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。

挑战造物主:合成生物学使能工具

合成生物学以工程化理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成[1]。早在1957年,弗朗西斯·克里克提出的生物体“中心法则”已指出细胞的几乎所有代谢、感知、生长等活动都由基因决定,揭示了造物主的“密码本”[2]。随后,DNA测序技术[3]和DNA重组技术[4]等工具的建立揭示了人类改写生物体“密码本”的可能性,并在20世纪80年代提出了基于基因重组的合成生物学概念[5]。目前飞速发展的合成生物学往往需要对大量基因进行操纵,针对单个或几个基因的传统DNA重组技术已不能满足其要求,急需满足其设计能力的强大使能工具。

合成生物学装备:颠覆生命科技的利器

工欲善其事,必先利其器。人类探索生命奥秘和应用生物技术的实践表明,生物学发展史上的颠覆性技术往往是由新的科研装备创新驱动的,同时前沿仪器装备引领生物产业的创新发展。例如,显微镜的发明为细胞学说奠定基础,X射线衍射仪的应用对于DNA双螺旋结构解析至关重要。据不完全统计,74.6%的诺贝尔化学奖和90%的诺贝尔生理学或医学奖成果,是借助各种先进的科学装备完成,或直接与新装备方法或功能的发展相关。与此同时,新科研装备的研发可以大幅提升生命科学领域的科研效率,为重复获得高质量数据提供标准化操作。例如,毛细管电泳测序仪的发展使得人类基因组计划提前2~3年完成[1],聚合酶链反应核酸扩增仪的出现推动了PCR这一革命性技术在基因克隆、分子诊断等领域的广泛应用[2]。

代谢物生物传感器:微生物细胞工厂构建中的合成生物学工具

代谢物生物传感器作为重要的合成生物学工具,能够感应细胞内代谢物浓度的变化,转化为特定信号输出,在微生物细胞工厂的构建中显现出巨大的应用潜力。其主要组成部分通常包括生物识别元件和信号输出元件,前者来源于自然界中丰富的调控元件,如转录因子、核糖开关等,有着不同的响应机理,后者可以为荧光信号、生长优势、特定代谢通路的开闭等,取决于应用所需。着重介绍了近年来代谢物生物传感器在微生物细胞工厂构建中的应用实例,主要包括目标化合物菌株的高通量筛选、选择、胞内代谢动态调控和非遗传异质性选择,同时也着重讨论了代谢物生物传感器的性能对于应用的影响和在实际应用中可能面临的机遇与挑战。

嗜盐菌合成生物学为基础的新型生物制造:生物制造2.0

生物制造是利用生物体机能进行物质加工与合成的绿色生产方式.目前,传统的生物制造以模式微生物为主,具有发酵技术成熟,分子改造技术成熟,但易染菌、能耗高、产率低、过程控制复杂等特点,其生产化工产品的竞争力不如化学工业.为突破传统生物制造的瓶颈,嗜盐菌等极端微生物近10年快速发展成为底盘细胞,成为开放无灭菌以及可以连续发酵的“下一代工业生物技术”(next generation industrial biotechnology,NGIB).嗜盐微生物是在高渗透压环境中具备正常生长能力的极端微生物,近年来,嗜盐菌的分子生物学工具种类不断增加,使得其改造和工程化发展迅速,已经完成了多种聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)和小分子化合物的生物合成,包括形态学工程改造带来的下游产物回收的便利.基于嗜盐菌底盘细胞的“下一代工业生物技术”具有基因可编辑性、节能节水、无需灭菌、可连续发酵、设备和操作简单以及一个底盘,多种产物等优点,合成生物学武装的嗜盐菌打开了新型生物制造的一扇新窗口,必将引起生物制造的一场新的变革,我们将其命名为“生物制造2.0”.

