摘要：目标产物的合成途径往往需要对关键酶的来源、表达水平等因素进行系统性优化才能实现代谢通量的最大化。β-胡萝卜素是一类具有重要应用价值的萜类化合物,其中番茄红素环化酶(Lycopene cyclase,CrtY)是β-胡萝卜素合成途径中的关键酶,能够催化FAD依赖的环化反应将番茄红素转化合成β-胡萝卜素。本研究通过对CrtY的系统优化提高β-胡萝卜素的合成水平,并确定CrtY的表达对代谢通路的影响。在大肠杆菌中以番茄红素合成模块为基础,通过引入番茄红素环化酶基因crt Y构建了β-胡萝卜素合成模块。并进一步利用寡聚接头介导的DNA组装方法 (Oligo-linker mediated assembly method,OLMA)引入一系列不同强度的人工设计的核糖体结合位点(Ribosome-binding site,RBS),对CrtY的表达强度、基因来源等因素进行高通量的优化。通过OLMA文库构建和平板筛选,获得了5株高产β-胡萝卜素的工程菌株。在摇瓶中,5株工程菌株的β-胡萝卜素产量可达15.79-18.90 mg/g DCW(Dry cell weight),比优化前提高了65%。进一步选取了其中的CP12菌株,在5 L发酵罐上,利用高密度培养技术验证工程菌株合成β-胡萝卜素的能力。最终β-胡萝卜素产量可达1.9 g/L。RBS强度分析及代谢中间体分析表明,适当地降低CrtY表达强度能够有利于β-胡萝卜素模块相关基因之间协同发挥作用。以上结果为β-胡萝卜素合成途径的优化规律提供了理论指导。

摘要：天然产物一直是药物分子设计和开发过程中的重要灵感来源之一,源自天然产物的临床用药目前也占据着难以替代的地位.但是大多数天然来源的药物分子结构复杂、分离困难,利用传统的合成化学和天然产物化学方法难以满足日益增长的市场需求.天然产物在其产生物种中一定对应着一个由若干功能各异的基因元件所构成的生物合成基因群,或成簇分布或离散分布.合成生物学则旨在通过对不同基因元件的改造、组合、拼装而得到新的生物途径和体系.本文主要将针对合成生物学在天然药物研究中的应用进行总结和展望,并从基因元件以及合成生物学的角度重新认识和理解天然产物的生物合成.

摘要：纤维素(植物细胞壁的主要成分)是自然界最丰富的一种可再生资源,但是极难降解利用。纤维素体是一种多酶复合体,能够高效降解纤维素,降解产物能够被某些厌氧微生物利用发酵产乙醇。综述了近年来产纤维素体菌厌氧降解纤维素制乙醇的研究进展,报道了纤维素体结构和功能、重组设计型纤维素体、代谢工程、混菌培养等研究方向的最新成果和思路,并对其前景作了展望。可以预期,随着研究的深入,生物质制乙醇必将日益显示出其强大的市场竞争力。

摘要：二元醇是一类重要的大宗化学品,在高分子材料、化妆品、燃料、食品和制药行业有着广泛应用。开发可利用生物质及碳一原料等可再生原料生产二元醇的生物合成路线对于降低化石资源依赖、减少二氧化碳的排放具有重要意义,近年来受到了国内外广泛关注。虽然通过生物法生产1,3-丙二醇、1,3-丁二醇和1,4-丁二醇已实现商业化,但大多数其他二元醇的高效生物合成仍面临挑战,主要原因包括缺乏有效的天然生物合成途径、基因工程菌的产率低等。本综述全面探讨了微生物合成二元醇的最新研究进展,特别是在开发新代谢途径和代谢工程策略方面,以实现C_(2)至C_(5)二元醇的高效生物合成。例如通过对非天然合成途径的设计和构建以实现系列非天然二元醇的生物合成,以及利用非传统的碳源(如木质纤维素等)通过特定的代谢途径和优化策略合成二元醇,为生物合成领域开辟新的道路。此外,本文还讨论了这些生物合成过程向工业应用转化的主要挑战和未来的发展前景,包括廉价和可持续原料的获取、大规模放大过程的复杂性、满足下游特定需求的后提取工艺开发等。

摘要：合成生物学的迅猛发展使其在各个领域得到了广泛应用,底盘设计、元件组装、代谢网络的从头构建、大片段DNA克隆、多片段DNA拼接等合成生物学技术的开发和利用大大提高了工业生物技术的竞争力.聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一种具有生物可降解和生物相容性等优良特性的生物塑料,可以在许多细菌胞内合成,已经被开发应用于多个领域.但是,PHA高昂的生产成本阻碍了其大规模应用.基于合成生物学研究而得到的新方法、新技术可以改变细菌生长模式、生长条件以及细菌形态,从而进一步降低PHA的生产成本.另一方面,通过改造细菌基因组如弱化?-氧化途径可以得到不同种类的重组菌株,用于生产具有不同性能的包括无规共聚物、嵌段共聚物、带有官能团的聚合物等在内的新型多功能PHA材料.合成生物学的应用开创了低成本、高附加值的PHA材料生产的新时代,为PHA的产业化奠定了坚实的基础.

