黑曲霉葡萄糖吸收定量检测的方法建立及其在MstC功能研究中的应用

黑曲霉是有机酸与酶制剂重要的工业生产菌株,具有强大的水解酶系与葡萄糖转运系统,可快速响应胞外碳源变化,摄取环境中葡萄糖供给细胞生长和产物合成。作为重要的碳源底物与关键的信号分子,葡萄糖的摄取吸收直接影响黑曲霉细胞生长与发酵性能。针对目前丝状真菌缺乏简便葡萄糖吸收能力定量表征方法的问题,本文以2-(N-(7-硝基苯并-2-氧杂-1,3-二唑-4-氨基)-2-脱氧葡萄糖(2-NBDG)作为葡萄糖吸收探针,通过将预培养的黑曲霉孢子与2-NBDG孵育后,利用荧光显微成像与流式细胞分析,建立了丝状真菌的葡萄糖吸收的定量检测方法。结果发现,2-NBDG的最佳使用浓度为150μmol/L,最佳孵育时间为4 h。进一步利用该定量分析方法,发现低亲和力葡萄糖转运蛋白MstC的过表达使黑曲霉葡萄糖吸收提高1.44倍,同时在前期研究的基础上,利用多序列比对分析,设计了MstC的突变体R188K,通过检测发现该点突变可直接导致MstC葡萄糖转运活性的丧失,这表明Arg188是影响MstC葡萄糖转运能力的关键氨基酸位点。本文葡萄糖摄取定量检测方法的建立及其在MstC功能研究上的应用,不仅加深了丝状真菌葡萄糖吸收的定量认识,也为葡萄糖转运系统的改造优化提供了技术支撑。

谷氨酰胺的研究及开发进展

谷氨酰胺是一种条件必需性氨基酸，在生命活动中起着重要的作用。它是构成蛋白质的氨基酸，又是合成含氮生物物质的氮源，与组织生长和修补有着密切的关系。在不同组织中谷氨酰胺具有不同的代谢功用，起着重要的生理作用。它不仅是一种重要的生化试剂，也是一种极有发展前途的新药。

黑曲霉柠檬酸工业菌株原生质体制备与转化

黑曲霉是柠檬酸工业化生产的主要发酵菌株。尽管现代遗传操作技术在黑曲霉的实验室菌株、蛋白质生产菌株等的应用中获得了成功,但是柠檬酸工业菌株遗传转化异常困难,成为柠檬酸工业持续升级的重要限制因素。以柠檬酸工业生产实际应用的黑曲霉菌株为研究对象,对其原生质体的制备与再生以及PEG介导的转化等条件进行了细致优化。结果表明,柠檬酸高产工业菌株原生质体的制备需选取丰富培养基中培养48 h的年轻菌丝体,在1.5%裂解酶-0.5%蜗牛酶-0.2%溶菌酶的复合酶解体系下裂解2.5 h,原生质体的制备浓度可达106个/m L以上,原生质体再生效率可达90%以上。原生质体的浓度是原生质体-PEG介导转化方法的关键,当原生质体浓度达到106个/m L以上时,高产柠檬酸菌株的转化效率大幅提高。成功建立了由原生质体-PEG所介导的高产柠檬酸黑曲霉菌株的遗传转化体系。

CRISPR-Cas9介导的基因组编辑技术的研究进展

CRISPR-Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeats-CRISPR-associated proteins)系统为细菌与古生菌中抵御外源病毒或质粒DNA入侵的获得性免疫系统。该系统在crRNA的指导下,使核酸酶Cas识别并降解外源DNA。其中,Ⅱ型CRISPR-Cas系统最为简单,仅包括一个核酸酶Cas9与tracrRNA:crRNA二聚体便可完成其生物功能。基于CRISPR-Cas9的基因组编辑技术的核心为将tracrRNA:crRNA设计为引导RNA,在引导RNA的指导下Cas9定位于特定DNA序列上,进行DNA双链切割,实现基因组的定向编辑。CRISPR-Cas9系统以设计操纵简便、编辑高效与通用性广等优势成为新一代基因组编辑技术,为基因组定向改造调控与应用等带来突破性革命。从CRISPR-Cas9介导的基因组编辑技术的发展与应用等方面综述其最新研究进展,并着重介绍该技术的关键影响因素,为相关研究者提供参考。