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。

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。

蓝水生物技术——聚羟基脂肪酸酯的产业发展

聚羟基脂肪酸酯是一类生物基塑料,可通过生物转化过程生产。然而生物转化过程存在灭菌过程耗能、发酵过程消耗淡水资源、底物成本较高等缺点致使其产品的成本居高不下,难以与化工产品相竞争。嗜盐微生物由于可在含有高浓度盐的环境(如海水)中生长,可应用于无灭菌的开放式连续发酵过程。

合成甲基营养细胞工厂同化甲醇的研究进展及未来展望

甲醇具有来源广、易储存运输、原料价格竞争力强等优势,被视为极具潜力的生物制造非糖基碳源资源。常用的模式底盘微生物研究历史长、认知清楚、操作工具多,在工程化改造中具有显著优势。近年来,通过借鉴天然甲基营养型微生物的甲醇利用途径对模式底盘进行改造,获得具备高效利用甲醇能力的合成甲基营养细胞工厂的研究日益受到关注。本文系统综述合成甲基营养细胞工厂的甲醇氧化、同化基因及其调控元件,和以共用糖基碳源结合适应性进化策略为主的核酮糖单磷酸途径重构及甲醇同化途径设计构建的研究现状,进而结合合成甲基营养细胞工厂面临的挑战进行展望,提出基于全基因组靶向基因编辑技术结合实验室适应性进化策略构建更高效合成甲基营养细胞工厂的研究方向。

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。

磷酸水解酶对大肠杆菌工程菌合成番茄红素的影响

实验以大肠杆菌DH1为宿主菌,在已有生产番茄红素大肠杆菌工程初始菌株lyc001的基础上,增加合成番茄红素途径中的关键基因crtEIB拷贝数;表征结果表明,相较于初始菌lyc001,番茄红素产量提高了34%,并将此菌命名为lyc011.利用CRISPR干扰(CRISPR interference,CRISPRi)原理以及Golden-Gate组装方法成功构建了可以靶向得到的57个磷酸水解酶基因的双single guide RNA (sgRNA)的质粒.将dCas9质粒和sgRNA表达质粒导入lyc011菌株中,通过下调这57个磷酸水解酶基因表达量,最终通过发酵表征成功筛选到了15个对番茄红素产量提高具有正向调节结果的磷酸水解酶基因,分别为:yjjG,aphA,nagD,yqaB,yidA,pphA,bacA,glpQ,pgpB,spoT,cpdB,nudJ,dgt,phoQ.

微生物细胞工厂的设计构建:从诱变育种到全基因组定制化创制

微生物细胞工厂(microbial cell factories,MCFs)被广泛用于生产丰富多样的化学品、食品、药品和能源,是绿色生物制造的核心环节。早期主要通过天然微生物的筛选和诱变育种的方式获得高产菌种,然而作为一种“以时间(人力)换水平”的非理性策略,其创制效率极低。随着分子生物学和基因工程研究方法的不断发展,对微生物系统认知和改造能力的进步促使代谢工程学科诞生。基于生物学知识的理性/半理性代谢工程设计和构建策略,目前已发展了从分子、途径到基因组层次不同的MCFs设计和工程化构建策略。本文结合实际案例对MCFs的设计及构建策略进行综述,首先回顾传统诱变育种和代谢工程指导的理性/半理性设计策略,探讨如何突破代谢工程经典框架的限制,实现全基因组水平定制化MCFs的快速构建,最后对这一新的构建范式的未来进行展望。

扭脱甲基杆菌AM1生物加工过程研究进展

甲醇作为重要的一碳化工原料,可由甲烷、合成气和CO_2等转化制得。扭脱甲基杆菌AM1是以甲醇作为唯一碳源和能源来进行生物发酵的微生物。由于原料来源广泛,发酵过程染菌的风险低,且能够利用合成培养基降低生产成本,同时产物后处理简单,扭脱甲基杆菌AM1被广泛利用在生物化工领域。目前,扭脱甲基杆菌AM1以甲醇作为碳源,已经成功实现了工业化生产单细胞蛋白。随着分子生物学技术的发展,扭脱甲基杆菌AM1以甲醇为底物有望合成更多高附加值的产品。本文中,笔者对扭脱甲基杆菌AM1生物加工过程进行综述,希望对甲醇基生物工业有所启发。

聚羟基脂肪酸酯在组织工程中的应用

聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)是一系列由微生物合成的天然高分子材料,目前已发现有超过150种组成单体不相同的PHA聚合物。由于最常见也是研究最广泛的PHA——聚3‒羟基丁酸(PHB)具有优良的生物相容性和生物可降解性,且其降解产物3‒羟基丁酸(3HB)对多种疾病具有潜在的治疗功能,PHA相关材料在组织修复与再生领域得到广泛的关注。介绍了不同单体组成的PHA在修复骨缺损、愈合皮肤伤口、重建神经和递送药物等不同组织工程领域的应用,总结了对应的材料制备方法及组织修复机制,为后续PHA的生物医疗应用提供新的思路。

