酶-金属单原子复合催化剂在一锅法生物-化学反应的应用

酶催化与金属单原子催化结合,理论上可开发众多新的绿色化学合成反应,是催化科学的一个重要研究前沿方向.酶-金属单原子复合催化剂兼具酶和金属单原子催化剂的高效、高立体选择性等优点.目前已成功构建的单原子分散金属催化剂的载体一般为刚性的无机载体,利用柔性蛋白分子作为载体制备单原子分散金属催化剂的技术瓶颈问题在于蛋白分子具有柔性、构象易变的特点,并且氨基酸残基与金属原子之间的相互作用力较弱,蛋白分子表面的氨基酸残基难以与金属单原子稳定结合.针对这样一个关键技术瓶颈问题,我们建立了酶-金属单原子复合催化剂的光化学合成方法.本文研究酶-金属单原子复合催化剂在生物-化学一锅级联反应合成联苯类手性醇中的催化性能.联苯类手性醇是手性药物的重要中间体,通常通过多步化学法或生物-化学级联法制备.相比于多步化学法,利用生物-化学级联反应制备联苯类手性化合物具有反应条件温和、选择性高、环境友好等优点.采用光化学法合成脂肪酶-钯单原子复合催化剂(Pd_(1)/CALB-Pluronic),通过球差矫正扫描透射电镜和扩展X射线吸收精细结构表征复合催化剂的形貌.首先研究了Pd_(1)/CALB-Pluronic复合催化剂中单原子分散Pd催化的C-C偶联反应催化效率,然后考察了它在生物-化学一锅级联反应中的催化性能;发现该催化剂在C-C偶联反应中具有比常用的Pd均相催化剂和Pd非均相催化剂更好的活性.在碘苯和苯乙炔的Sonogashira反应中,Pd_(1)/CALB-Pluronic的TOF值大于均相催化剂Pd(PPh3)4,是多相商业催化剂Pd/C的3.5倍.Pd_(1)/CALB-Pluronic重复使用10次后,活性仍保留97%,具有很好的稳定性.通过DFT计算分析催化反应路径,提出了Pd_(1)/CALB-Pluronic复合催化剂的2价Pd单原子在Sonogashira反应中可能存在Pd^(Ⅱ)/Pd^(Ⅳ)催化机理.本文开发了(R)-1-(4-联苯)乙醇的生物-化学一锅级联反应合成新路线:Pd_(1)/CALB-Pluronic复合催化剂在30℃的水溶液中催化(±)-1-(4-溴苯基)乙酸乙酯和苯硼酸反应生成(R)-1-(4-联苯)乙醇.在该过程中,CALB催化的立体选择性水解反应和Pd单原子催化的C-C偶联反应同时进行.其中,CALB催化(±)-1-(4-溴苯基)乙酸乙酯中的R型异构体水解为(R)-1-(4-溴苯基)乙醇,Pd单原子催化(R)-1-(4-溴苯基)乙醇与苯硼酸进行Suzuki反应生成(R)-1-(4-联苯)乙醇.Pd_(1)/CALB-Pluronic复合催化剂在30 oC下催化生物-化学一锅级联反应合成(R)-1-(4-联苯)乙醇,其催化效率是商业催化剂Pd/C和CALB-Pluronic催化剂组合的31.3倍.

酵母细胞催化合成18α-甘草酸

18α-甘草酸(18α-GL)是一种齐墩果烷型皂苷,比其差向异构体18β-GL极性小、亲脂性好,更强的抗毒抗炎作用和更高的肝脏靶向性使18α-GL成为保肝护肝领域的主要药物成分。但目前18α-GL的制备方法污染大、效率低,亟需开发一种绿色简单地合成18α-GL的方法。利用酵母细胞异源表达糖基转移酶,通过全细胞催化方式鉴定出可催化18α-甘草次酸(18α-GA)特异性合成18α-单葡萄糖醛酸甘草次酸(18α-GAMG)的糖基转移酶cGuCSyGT和催化18α-GAMG特异性合成18α-GL的糖基转移酶GgUGT1。进一步运用蛋白质结构预测和分子动力学模拟探究cGuCSyGT对18α-GA的催化活性比18β-GA低的原因。最后采用优化底物添加浓度、底盘细胞、底物添加时间、反应时间、培养基成分补加和底物溶剂的策略构建了酵母催化合成18α-GAMG和18α-GL的最优工艺,使18α-GAMG和18α-GL的产量分别达到(36.38±1.87)mg/L和(39.32±0.75)mg/L。本研究实现了18α-GAMG和18α-GL的微生物催化合成,可为18α-GL的微生物全合成提供理论基础和技术支撑。

