生物固碳途径研究进展

生物固碳是地球碳循环过程的重要组成部分。自然界已经发现了六条天然生物固碳途径,但自然途径不仅能量利用效率低下,而且人工改造提升固碳效率难度大。随着合成生物学的发展,新的人工固碳途径不断涌现。相对于天然途径,人工固碳途径具有路线短、耗能少、原子经济性高等优点,有望在不久的将来能够替代天然固碳途径,实现固碳效率的大幅提高,是解决人类能源与环境问题的有效途径之一。主要总结了天然固碳途径和人工固碳途径的代谢原理和关键固碳酶的酶学特征,并对未来发展趋势进行展望。

合成生物技术助力可持续发展

合成生物学是21世纪生物学领域新兴的一门学科,是生物学与数学、化学、计算科学、工程科学等学科交叉融合的产物,是继DNA双螺旋发现和“人类基因组测序”之后的第三次生物技术革命,不仅对揭示生命本质和探索生命活动基本规律具有重要科学意义,并有望形成颠覆性生物技术创新,为破解人类社会面临的资源与环境不足的重大挑战提供全新的解决方案,对促进人类命运共同体的永续发展具有重大意义。

DNA合成、组装与纠错技术研究进展

DNA设计合成是推动生命科学及其相关领域发展的关键共性底层技术。常规的遗传操作技术仅能对已有的DNA序列进行有限的改造,而DNA合成技术则可从头“书写”生命信息,从另一高度提升我们对生命体理解、预测和操控的能力。DNA合成技术包括寡核苷酸合成技术、DNA组装技术以及DNA纠错技术。本文总结了以上关键技术的特点和发展趋势,经历超过60年的发展后,化学合成法仍然是当前寡核苷酸合成的主流方法,它被广泛应用于柱式及芯片DNA合成仪,酶法DNA合成技术则有望颠覆传统的DNA化学合成方法;现有DNA合成技术在合成能力和准确性上存在局限,难以直接准确合成基因长度的DNA片段,分级的体外与体内组装技术的合理搭配,可将分段合成的寡核苷酸片段装配成长片段DNA,达到基因长度甚至基因组长度DNA序列的合成,它也因此成为长片段DNA合成的关键;寡核苷酸的合成与组装过程都不可避免地引入错误,基于错配结合或错配切除的纠错技术在DNA合成过程不同阶段的应用,不仅能提高DNA合成的准确性,还可有效降低长片段DNA合成的质控成本。近年来合成生物学等相关领域的迅猛发展,对DNA合成相关技术提出了新的要求,正推动DNA合成、组装与纠错相关技术向着高通量、自动化和集成化的方向不断改进和创新。

重叠基因在异源蛋白表达中的新应用

大肠杆菌在调控异源蛋白的表达量和可溶性方面仍然存在困难。研究开发一种融合重叠基因结构和mRNA 5′-端序列优化的蛋白表达调控方法。在表达基因起始密码子前引入两个碱基TG,利用pET-28a质粒载体表达框的5′-端标签,与其形成TGATG的重叠基因类型的表达结构。再通过设计简并引物对异源基因mRNA的5′-端连续14个密码子区域进行同义密码子突变,改变mRNA的二级结构,实现重叠基因结构强度筛选。利用这种方法,在不改变质粒组成和外界条件的情况下就能影响异源蛋白的表达量,并通过影响翻译过程速率来调控蛋白可溶性。通过对多个异源基因表达优化实例,证明重叠基因结构在调控蛋白可溶性表达中的作用。为大肠杆菌中异源蛋白在表达量和可溶性问题的优化方面提供一种简单的调控策略。