大气压冷等离子体与水溶液作用过程的数值模拟研究进展

作为一种新型高效多样的化学反应场,近年来大气压冷等离子体(cold atmospheric plasma,CAP)在生物、医学、环保、材料等领域的研究和应用日益广泛。由于这些领域的应用大多涉及以水溶液为介质的反应体系,因此,深入认识和理解CAP与水溶液的相互作用机制具有重要的理论意义和实用价值。然而CAP与水溶液的反应过程高度复杂,现有实验检测手段难以全面揭示其作用机制,而近年计算模拟在CAP领域的研究获得了长足发展,并成为研究CAP与溶液相互作用机制的重要手段之一。本文重点综述了近几年流体力学模拟和分子动力学模拟在CAP与水溶液相互作用机制研究中的应用。在流体力学模拟方面,本文详细介绍了近几年发展的二维模型、一维模型和Global模型的特点以及这些模型在介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)和等离子体射流与水溶液相互作用研究中的应用,以揭示等离子体作用于水溶液后的反应过程;在分子动力学模拟方面,本文详细介绍了将基于反应性力场(reactive force field)的分子动力学模拟用于含氧活性粒子(reactive oxygen species,ROS)与水溶液中生物分子相互作用机制研究中的应用。在此基础上,本文进一步分析和比较了流体力学模型和分子动力学模拟的特点,并展望了在CAP与水溶液相互作用机制研究中亟待解决的问题和未来这一领域研究工作的发展方向。

黄嘌呤氧化酶的研究进展及其发展前景

本文综述了黄嘌呤氧化酶(XOD)的研究进展及其发展前景。首先总结了XOD的基因、蛋白结构、催化机制和生物合成机制,其次介绍了与XOD催化相关的嘌呤代谢途径及其生理病理作用和相关的疾病,再次综述了目前已有商品化XOD及其生产现状和存在的问题,然后概述了XOD的应用进展和发展前景,最后探讨了XOD基础和应用研究存在的问题并提出发展建议。

微生物微培养系统研究现状与展望

微生物培养是微生物学的起源和根本,成功的微生物培养是进行后续研究的重要前提与基础。但是,微生物培养操作不仅耗费了科研人员大量的精力和时间,还存在着极大的人为误差。近年来,容量小、高通量、模块化、可操作性良好并可进行在线检测的微生物微培养系统得到了微生物学领域的广泛关注。文中介绍了应用于微生物学领域的微培养系统,并按系统构成分类讨论了微生物微培养系统的发展、应用和展望。

塑料的降解与可降解塑料——聚羟基脂肪酸酯的合成

近年来,塑料污染的问题始终困扰着人类社会。为了解决不可回收的塑料带来的环境问题,“降塑再造”的理念被提出。“降塑再造”主要包括塑料的降解和塑料的再生。而再生成为可降解的聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)则是实现塑料内循环的一种方式。PHA是一种可由多种微生物合成的生物聚酯,以其特有的生物相容性和可降解性以及热加工性能而被大家所关注。同时利用PHA的多样化的单体组成、加工技术和改性方法,可以进一步改善PHA的性能,产生类型多样、性能各异的PHA材料,也可以创造平衡耐久性和生物降解性的新产品,这些特性使PHA有望成为传统塑料的替代品之一。利用极端微生物进行生产的“下一代工业技术(next-generation industrial biotechnology,NGIB)”可以增加PHA的市场竞争力,为国家碳中和目标顺利实施提供参考。本文综述了各类塑料降解并生产PHA的可能性、PHA材料的基础材料属性、加工和改性方法及获得的新材料、新技术和独特的材料性质。

干扰素基因刺激蛋白(STING)激动剂环二核苷酸类化合物的合成及活性研究进展

环二核苷酸是环磷酸鸟苷-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激因子(c GAS-STING)天然免疫信号通路的激动剂,目前主要发现了四种天然的环二核苷酸STING激动剂.近年来随着c GAS-STING通路作用机制的进一步揭示,激活STING通路以进行免疫治疗已成为当前的研究热点.对环二核苷酸进行衍生化修饰以提升其药物活性及成药性已成为推动其临床应用的重要手段.在此,总结了近年来STING激动剂环二核苷酸类化合物的合成及活性研究进展.