合成生物学表型测试生物反应器及其装备化研究进展

合成生物学经过多年的发展,形成了典型的细胞工厂创制“设计-构建-测试-学习”(design-build-testlearn,DBTL)循环,成为支撑面向加速生物制造发展的智慧生物育种的重要方法。其中,测试环节是对前期所设计与构建的生物体系进行表型测试,以提供大量数据用于后续的学习和迭代升级。测试阶段的通量主要依赖于细胞自身或其培养测试所使用的生物反应器及其装备,是整个DBTL流程的限速步骤。本文系统综述了合成生物学表型测试所开发的面向不同通量的生物反应器及装备,从单细胞检测和筛选及不同尺度生物反应器包括皮纳升级生物反应器、微升级生物反应器、毫升级生物反应器和升级生物反应器等,系统地介绍了各自的特点和应用场景。同时,指出了现有生物反应器及其装备的应用潜力、面临的挑战与发展趋势,为合成生物学表型测试技术研究提供重要参考。

工业酶催化剂构建与反应过程强化新技术

酶催化由于温和条件下的高选择性推动了化学工业可持续发展。然而,稳定性差和催化反应类型匮乏是天然酶在实际工业应用中面临的两大关键挑战。近年来,随着化工、生物、化学和材料等领域的深度融合,开发高稳定、高重复使用性的固定化酶和构建拓展催化反应类型的酶金属复合催化剂,分别为解决酶催化实际工业应用中稳定性差和催化反应类型受限的问题提供了新的方案。本文主要综述近年来在构建固定化酶和酶金属复合催化剂领域取得的一些进展,重点介绍酶纳米凝胶、酶无机纳米晶体复合物和酶金属复合催化剂方面的研究进展,并探讨该领域在未来发展中所面临的问题与挑战。

UDP-糖基转移酶GmSGT2催化金盏花苷E的半乳糖基修饰

通过qPCR从大豆cDNA文库克隆得到UDP-糖基转移酶GmSGT2的基因,构建工程菌株E.coli BL21/pET28a-GmSGT2,通过His-tag标签法得到纯化的GmSGT2,探究GmSGT2底物特异性,考察pH、温度对GmSGT2的影响,测定其催化金盏花苷E的动力学常数,通过分子对接阐明GmSGT2的底物识别机制。结果表明:GmSGT2可将1分子半乳糖转移到金盏花苷E糖上的C2位置,实现糖上加糖。除UDP-半乳糖外,GmSGT2还可识别UDP-葡萄糖、UDP-木糖和UDP-阿拉伯糖,相对酶活为24.67%~37.60%。GmSGT2催化金盏花苷E的最适温度为40℃,最适pH为7.5,催化效率k_(cat)/K_m为2.71 L/(mmol·s)。分子对接结果表明,His20是GmSGT2的催化氨基酸,Ser19、Ala146、Arg260、Tyr262、Ser291、Leu353、Trp370、Asn371、Thr372和Glu391参与识别底物。GmSGT2催化金盏花苷E半乳糖苷化的研究为酶法合成半乳糖苷衍生物提供指导意义。

转录因子在微生物细胞工厂构建中的应用

利用微生物作为底盘构建细胞工厂进行绿色可持续的生产已经成为当前备受关注的新型环保生产方式。随着合成生物学的发展,微生物细胞工厂的高效、“智能化”生产成为新的研究热点。微生物高效合成目的产物离不开代谢途径的调控与优化,而转录因子作为常见的调控元件,在构建微生物细胞工厂中发挥着重要的作用。同时,转录因子在生物传感器、高通量筛选及底盘细胞改造等方面有着广泛的应用。基于此,从转录因子的调控机制出发,本文综述了转录因子的挖掘、预测与鉴定方法,并对转录因子在微生物细胞工厂构建中的应用进行全面的总结与讨论,以期为相关的研究提供参考。