黄酮6位羟基化酶催化机制的理论研究与应用

灯盏乙素发酵生产过程中,黄酮6位羟基化酶催化效率不足,导致产生至少约18%的副产物。本研究以2种黄酮6位羟基化酶CYP82D4与CYP706X为研究目标,通过分子动力学模拟与量子化学计算,对两种黄酮6位羟基化酶的催化机制进行解析。结果表明,CYP82D4与CYP706X在反应决速步的能垒几乎相同,应当具有相似的反应速率,而CYP82D4相对较小的底物结合能可能有利于产物释放,是其具有更高催化效率的直接原因。最后,基于对底物进出过程的研究,CYP82D4的L540A突变将催化效率提高了1.37倍,证明了理论计算指导黄酮6位羟基化酶改造优化的可行性。本研究揭示了黄酮6位羟化酶的催化机制,为对其进行改造优化以提高灯盏乙素的发酵生产效率提供了参考。

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。

合成生物与生物安全

合成生物学基于生物、化学、物理、计算、工程等多学科交叉,对生物体以工程化的方式重新设计甚至是从头合成,将克服自然进化的局限,创造超越自然生命能力的合成生物,不仅对探索生命活动基本规律具有重要科学意义,也在工农业生产、环境保护、健康保健等领域具有巨大应用前景。随着合成生物技术发展的日新月异,合成生物的应用范围日益广泛,如何保障合成生物的生物安全性成为一个极其重要并且亟待解决的关键问题。合成生物学研究中大量涉及来自于病毒、致病性细菌和真菌的强毒力基因元器件,且被设计和使用的毒性基因元件和调控元件的数目也从少数几个跃升为几十个、上百个,乃至整个基因组的重新设计和编辑改造。如果缺乏有效管控或被恶意谬用,这些人工合成生物体可能会对生态环境平衡、公共卫生安全乃至国家国防安全造成威胁。因此,在人工设计和改造生物体的过程中,必须建立系统的防范和监控体系,设计有效的方法和技术来阻止人工生命体在野外环境下的复制和增殖、遗传信息的漂移以及阻断其进化出新的环境适应性,做到完全的人工改造生物隔离,达到真正的人工可控生命目标,确保其生物安全性。文章综述了合成生物学的研究进展和合成生物潜在的生物安全性威胁,以及合成生物的生物安全性防控设计策略,并对相关安全政策规章的制定给出了建议。

二氧化碳人工生物转化

二氧化碳(carbon dioxide,CO_(2))资源化利用是全球可持续发展面临的巨大挑战。自然界生物固碳绿色环保,但能效低、速度慢,难以满足工业生产需求;物理化学固碳效率高,但能耗高、产品单一,如何结合生物、物理与化学技术优势,以二氧化碳为原料进行生物转化利用是当前迫切需要解决的科技难题。本文结合中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来的发展,综述了人工固碳元件、途径与系统的设计与构建等前沿基础领域取得的重要进展,特别是首次实现二氧化碳人工合成淀粉,并对建立二氧化碳人工生物转化技术体系进行了展望。相关进展与展望为助力实现“碳达峰、碳中和”目标提供了新思路。

植物天然产物微生物重组合成研究进展

植物天然产物是小分子药物、营养品、化妆品、香精香料等的主要来源之一,在国民经济中发挥重要的作用。目前植物天然产物主要依赖于植物提取,这种生产方式占用耕地、生长周期长,而且植物活性成分往往含量低、生产成本高。通过解析植物天然产物生物合成途径,在微生物细胞中重构,创建细胞工厂,实现利用可再生原料发酵合成,为植物天然产物的供给提供了新的路线。本文重点介绍了中国科学院天津工业生物技术研究所在萜类、黄酮类、苯丙素类等重要类型植物天然产物微生物重组合成方面的研究进展,简要探讨了当前研究面临的挑战及未来前景。

酶法催化甲醛合成木酮糖

木酮糖是生物体内的代谢中间产物,是多种稀有糖合成的前体物质,因其独特的生物活性在膳食、保健、医药等领域发挥着重要作用。本研究旨在从最基本有机原料之一的甲醛出发,利用生物酶法催化甲醛合成木酮糖。通过来源于恶臭假单胞菌Pseudomonas putida的苯甲酸脱羧酶(Benzoylformate decarboxylase)突变体BFD-M3催化甲醛聚合生成羟基乙醛和1,3-二羟基丙酮(DHA)。通过来源于大肠杆菌的转醛醇酶(Transaldolase)突变体Tal B-F178Y进一步催化羟基乙醛和DHA聚合生成木酮糖,最终实现甲醛到木酮糖的酶法转化,转化率为0.4%。此外,经过优化甲醛底物浓度,木酮糖转化率达到4.6%,比优化前提高了11.5倍。为了进一步提高木酮糖的转化率,采用Scaffold多酶组装技术固定BFD-M3、Tal B-F178Y蛋白,使木酮糖转化率达到14.02%,较未用Scaffold技术前提高3倍,为生物法合成稀有糖提供了一种新方案。

