济价值而被人们认识和开发.近年来,代谢工程及合成生物学的发展使得生物合成萜类化合物备受关注.本文中,笔者总结了萜类化合物合成的路线及其在大肠杆菌研究中取得的进展,探讨和展望了可能的发展方向,为大肠杆菌微细胞工厂合成萜类产物的研究提供参考和启示.

摘要： 生物传感器是一类重要的合成生物学功能元件,目前已经被广泛应用于代谢工程领域的突变文库筛选和进化工程研究中.生物传感器的正交性,即和宿主细胞中其他遗传元件尽可能小的相互作用,对于其在代谢工程领域的成功应用至关重要.然而,对于这一问题缺乏系统性的认识.在本文中,通过分析不同遗传背景的大肠杆菌宿主对于色氨酸生物传感器响应特性的影响,结果发现:trpR调控网络、TnaA裂解酶和色氨酸生物传感器的响应特性具有显著的相互作用.通过一系列的遗传学分析,给出了分子水平上介导这一相互作用过程的可能模型.本工作给出了宿主内遗传元件破坏生物传感器正交性的一个案例,对于指导生物传感器在代谢工程领域的应用具有重要意义.

摘要： 衣康酸是一种分子结构中具有1个甲叉基和2个羧基的不饱和二元有机酸,2004年被美国能源部评为前12个最富潜在研究价值的分子之一.衣康酸既可以利用甲叉基中的双键与其他单体聚合成高分子,也可以利用羧基与其他单体进行离子型聚合.衣康酸或其衍生物可以用于生产塑料、树脂、涂料、清洁剂、甲基丙烯酸等多聚物,用途广泛且安全.

摘要： L-半胱氨酸是一种含硫的非必须氨基酸,为组成蛋白质的基本单元.其侧链上的巯基具有很强的极性,因此被广泛的应用于食品、医药和化妆品等行业.尽管大多数氨基酸是由微生物发酵生产的,但是国内L-半胱氨酸生产主要是通过毛发水解法,得率低且环境不友好等问题.最近,基因组测序、合成生物学、代谢组学的进步,使能够使用各种方法来实现从葡萄糖发酵生产L-半胱氨酸.本文对大肠杆菌中半胱氨酸的代谢合成的研究策略、研究进展进行了综述.随后,对大肠杆菌中利用代谢工程策略合成半胱氨酸的研究前景进行了展望.

摘要： 5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,ALA)是血红素、叶绿素等吡咯化合物生物合成的重要前体物质,在农业和医药上应用广泛.5-氨基乙酰丙酸的生物合成途径主要包括C4和C5途径.本文对5-氨基乙酰丙酸的合成途径和调控机制以及利用大肠杆菌和谷氨酸棒杆菌合成5-氨基乙酰丙酸的代谢工程研究进行了综述.

摘要： 传统发酵工程技术正在进行变革。相对于生物学知识的丰富和实验装备的提升，创新的思想、方法更为重要。新一代发酵工程技术的真正形成是在发酵工业生产中。中国发酵工业技术与国际最先进水平的关系正在从跟跑转向伴跑，何时可以领跑?不妄自菲薄，不妄自尊大。通过与其他学科交叉，发酵工程的任务应从产品制造和技术改进，拓展到新理论的发现、新方法的发明和新学科的发展。

摘要： 描述了通常不能利用半乳糖作为碳源但根据本文的方法已被基因工程化为利用半乳糖作为单一碳源的低等真核细胞例如巴斯德毕赤酵母。细胞被基因工程化为表达包含Leloir途径的酶中的几种。具体地，细胞被基因工程化为表达半乳糖激酶、UDP-半乳糖-C4-差向异构酶和半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶，以及任选地半乳糖通透酶。另外，提供了用于改进在已被基因工程化为产生具有N-聚糖(其具有半乳糖残基)的糖蛋白但通常缺乏包含Leloir途径的酶的细胞中具有半乳糖末端的或含有半乳糖的N-聚糖的产量的方法，所述方法包括用编码半乳糖激酶、UDP-半乳糖-C4-差向异构酶和半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶的一种或多种核酸分子转化细胞。描述的方法和宿主细胞使得同化半乳糖的能力的存在或缺乏作为用于制备重组细胞的选择方法。所述方法和宿主细胞在本文显示对于制备具有半乳糖末端的或含有半乳糖的N-聚糖的免疫球蛋白和类似物是特别有用的。

摘要： 本发明提供一种减少重组微生物甘油产生并提高氮利用和乙醇产生的机制。本发明的一个方面涉及具有降低的甘油生产率的酿酒酵母菌株，其由更高的氮浓度获得动力益处而不会牺牲乙醇产率。本发明的第二个方面涉及导致玉米醪液中存在的氮源转运和/或胞内代谢发生改变的代谢性修饰。