ARTP诱变技术在食品和饲料加工生物催化剂改造中的应用进展

食品和饲料的生物催化转化和发酵技术成为保障餐桌安全及绿色发展的重要领域,其用酶量在工业酶制剂市场中占比最大,且增长最快。性能优良的酶制剂能显著缩短发酵周期,降低生产成本,提高目标产物的转化率,进而提高市场竞争力。食品和饲料加工产业除了应用分离提取的酶制剂外,很多发酵过程仍以微生物为细胞工厂进行多种酶催化转化。该发酵过程通常涉及复杂的代谢网络和调控机制,且很多体系不能采用基因工程技术,因此理性基因工程改造通常难以满足应用需求。诱变育种仍然是食品和饲料加工用酶及微生物菌株改造的主要手段,需要与时俱进不断发展新技术。近年发展起来的常压室温等离子体(ARTP)诱变育种技术因其具有操作简单、安全、环境友好、突变率高、突变库容大等特点,在食品和饲料加工微生物育种中得到了广泛应用,取得了良好的成效。重点介绍近年ARTP在食品与饲料加工酶制剂及发酵微生物改造中的相关应用进展。

光驱动微生物杂合系统提高生物制造水平

太阳能作为最丰富且可再生的清洁能源,具有非常大的成本效益和发展潜力。自然光合作用效率低且难以干预,人工光合作用不稳定且成本高。以绿色、低碳的方式实现太阳能-化学的转化是现代社会可持续发展的迫切需要,也符合绿色生物制造的需求。光驱动微生物杂合系统作为一项新兴技术将非生物光敏材料与微生物全细胞结合起来,利用光敏材料优良的光吸收能力和微生物的特定高效合成能力,在利用太阳能驱动合成燃料和化学品方面显示出较大潜力。本文综述了光驱动微生物杂合系统在质子还原制氢、CO_(2)还原转化、固氮和C—H键氧化等重要反应中的应用,并对光驱动微生物杂合系统未来的发展趋势进行了展望。

生物-化学偶联反应:酶-金属复合催化

自然界中的很多过程都离不幵细胞内高效的生物-化学偶联反应工业过程中的均相催化、多相催化和酶催化,作为催化的3种主要形式,有着各自的催化性能特点、丰富的催化反应类型和底物范围多种催化剂相结合.在理论上可以衍生出众多的偶联催化反应酶-金属复合催化剂是生物-化学偶联反应中的一种重要催化剂.在材料、药品、能源、食品、医疗等领域具有很好的应用前景。

UDP-糖生物合成的研究进展

尿苷二磷酸(UDP)-糖是糖基化修饰利用的一类重要糖供体,从合酶途径、磷酸化酶途径和激酶途径总结UDP-糖的体内合成过程,由于关键酶的缺乏,只有UDP-葡萄糖(UDP-Glc)能从以上3种途径快速合成。通过特定功能酶能够实现UDP-糖之间快速转化,这种转化以UDP-葡萄糖为起始物,以UDP-葡萄糖醛酸(UDP-GlcA)为中间体,在此基础上,概述特定功能酶催化UDP-糖合成的最新进展,探讨脱氢酶、脱羧酶、异构酶和还原酶在UDP-糖转化中的重要作用。最后,剖析UDP-糖合成的现存问题,展望UDP-糖合成的未来研究方向,旨在为更快地挖掘UDP-糖基供体的作用潜能和实现更加高效低成本的糖基化修饰提供新思路。