合成生物学酶改造设计技术的研究进展

酶是一种优秀的生物催化剂,酶促反应以高效性、专一性、条件温和、绿色环保等优点著称,但天然酶仍存在活性低、稳定性差、专一性不佳等问题。合成生物学与人工智能技术的不断进步为天然酶的催化机制研究、催化活性改造以及新功能酶的设计提出了更高的要求和全新的思路。定向进化、理性及半理性设计和新酶设计等是目前发展和应用较为成熟的酶改造设计技术。同时,机器学习也为拓展酶改造设计技术提供了新的可能。该文对经典的酶改造设计方法和机器学习指导的酶改造设计进行了概括,着眼于酶改造设计技术的发展及其应用,为合成生物学中关键酶的设计改造提供参考和依据。

生物催化甲醛生成L-木糖

在当今不可再生资源日益消耗的情形下,利用生物合成的技术,将甲醛转变成糖类,具有重要意义。该过程最重要的是找到一个合适的催化剂组合来实现甲醛的二聚反应。在最近的研究中,报道发现了一种乙醇醛合酶(Glycolaldehyde synthase,GALS)可以催化这一反应,将其与D-果糖-6磷酸醛缩酶(D-fructose-6-phosphate aldolase,FSA)组合使用,即“一锅酶”法,可以利用甲醛合成L-木糖,并且转化率可达64%。这一过程的实现也为合成其他糖的反应提供了参考。

一种高效的多点组合突变克隆构建方法（英文）

高质量的突变方法和高效的筛选方法相结合可以提高酶定向进化的效率。文中开发了一种高效的多点组合突变(Multi-points combinatorial mutagenesis,MCM)的克隆方法。MCM方法通过引入DNA组装、融合PCR和杂交技术,实现高效多点组合突变。应用优化后的方法定向进化改造苯甲酰甲酸脱羧酶(Benzoylformate decarboxylase,BFD)来测试MCM方法的效率。通过电转至大肠杆菌感受态Escherichia coli TreliefTM 5α所获得的单菌落数量(Colony-formingunits,CFUs)超过106 CFUs/μgDNA。经验证90/100单菌落精确组装;5个位点L109、L110、H281、Q282和A460同时组合突变的效率达到88%。最后,筛选到一种kcat/Km提高10倍的突变酶(L109Y、L110D、H281G、Q282V和A460M)。因此,应用该方法可以有效地创建突变体库,促进酶的定向进化技术的快速发展。

天津工业生物所在代谢工程改造大肠杆菌生产甲硫氨酸前体O-乙酰高丝氨酸方面取得新进展

L-甲硫氨酸是一种重要的含硫氨基酸,广泛应用于饲料,食品,医药以及化妆品等领域,年需求量超过200万吨。目前,甲硫氨酸主要通过化学合成的方法进行生产。随着能源和环境危机的日益严峻,利用环境友好的微生物发酵法合成L-甲硫氨酸的研究越来越受到关注。O-乙酰高丝氨酸(OAH)是L-甲硫氨酸合成的重要前体,能够在乙酰高丝氨酸巯解酶的作用下直接与甲硫醇反应生成L-甲硫氨酸。基于上述工艺路线,一种偶联发酵-酶转化的工艺路线已被开发应用于L-甲硫氨酸的工业生产中,并具有较高的产率。在该工艺中,通过发酵法合成OAH是制约L-甲硫氨酸生产和降低成本的关键因素之一。此外,OAH还可用于其他高附加值产品如丁内酯等的生产,是一种有前途的平台化学品。