摘要： 描述了通常不能利用半乳糖作为碳源但根据本文的方法已被基因工程化为利用半乳糖作为单一碳源的低等真核细胞例如巴斯德毕赤酵母。细胞被基因工程化为表达包含Leloir途径的酶中的几种。具体地，细胞被基因工程化为表达半乳糖激酶、UDP-半乳糖-C4-差向异构酶和半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶，以及任选地半乳糖通透酶。另外，提供了用于改进在已被基因工程化为产生具有N-聚糖(其具有半乳糖残基)的糖蛋白但通常缺乏包含Leloir途径的酶的细胞中具有半乳糖末端的或含有半乳糖的N-聚糖的产量的方法，所述方法包括用编码半乳糖激酶、UDP-半乳糖-C4-差向异构酶和半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶的一种或多种核酸分子转化细胞。描述的方法和宿主细胞使得同化半乳糖的能力的存在或缺乏作为用于制备重组细胞的选择方法。所述方法和宿主细胞在本文显示对于制备具有半乳糖末端的或含有半乳糖的N-聚糖的免疫球蛋白和类似物是特别有用的。

摘要： 一种基于基因组尺度代谢网络模型的代谢工程设计预测方法：分别获取目的菌湿实验数据和高质量基因组尺度代谢网络模型；根据湿实验数据进行模拟条件设定；模拟实验菌的生长状态获得代谢通量分布，模拟优化工程菌的生长状态获得代谢通量分布；将两种代谢通量分布进行比较，确定两者之间的反应通量分布的不同；根据比较结果以及基因组尺度代谢网络模型中的基因-反应对应关系，得到相应的基因预测结果，从而确定将实验菌改造成优化工程菌所需进行的代谢工程改造，进而制定相应的湿实验策略。本发明可应用于任何具有基因组尺度代谢网络的物种，以及模拟预测网络模型计算能力范围内的任何产品，特别对于基因序列尚不明确的代谢工程菌具有很好的指导意义。

摘要： 一种代谢工程微生物，其具有可操作的第一代谢途径，其中在NAD作为适合为磷酸化脱氢酶的第一种酶的辅因子的反应中，第一代谢物转化为第二代谢物，所述的反应步骤产生NADH。在适合为激酶的第二种酶催化的反应中，所述的第二代谢物转化成至少一种其他代谢物。该微生物具有可操作的第二代谢途径，其特征在于：关于适合为非磷酸化脱氢酶如GAPN的、催化NADP为辅因子、NADPH为产物的不可逆反应的第三种酶，酶活性超过天然水平。在没有所述第二种酶的参与下，所述的第一代谢物转化为所述的另一代谢物。

摘要： 本发明涉及蛋白酰基化修饰在微生物合成代谢调控及其酰基化修饰代谢工程中的应用。一方面，本发明提供了蛋白酰基化修饰在微生物合成代谢调控中的应用，另一方面，本发明提供了蛋白酰基化修饰在酰基化修饰代谢工程中的应用。本发明基于蛋白酰基化修饰对微生物合成代谢调控机制，提出酰基化修饰代谢工程策略，强化微生物合成代谢，减少酰基化修饰引起的碳损耗及碳流拟制，提高产物合成效率。

摘要： 一种基于基因组尺度代谢网络模型的代谢工程设计预测方法：分别获取目的菌湿实验数据和高质量基因组尺度代谢网络模型；根据湿实验数据进行模拟条件设定；模拟实验菌的生长状态获得代谢通量分布，模拟优化工程菌的生长状态获得代谢通量分布；将两种代谢通量分布进行比较，确定两者之间的反应通量分布的不同；根据比较结果以及基因组尺度代谢网络模型中的基因-反应对应关系，得到相应的基因预测结果，从而确定将实验菌改造成优化工程菌所需进行的代谢工程改造，进而制定相应的湿实验策略。本发明可应用于任何具有基因组尺度代谢网络的物种，以及模拟预测网络模型计算能力范围内的任何产品，特别对于基因序列尚不明确的代谢工程菌具有很好的指导意义。

摘要： 一种代谢工程微生物，其具有可操作的第一代谢途径，其中在NAD作为适合为磷酸化脱氢酶的第一种酶的辅因子的反应中，第一代谢物转化为第二代谢物，所述的反应步骤产生NADH。在适合为激酶的第二种酶催化的反应中，所述的第二代谢物转化成至少一种其他代谢物。该微生物具有可操作的第二代谢途径，其特征在于：关于适合为非磷酸化脱氢酶如GAPN的、催化NADP为辅因子、NADPH为产物的不可逆反应的第三种酶，酶活性超过天然水平。在没有所述第二种酶的参与下，所述的第一代谢物转化为所述的另一代谢物。

摘要： 本申请适用于微生物技术领域，提供了代谢工程方法、产角鲨烯工程菌、产橙花叔醇工程菌及其构建方法、应用。所述代谢工程方法为过表达长非编码RNA PCGEM1和原癌基因c‑Myc，可有效促进酿酒酵母工程菌三萜化合物角鲨烯和倍半萜化合物橙花叔醇的产量。

摘要： 本申请适用于微生物技术领域，提供了一种代谢工程方法、产羊毛甾醇工程菌及其构建方法、应用。其中，所述基于m6A甲基转移酶IME4的代谢工程方法，包括：将酵母内源性IME4基因的启动子替换为组成型启动子PGK1p。本申请提供的基于酿酒酵母m6A甲基转移酶IME4的代谢工程方法，可有效促进单倍体酿酒酵母工程菌羊毛甾醇产量。