整合设计策略下的工程化类器官与类器官芯片技术

类器官和类器官芯片技术是一种由干细胞或特定类型的细胞在体外培养而成的模拟真实器官功能和微环境的三维组织结构,帮助研究者更准确地研究生物过程、疾病机制,为体外疾病模型的建立、药物筛选和个性化医疗提供了新的可能性。然而,当前类器官模型的构建还存在无法全面、准确模拟体内生物过程的诸多问题。为应对这一挑战,本文将讨论利用基于工程化原理的整合设计策略,指导类器官与类器官芯片技术的进一步优化,并通过将器官发育和疾病发展中的生物要素与跨学科工程方法建立合理的系统性联系,实现类器官在时间维度和空间维度上高度模拟体内器官自组织过程、结构与形态构建、生物功能获取的目标。进一步,利用整合高维数据集的数字孪生类器官系统,实现对类器官与类器官芯片的大数据管理、分析、追踪,将有助于更准确地进行疾病分析、指导预测、提出提前干预方案,推动精准医疗向“治未病”时代的进步。

停滞棒杆菌遗传改造工具和启动子文库构建

停滞棒杆菌是用于5′-肌苷酸生产的重要微生物底盘。为利用代谢工程技术来创建和优化高效细胞工厂,在停滞棒杆菌中构建遗传改造工具和启动子文库十分必要。本研究使用pCG1复制子构建了大肠杆菌-停滞棒杆菌穿梭载体,建立停滞棒杆菌外源DNA转化方法、基于自杀质粒同源重组的基因敲除方法,最终形成了停滞棒杆菌异源基因稳定表达系统;停滞棒杆菌游离质粒的电转化效率达到(2.3±0.3)×10^(3)cfu/μg;构建停滞棒杆菌的合成启动子文库,筛选得到24个强度差异达30倍的启动子元件,用于停滞棒杆菌中的基因精细表达调控。

生物催化天然产物的糖基改构与进展

糖基改构是一种十分重要且独特的天然产物结构修饰方式,能有效改善天然产物的水溶性、稳定性及药理活性,在自然界中由相关的糖基转移酶(glycosyltransferases,GTs)催化完成。植物天然产物的糖基改构主要通过尿苷二磷酸糖基转移酶(uridine diphosphate glycosyltransferases,UGTs)实现,然而大多数UGTs的催化活性、稳定性、底物特异性、区域选择性较低,难以满足工业催化要求。本文综述了发生糖基化天然产物的种类及其相关糖基转移酶的分类、挖掘、表征、改造,为开展提高UGTs催化效率的研究提供参考。

异源CYP450酶的表达优化促进工程酿酒酵母合成熊果酸

熊果酸(UA)是具有多种生理及药理活性的植物来源五环三萜类羧酸,尽管在酿酒酵母中已经实现了UA的从头合成,但仍存在产量低、副产物积累、营养供给冗余等问题,无法实现工业化生产。为了提高酿酒酵母合成熊果酸的能力,通过多种方法优化了UA合成途径中异源CYP450酶的表达。探究了位置效应对CYP450基因表达的影响,初步筛选到CYP450的基因组最佳整合位点(HO位点),通过单独增加CYP450的拷贝数或同时增加CYP450及CPR的拷贝数,确定了同时存在3个CYP450和CPR拷贝时CYP450酶具有最佳催化活性,进行培养基优化后UA摇瓶产量达到(266.54±6.50)mg/L,最终在5 L发酵罐进行放大培养UA产量达到(2825.58±36.26)mg/L。本研究可为在酿酒酵母中通过表达优化策略调控其他三萜类化合物的合成提供参考。

肠道类器官:评价肉与肉制品中食源性致病菌感染的新工具

肉及肉制品是人类膳食结构中必不可少的组成部分,因其含有丰富的营养成分,易被食源性致病菌污染,进而对人体健康造成极大的伤害。因此,预防和控制肉及肉制品中食源性致病菌感染对食品安全具有重要意义。为深入了解整个感染过程中食源性致病菌和上皮细胞之间的关系,建立研究食源性致病菌的有效肠道评价模型是控制食源性危害的前提。基于此,本文对肉及肉制品中常见的食源性致病菌感染情况进行总结,并对目前食源性致病菌感染的体内外模型进行讨论。其中,肠道类器官作为评价食源性致病菌感染机制的新模型,在致病机制、细胞和组织趋向性方面具有较大应用潜力。因此,本文重点阐述肠道类器官模型在食源性致病菌感染机制方面的研究现状,并在现有肠道类器官模型特点和问题的基础上对肠道类器官的发展方向提出展望。