全细胞网络重建与细胞工厂设计

在各种组学及其相应的网络研究相对成熟的基础上,集成各组学网络的细胞整合型网络或全细胞网络将大大提高对生物表型的预测能力,并成为代谢工程决策的有力武器.本文在阐述了细胞工厂设计中应该考虑细胞整合网络之后,综述了细胞整合网络的重建、分析、设计方法方面的有关问题,并进一步就研究细胞整合网络涉及的数据库、软件平台、并行计算几方面的作用作了介绍.

5-氨基乙酰丙酸生物合成技术的发展及展望

5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)是生物体内天然存在的一种功能性非蛋白质氨基酸,在医药保健和农牧领域具有重要的应用价值。尽管化学合成技术率先打通了5-ALA的制备路线,但工艺的复杂性和高成本问题,限制了其生产规模和应用推广。随着生物技术的兴起,生物合成作为一种绿色替代技术成为解决上述问题的突破口。本文回顾了近50年来5-ALA生物合成技术的发展历程,综述了5-ALA生物合成的3种主要策略,即天然菌株诱变筛选、利用重组外源C4途径的工程菌株催化合成以及基于代谢工程的高效细胞工厂构建,总结了每种策略的技术特点和主要问题,重点介绍了代谢工程改造策略和合成生物技术在5-ALA微生物细胞工厂开发中的应用和研究进展。在此基础上,本文进一步分析了限制5-ALA生物合成的瓶颈,阐述了血红素合成代谢的复杂调控作用和多底物的协同供给在5-ALA生物合成中的重要作用,并从新靶点、新底盘和新技术策略的角度,对合成生物学时代5-ALA生物合成技术未来的发展进行了展望。

化石燃料生物脱硫的机制

介绍了化石燃料(原油和煤炭)中硫的存在形式以及传统脱硫的方法,综述了国内外采用微生物脱硫的机制和研究进展。

大肠杆菌9种有机酸代谢产物的高效液相检测条件优化

以高交联度磺化苯乙烯-二乙烯基苯共聚物多孔微球作为固定相的Aminex HPX-87H离子色谱柱为分析柱,通过优化条件对E.coli MG1655及其突变株厌氧发酵过程中九种有机酸（琥珀酸、甲酸、乙酸、乳酸、草酰乙酸、丙酮酸、富马酸、乙醛酸、柠檬酸）进行了有效的分离,尤其做到了对富马酸与其他有机酸的较好分离,为代谢过程监测及后期菌株改造提供了重要支持。优化后条件为：流动相2.75 mM H2SO4、流速0.6 mL/min、柱温50℃,本方法的回收率在97.9%~106.7%;RSD为0.8%~3.3%

不同抑制剂对谷氨酸棒状杆菌磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶酶活的影响

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(Phosphoenolpyruvate carboxylase,PPC)是生物体碳代谢四碳回补途径的重要酶,是很多生物基化学品合成途径中的关键反应。为揭示谷氨酸棒状杆菌的PPC酶受体内代谢物影响的情况,对谷氨酸棒状杆菌Corynebacterium glutamicumATCC13032的ppc基因进行了PCR克隆,成功地在大肠杆菌中诱导表达为可溶性蛋白。利用Ni柱亲和层析纯化了该蛋白,酶活性测定表明其具有磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性。细致研究了各种抑制剂,如柠檬酸、异柠檬酸、富马酸、琥珀酸、苹果酸、谷氨酸、天冬氨酸等对PPC酶活的影响,证实天冬氨酸和苹果酸是谷氨酸棒杆菌PPC的强抑制剂,并首次发现PPC也受到N-乙酰谷氨酰胺的抑制作用。

一种改进的赖氨酸浓度测定方法

茚三酮显色法是一种常用的氨基酸测定方法,可以对游离氨基酸进行定性、定量分析,但检测赖氨酸的选择性和准确度却较差。本研究通过对传统茚三酮方法的改进实现赖氨酸的特异性检测。研究发现,在pH2.2的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液中只有赖氨酸可与茚三酮-铁试剂在480 nm处发生特征显色反应,其最佳测定条件为100℃反应35 min;并发现改进的方法赖氨酸的有效浓度为0-200 mmol/L。此方法可以排除脯氨酸、鸟氨酸、甘氨酸、精氨酸和组氨酸等杂质氨基酸的干扰,而且适用于对发酵液中赖氨酸浓度进行直接测定,结果准确可靠。

