摘要：萜类化合物种类繁多,生物活性多样,在食品、药品与化妆品等行业中具有广泛的应用。萜类化合物多来源于植物,然而随着合成生物学的快速发展,相较于传统的天然植物提取与化学合成方法,利用工程微生物进行萜类化合物异源合成的方法显得更为经济与环保。萜类合成酶的催化活性及合成产物的结构特性是萜类化合物异源合成的关键。通过蛋白定向进化与理性设计可以有针对性地优化萜类合成酶的催化性能及产物专一性,但该方案需要一个特异的筛选方法来实现蛋白突变体库的高通量筛选。近年来,一系列高通量筛选方法的建立使得萜类合成酶的筛选变得更加灵敏与高效。本文对近期建立的萜类合成酶高通量筛选方法进行了综述,简要概述了各种筛选方法的基本原理与优缺点,并对高通量筛选技术在萜类合成酶改造中的应用做出了展望。

摘要：(S)-2-氨基丁醇同时具有羟基及氨基官能团,是多种重要药物分子的关键手性中间体,生物合成(S)-2-氨基丁醇尚缺少有效的酶元件。以塞格尼氏菌(Segniliparus rugosus)来源的羧酸还原酶SrCAR为研究对象,通过对实验室已有SrCAR突变文库进行筛选测试,结合活性位点共进化分析,同时利用组合活性中心饱和突变策略(Combinatorial active-site saturation test,CAST)构建新的突变体文库,经测试最终获得优势突变体XH7(G430V/E533F/A627N)。该突变体催化底物N-Boc-(S)-2-氨基丁酸到醛产物的活性(kcat/Km)较野生型SrCAR提高2.1倍,热熔值(Tm)提升2.3℃。进一步通过引入荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)来源的醇脱氢酶PfADH,可还原N-Boc-(S)-2-氨基丁醛到醇产物。XH7和PfADH的双酶共表达体系反应5 h即可将20 mmol/L底物实现几乎完全转化,转化率达到99%,并经脱Boc保护与分离纯化获得终产物(S)-2-氨基丁醇,得率为60%。通过分子动力学模拟解析最优突变体活性及热稳定性提高的分子机制,为SrCAR酶设计改造提供新的研究思路,拓展酶法合成(S)-2氨基丁醇的生物酶工具箱,可为类似高附加值医药中间体的生物合成提供理论和实践指导。

摘要：本期主要选择底层技术开发升级、酶蛋白发掘发现及改造优化与生物催化、微生物细胞认识及设计构建与生物合成、生物过程解析与发酵工艺优化4个方面,特别是涉及Taq DNA聚合酶、CRISPR/Cas9基因编辑系统优化,塑料降解酶、ω-转氨酶等酶蛋白挖掘改造与(S)-1-(2-氟苯基)乙胺、假尿苷生物催化制备,克鲁斯假丝酵母、毕赤酵母等底盘细胞认识理解与鼠李糖脂、红没药烯生物合成制造,以及L-甲硫氨酸、胞外多糖、白酒酿造等生物过程解析与工艺优化等研究论文进行导读。

摘要：为研究铁皮石斛多糖(Dendrobium officinale polysaccharide,DOP)具有免疫活性片段的结构特征及与Toll样受体4(Toll⁃like receptor 4,TLR4)的相互作用机制,基于对TLR4结合腔的亲疏水性分析,将DOP寡糖的分为疏水片段筛选和亲水片段筛选,通过分子对接和分子动力学模拟,分析作用最强的DOP片段的结构特征及与TLR4的相互作用机制。结果表明,找到作用最强的DOP七糖片段,具有与经典底物脂多糖相似的结合模式,其中疏水性四糖片段结合在疏水结合腔,亲水性三糖片段结合在电正性区域。具有潜在免疫活性的铁皮石斛多糖可以由乙酰基修饰的疏水四糖片段和没有乙酰基修饰的亲水三糖片段组成,主要通过氢键和疏水作用与TLR4进行相互作用,发挥免疫活性。