摘要：近来有关放线菌次级产物生物合成的分子遗传学和生物化学方面的进展为我们改造其代谢途径提供了一个明确的方向。近年来，对微生物的初级代谢途径进行基因改造取得了成功，但放线菌的次级代谢工程产物却都没有达到中试或生产规模。进展如此缓慢的主要原因是放线菌自身复杂的代谢途径以及细胞循环中复杂的调节方式及其特异性。目前人们着力于通过基因操作改造酶，从而重新设计以其催化产物为基本骨架的代谢途径，最终产生修饰的或新的天然终产物。本文将讨论达到此目的的几种设计策略。

摘要：氧化还原反应是最常见的代谢反应类型之一,其中绝大部分通过辅因子依赖型氧化还原酶催化实现.由于辅因子广泛参与细胞内氧化还原反应及其他生物学过程,因代谢途径改造而扰动辅因子水平的生物学效应尚难以预测.设计构建基于人工辅因子的正交体系,是减少人工代谢途径与内源代谢网络相互干扰、降低系统复杂度、提高调控代谢网络有效性的新策略.本文探讨了正交氧化还原体系的构建方法,并结合实例说明其对提高能量传递特异性和人工代谢途径效率的重要意义.

摘要：酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是重要的模式真核微生物,广泛用于基础研究和工业发酵。基于CRISPR/dCas9系统开发的转录调控方法具有可编程、多重性和正交性等优点,在酿酒酵母的基因调控、功能基因组学、代谢工程等研究领域具有巨大潜力。本文关注酿酒酵母中CRISPR/dCas9基因转录调控工具的研究进展,阐述了不同转录调节结构域对dCas9或gRNA活性的调节,设计与优化dCas9和gRNA表达的方法,影响CRISPR/dCas9系统转录调控效率、特异性和通量的靶向性因素,最后总结了该工具在酿酒酵母代谢工程中的应用,并对该技术的未来发展提出了展望。

摘要：一碳化合物是一类产生于自然界或工业过程中的液态或气态物质,其具有来源广泛、价格低廉、可持续生产的优势,有望成为新一代生物制造关键原料,包括液态的甲醇、甲酸,以及气态的CO_(2)、CO、CH_(4)等。在生物制造蓬勃发展的背景下,通过合成生物学手段改造微生物,使之利用一碳化合物高效生产油脂与单细胞蛋白等高附加值产品,降低对粮食、化石资源进口的依赖,成为缓解粮食能源危机的有效战略举措。本文综述了甲基营养型微生物、产乙酸菌以及酵母等微生物通过代谢途径、底盘遗传改造等方法,将一碳化合物转化为高附加值油脂与单细胞蛋白的最新研究进展;介绍了一些通过发酵工艺控制优化分子工程菌株利用一碳化合物的相关研究;同时收集了部分一碳化合物转化相关研究机构或企业的产业化案例。最后,针对一碳化合物利用菌株的代谢通路设计与遗传工具存在的限制问题,以及产乙酸菌与产油微生物之间的能量转化矛盾,展望了未来生物制造油脂与单细胞蛋白的前景和面临的挑战,提出在复杂系统性的生物制造过程中,发展多学科交叉的高效系统集成发酵,以期对一碳化合物的生物转化研究产生推动作用,为攻克目前存在的理论与实践难题提供新思路,并对实际应用与产业化发展提供参考。

摘要：鲨烯是一个多不饱和碳水化合物,在生物体内通过甲羟戊酸(MVA)途径或2-甲基-D-赤藓糖醇4-磷酸(MEP)途径生物合成,具有多种生理功能。利用合成生物学技术设计微生物生产鲨烯是一个有效的方法。为了增加鲨烯产量,本研究将来源于粪肠球菌(Enterococcus faecalis)的MVA上游途径和来源于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的MVA下游途径引入到能够生产鲨烯(0.15 mg*L)的BL21(DE3)菌株YSS2中,产生的菌株YSS17的鲨烯产量为0.73 mg/L。为了进一步增加鲨烯的产量,将mvaS基因的丙氨酸(Ala^(110))突变为甘氨酸(Gly),鲨烯产量达到1.0mg/L。通过trc启动子代替质粒pET2的MVA下游途径T7启动子,以及将MVA上游途径基因置于低拷贝质粒pACY2中,最终设计的菌株YSS20能够产生鲨烯1.68 mg/L,是菌株YSS2的11.2倍。