黑曲霉生产柠檬酸的控制论模型

黑曲霉发酵是工业生产柠檬酸的主要途径,研究该过程的动力学模型对更好地理解这一工业微生物的代谢机理有重要意义。基于黑曲霉(Aspergillus niger)柠檬酸发酵过程主要代谢途径的分析,构建了简化的碳代谢网络,建立了胞内物质和酶浓度的平衡模型。引入一阶闭环调节器模型描述发酵初期微生物酶系的建立过程。结合生物反应器模型,给出了重要宏观状态变量(如细胞物质浓度、基质浓度、产物浓度)和胞内酶浓度的动态仿真结果与实验值的对比。

小分子代谢物对黑曲霉己糖激酶和丙酮酸激酶的酶活调控

黑曲霉是柠檬酸的工业生产菌株,糖酵解中的3个不可逆反应是柠檬酸积累的重要调控节点,但己糖激酶和丙酮酸激酶的代谢调控研究相对较少,本研究旨在加深对己糖激酶和丙酮酸激酶代谢调控的认识。首先,将黑曲霉己糖激酶和丙酮酸激酶进行内源过表达,经GST亲和层析纯化后重组酶的比酶活分别为(4.86±0.14)U/mg和(1.83±0.02)U/mg。通过小分子代谢物对其酶活影响的检测,发现己糖激酶受果糖-6-磷酸、磷酸烯醇式丙酮酸、ADP和ATP的抑制,而丙酮酸激酶被果糖-1,6-二磷酸、苹果酸和富马酸抑制,同时存在底物ADP的前馈激活作用。进一步通过蛋白三维结构建模与蛋白-小分子代谢物对接模拟分析,发现黑曲霉己糖激酶底物结合位点Asn210及其附近的氨基酸是与小分子代谢物互作的关键位点,而丙酮酸激酶位于别构效应结构域的Thr416、Thr417与Trp470则为关键小分子代谢物的重要结合位点。本研究系统鉴定了小分子代谢物对己糖激酶与丙酮酸激酶的代谢调控关系并预测了其别构调控位点,加深了对黑曲霉糖酵解调控机制的认识。

谷氨酸发酵过程中N-乙酰-谷氨酰胺的积累

在利用HPLC分析谷氨酸发酵过程样品时,发现在色谱峰17.5 min处有一未知物质,其UV信号比较强,且与谷氨酸积累相关,通过高压液相和串联质谱,该物质鉴定为N-乙酰-谷氨酰胺。对比分析不同发酵过程,N-乙酰-谷氨酰胺积累与谷氨酸偶联,且与谷氨酸产量呈相关。溶氧对N-乙酰-谷氨酰胺合成没有显著影响,玉米浆是影响其合成的重要因素,随着玉米浆添加量的增加,N-乙酰-谷氨酰胺/谷氨酸比值逐渐降低,当玉米浆添加量大于10 mL/L时,继续添加玉米浆该比值不受影响。

黑曲霉产柠檬酸的发酵过程表征及乙醛酸的形成

本文对黑曲霉柠檬酸生产过程的菌体形态、总糖、还原糖及有机酸的变化进行了系统地研究。研究结果表明:整个发酵过程中,菌球形态保持紧密稳定,发酵产物中以柠檬酸为主,产量达到155 g/L。并首次发现柠檬酸发酵过程中伴随有乙醛酸的生成,最大浓度可达9.4 g/L。对于菌种和发酵工艺的改进有着重要的指导意义。