摘要：为了探究甲醛对甲醛裂合酶的影响及导致该酶失活的原因,将甲醛裂合酶与不同浓度甲醛溶液(300 mmol/L和1 mol/L)孵育不同时间(1 h、2 h和3 h)后检测该酶的活性,再将孵育后的甲醛裂合酶进行液相色谱–串联质谱(LCMS/MS)检测,分析甲醛对该酶的修饰/交联位点。结果表明:在甲醛溶液中孵育后的甲醛裂合酶存在明显的交联和结构修饰现象,且甲醛浓度越高孵育时间越长,酶的交联程度越高;使用LC-MS/MS分析确定了甲醛裂合酶N186、K228两个甲醛修饰位点以及潜在的甲醛交联片段。甲醛分子通过与天冬酰胺、赖氨酸等氨基酸发生交联反应,破坏其局部结构并改变整体的聚集状态,从而使其失活。本研究为提高甲醛裂合酶的甲醛耐受性提供了潜在半理性设计的改造位点和思路。

摘要：微生物细胞工厂是合成生物学的重要研究方向之一.本文以微生物细胞工厂的产业应用为需求牵引,从物质代谢和能量代谢两方面系统阐述了细胞工厂的合成代谢调控机制,为高效细胞工厂创建奠定了理论基础.本团队在物质代谢方面,建立了新酶元件挖掘技术平台,完成了一系列三萜化合物的合成途径解析;开发了染色体多基因文库调控、糖基化酶碱基编辑器(glycosylase base editor, GBE)等途径精准调控使能技术,完成一系列化学品合成途径限速步骤的鉴定,解决了元件与合成途径的适配问题.在能量代谢方面,设计创建了4种葡萄糖新型能量代谢模式,解决了合成途径还原力供给与需求不平衡的问题.在此基础上,创建出一系列微生物细胞工厂, 14个化学品完成技术转让,其中4个化学品实现万吨级产业化,支撑一家企业在科创板上市,推动了微生物细胞工厂的产业应用.最后,对未来微生物细胞工厂的研究进行了展望.

摘要：低碳生物合成以CO_(2)等可再生碳资源为原料,以生物体为工具进行物质合成,是节约化石原料的可持续路线,是现有化工、农业产品的替代性低碳生产新模式,是CO_(2)高效利用转化的工业碳汇新路径.目前低碳生物合成的产业影响力、技术经济性等还无法与传统路线竞争,CO_(2)等可再生碳资源的生物工业利用范围、转化效率、生物合成的工业能力等是亟待解决的关键科技问题.快速发展的工程生物学是对生物体结构和功能进行工程化设计再造的新生物学领域,正在推动生物学工程化新范式,将从根本上提升生物体将CO_(2)等可再生碳资源转化为生物基产品的能力,引发生物工业的颠覆式突破.针对碳达峰、碳中和战略目标实施,本文分析了低碳生物合成的发展机遇,综述了低碳生物合成国内外的科技进展与发展趋势,探讨了低碳生物合成的科技挑战与重点方向,最后对发展方向提出了相关建议.

摘要：组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义,因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍,重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用,进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势,对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍,最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。

摘要：作为合成生物学与绿色生物制造等领域的底层核心技术,蛋白理性设计可有效解决天然功能元件性能不足等共性挑战,创制高性能人工酶元件。值此天津工业生物研究所(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology,TIB)创立10周年之际,文中回顾了研究所在工业蛋白理性设计领域的系列重要工作进展。从酶设计方法学研究、新酶反应设计到生物催化应用等方面进行了分析讨论,并展望了本领域未来发展方向。望借此搭建学术界和产业界与酶理性设计的桥梁,促进新技术、新策略的开发应用,加速融合人工酶的基础研究与产业应用,推动我国生物制造领域的科技创新升级。

摘要：中药活性成分异源仿生合成是一种新的资源获取模式,在中药资源保护与开发过程中展现出巨大的潜力。基于合成生物学理论,通过构建微生物仿生细胞的方式,在微生物中模仿药用动植物中活性成分的合成方式,将从药用动植物获得的关键酶在微生物中通过科学设计和系统重建与优化,实现活性成分在微生物中的异源合成。此种方式不仅能保证目标产物的高效绿色定向获取,还可以实现大规模工业化生产,是解决稀缺中药资源生产的可行方法,在“农业工业化”过程中发挥作用,为推动中药资源绿色可持续发展提供了新选择。该文通过萜类、黄酮类、苯丙素类和生物碱活性成分的生物合成,异源仿生合成研究领域的重点与难点,以及中药复杂组分仿生细胞等3个方面的研究案例,系统概述中药活性成分异源仿生合成研究领域的重要进展,为促进新一代生物技术和理论应用于传统中医药发展提供重要参考。