有机相温敏性脂肪酶催化剂的结构和催化特性

采用不同链长PEO嵌段的Pluronic分子P123、P105、F127及F108，将其端羟基氧化为醛基，使其与脂肪酶CALB的氨基反应形成纳米结合物。TEM分析结果显示CALB-Pluronic结合物在甲苯中呈现直径为20～40 nm的纳米颗粒。所形成的CALB-Pluronic结合物在4-甲基-2-戊酮中呈现温度响应性，降低温度可使酶催化剂沉淀出来，结合物中的Pluronic高分子PEO嵌段越长，其最低临界共溶温度（LCST）越高。采用甲苯为溶剂、正丁醇及正己酸为底物，37℃下的催化实验结果显示 CALB-Pluronic 纳米结合物比天然 CALB 的表观活性提高4～6倍，而反应结束后可通过降温回收酶催化剂，显示出脂肪酶-Pluronic纳米结合物在有机相酶催化中的良好应用前景。

百菌清污染土壤生物修复研究进展

针对百菌清具有在土壤中药效稳定、不易分解、代谢周期长、长期大量施加导致土壤严重污染等特点和问题,简要介绍了百菌清的毒性作用机制。总结了降解土壤中百菌清的物理法、化学法和生物法的原理及优缺点。重点阐述了生物修复百菌清污染土壤的主要降解菌株及其效果、降解途径以及降解产物及其毒性,分析了土壤性质、微生物种类、温度、土壤含水率等因素对百菌清降解效果的影响。指出今后的研究重点应为降解中间产物的毒性分析及其进一步的降解与转化问题,而复合菌制剂或多酶复合体系可实现百菌清的彻底降解和无害化。

二氯喹啉酸污染土壤生物修复的研究现状与发展方向

为有效控制除草剂二氯喹啉酸对后茬作物的危害,恢复农田的种植能力,介绍了二氯喹啉酸的作用机理以及危害烟草等作物生长的原因,简述了采用物理、化学及生物法修复二氯喹啉酸残留土壤的研究进展,分析并指出3类方法的优势与不足。深入剖析了生物法降解二氯喹啉酸所取得的研究成果,提出外源微生物的安全性难以保障、缺少多菌种协同修复及相关机理研究,以及如何处理基因工程与生物修复的关系等问题是掣肘二氯喹啉酸生物修复走向实际应用的关键。上述问题的解决可能成为二氯喹啉酸污染土壤生物修复研究的发展方向。

微生物细胞工厂的智能设计进展

在细胞工厂构建中设计-构建-测试-学习(design-build-test-learn,DBTL)循环是开发微生物细胞工厂的基本研究思路,其中设计环节尤为重要,然而传统的微生物细胞工厂设计方法主要依靠经验、费时费力、准确率低,影响了微生物细胞工厂的开发效率。当前,规模越发庞大的生物数据库和人工智能技术推动了微生物细胞工厂智能设计的快速发展,提升了在生物合成途径设计、调控元件设计和全局优化设计等方面的设计效率与应用。本文综述了微生物细胞工厂中途径预测、元件设计和途径与元件的组合三个环节中的智能设计工具,微生物细胞工厂智能设计的飞速发展将对生物制造领域产生变革性的影响。

ARTP生物育种技术与装备研发及其产业化发展

安全高效的微生物诱变和高通量筛选技术与装备是生物技术科研及产业发展的核心,具有重要的研究价值和广泛的应用前景。笔者研究团队成功将基于大气压射频辉光放电的常压室温等离子体(ARTP)应用于生物诱变育种领域,对其与生物大分子、细胞之间的作用机理进行了系统研究,并研发了具有自主知识产权的ARTP生物育种仪。因操作安全简便、突变快、突变率高、获得的突变体性状稳定等特点,ARTP育种仪已成功应用于百种以上微生物的诱变育种,在行业引起了广泛关注,并实现了的国际出口。综述了ARTP生物育种技术的原理、装备研发现状及其近年来的研究和应用进展,并对其今后的发展趋势进行了展望。