基于高通量生物反应器和分段式pH反馈补料技术发酵生产L-赖氨酸

利用高通量生物反应器,以在线监测的p H为直接反馈补料信号,以葡萄糖、氨水和硫酸铵混合溶液为流加液进行补料发酵生产L-赖氨酸。当流加液中葡萄糖含量均为360 g/L时,对流加液中硫酸铵添加量、氨水添加量和发酵培养基接种量进行了单因素优化,确定一段式流加培养最佳条件为氨水添加量180 m L/L、硫酸铵添加量40 g/L、接种量为5 m L/45 m L培养基。分段式补料培养研究结果表明,在赖氨酸发酵的不同阶段采用不同配比的流加液进行分段式培养可以进一步提高赖氨酸的产酸浓度,同时降低残糖和残铵氮含量。三段式p H反馈补料发酵可以将赖氨酸产酸浓度提高到(56.85±0.98)g/L,与二段式和一段式相比分别提高8.65%和23.64%。

赖氨酸工业发展的机遇与挑战

赖氨酸作为动物和人类营养的第一限制性氨基酸,在饲料添加剂、食品、医药行业有着广泛的应用。中国是赖氨酸生产和出口的第一大国,然而中国自有赖氨酸工业菌种水平较低,知识产权布局薄弱,而国外大公司通过长期投入育种工作建立了有竞争性的菌种及其全面的知识产权布局。合成生物学的迅速发展为工业菌种设计改造提供了全新的技术手段,有可能实现我国自有菌种的快速革新,为国内赖氨酸行业参与全球竞争提供新的机遇。主要介绍了赖氨酸工业当前的市场、技术和知识产权现状,以及赖氨酸工业发展机遇。

氨基酸生物传感器的开发及应用研究进展

氨基酸是蛋白质的基本组成单元,对人和动物的营养健康十分重要,广泛应用于饲料、食品、医药和日化等领域。目前,氨基酸主要通过微生物发酵可再生原料生产,氨基酸产业是我国生物制造的重要支柱产业之一。氨基酸菌株主要通过随机诱变和代谢工程改造结合筛选获得。菌株生产水平进一步提高的核心限制之一是缺乏高效、快速和准确的筛选方法,因此,发展氨基酸菌株的高通量筛选方法对关键功能元件挖掘及高产菌株的创制筛选至关重要。本文综述了氨基酸生物传感器的设计,及其在功能元件、高产菌株的高通量进化筛选和代谢途径动态调控中的应用研究进展,讨论了现有氨基酸生物传感器存在的问题和性能提升改造策略,并展望了开发氨基酸衍生物生物传感器的重要性。

COMSATS成员国工业生物技术发展现状分析及合作建议

南方科技促进可持续发展委员会(Commission on Science and Technology for Sustainable Development in the South,COMSATS)是发展中国家具有重要影响力的政府间国际科技组织,现有27个成员国。中国是该组织的创始成员国。系统调研了COMSATS成员国工业生物技术发展的政策环境、资源禀赋、创新平台等,分析了相关成员国工业生物技术的研发进展以及生物产业发展现状,并就深化我国与其他COMSATS成员国间生物科技和产业合作提出了相关意见建议。

黑曲霉作为细胞工厂:知识准备与技术基础

黑曲霉是一种重要工业微生物,在酶制剂、异源蛋白、有机酸等领域应用广泛。2007年黑曲霉基因组的公布将黑曲霉的研究引入后基因组时代,各种组学数据如雨后春笋般涌现,人们对黑曲霉高效生产机制的理解上升到系统、分子层次;与此同时,黑曲霉遗传操作系统也不断成熟,为系统地研究和改造黑曲霉、将黑曲霉打造成通用细胞工厂奠定了基础。

生物制造食品原料市场准入政策比较及对我国的建议

生物制造食品原料市场准入的不畅已经制约了我国生物经济的发展。文章对欧盟、美国、日本和中国对生物制造食品原料的监管模式、法规、市场准入和许可上市产品等进行了深入对比研究。欧盟、美国和日本对经遗传改造微生物制造的食品原料的监管都非常关注,但是采取了截然不同的态度:欧盟持谨慎态度,美国持宽容接受态度,而日本则持相对折中的态度。中国多年以来一直收紧对经遗传改造微生物制造的食品原料审批。目前,全球正在积极应对新技术创制的食品原料及新型食品的监管与准入。建议中国也尽快制定积极的生物制造产品应用政策,明确申报与审批路径,统一市场准入标准和审查制度,简化审批手续,推动新产品进入市场。