化学品体外生物合成途径设计、元件组装和应用

随着合成生物技术的发展,体外生物合成逐渐成为化学品合成的重要方式之一,具有环境友好、催化效率高、原子经济性好、可控性强等优点。途径设计是构建整个体外生物合成系统的关键所在,本文分析总结了体外生物合成中应遵循的两个重要原则,包括原子经济性原则和能量最优原则。利用生物大分子将酶元件组装构建成多酶复合体,可提高体外生物合成的反应速率、减少副反应的发生,本文介绍了用于酶元件组装的3类常见生物大分子,包括连接肽、蛋白支架、DNA等。通过近年来体外生物合成在大宗化学品(糖类化学品、有机酸类化学品以及醇类化学品等)生产中的应用案例的介绍,展示了体外生物合成在化学品合成中的应用前景。随着体外生物合成设计能力的不断提高,体外生物合成的途径设计将朝着智能化、高效化发展,化学品体外生物合成的效率也将逐步提高,有望涵盖所有化学品的生物合成,成为未来化学品合成的主要方式之一。

二糖磷酸化酶及其在体外合成生物学中的应用

二糖磷酸化酶是以二糖为底物,催化磷酸向糖基转移,生成糖1-磷酸的一类酶。根据催化反应的立体化学过程可以分为保留型和翻转型,即供体底物二糖的异头构型可以在糖1-磷酸产物中保留或翻转。目前已发现的超过10种的二糖磷酸化酶均分布在糖苷水解酶和糖苷转移酶家族中。根据二糖磷酸化酶的功能设计体外生物合成体系,不仅可以用于制备高价值化学品,例如直链淀粉、肌醇、昆布二糖等,还可生产一些大宗产品,例如在氢能和酶燃料电池开发等方面已取得了进展。随着蛋白质工程的不断发展,对二糖磷酸化酶的研究越来越深入,相信未来二糖磷酸化酶将在体外生物合成平台扮演更重要的角色。

忆王义翘教授对生物炼制的贡献和我对此领域未来发展的观点

本文目的是回忆王义翘(Daniel I.C.Wang)教授对生物炼制领域的贡献,以及作者与王教授在该领域的交往、互动和激励,并且作者针对生物炼制领域几个问题提出个人观点。王教授大力地推动多学科交叉的研究创新,使生化工程正式发展成为化学工程的一个前沿分支。为面向重大需求,王教授一生中多次调整他的科研方向。基于粮食原料的第一代生物炼制工厂生产工艺已经十分成熟,但对粮食安全和环境有着负面影响,发展受限。因为当前石油价格下行,基于非粮生物质的第二代生物炼制工厂受到预处理和纤维素酶成本的限制,举步维艰,在经济上暂时还缺乏可行性。未来的新生物炼制工厂能够将非粮生物质(如秸秆)有效地转化为多个产品,如粮食和饲料、健康糖以及众多大宗生物产品(如燃料和材料)。多种新生化工程工具的发展和使用将有助于新生物精炼厂的实现,例如整合生物加工、新酶发现和利用、体外合成生物学(如多酶分子机器)、基因工程、合成生物学等。未来的新生物精炼厂将具有工业可放大性、经济可盈利性和环境可持续性的性质。种植多年生的非粮作物和未来生物炼制工厂相结合,将有可能帮助解决中国社会经济发展所面临的重大需求,如粮食安全、能源安全、大健康以及环境保护等。

体外多酶分子机器的现状和最新进展

体外多酶分子机器遵循所设计的多酶催化路径,将若干种纯化或部分纯化的酶元件进行合理的优化与适配,高效地在体外将特定的底物转化为目标化合物。体外多酶分子机器反应系统呈现元件化和模块化的特点,在设计、组装和调控方面具有较高的自由度。近年来,体外多酶分子机器在实现反应过程的精准调控和提高产品得率方面的优势逐渐体现,展示了其在生物制造领域重要的应用潜力。对体外多酶分子机器的相关研究已成为合成生物学的一个重要分支领域,日益受到广泛的关注。文中系统地综述了基于酶元件/模块的体外多酶分子机器的构建策略,以及改善该分子机器中酶元件/模块之间适配性的研究进展,并分析了该生物制造平台的发展前景与挑战。

无细胞多酶系统的模块化构建

无细胞多酶催化是绿色生物制造领域的新兴技术之一.该技术通过设计和构建新的多酶合成路线,使得一些从天然途径难以获得的化学品的生产成为可能,具有广阔的应用前景.尽管无细胞多酶系统的构建具有高度的灵活性和可调性,但如何实现人工系统中多酶反应的兼容性和协同性仍是目前多酶体系构建的难点.针对这一难题,模块化构建和优化无细胞多酶体系的策略近年来受到广泛关注.尽管该策略已被应用于实践,但人们对于模块化的概念仍存在不同的理解.本文通过功能性来定义多酶模块,一个模块通常指共同作用并执行特定功能的一组酶,且同一模块内部的酶与酶之间应具有紧密的互作关系.另外,多酶体系的模块化还发生在从分子到反应器等多个不同的水平.介绍了自然界中的多酶模块,包括途径水平和分子水平的多酶模块,并简要介绍了这些天然模块的特点和功能.途径水平的多酶模块主要指生物体中一些承担特定生理生化功能的多酶反应(如糖酵解、糖异生、柠檬酸循环等).分子水平的多酶模块则主要包括多酶复合物和模块化酶,重点介绍了丙酮酸脱氢酶复合体、纤维小体、嘌呤体和非核糖体多肽合成酶等典型的例子.本文还梳理了近年来模块化构建人工无细胞多酶体系的重要进展,并根据模块在反应路线中的功能,将其划分为主反应模块和辅助模块.主反应模块部分重点介绍了用于碳代谢、碳同化、蛋白质糖基化和非核糖体多肽合成等四类具有代表性的新型人工构建的主反应模块.辅助模块按功能分为能量平衡、多酶体系保护和催化功能强化三类,并介绍了相关的研究进展及其在多酶催化过程中的实际应用.讨论了在反应器水平上多酶催化过程的模块化,通过将多酶反应进行合理拆分或组合并分配在不同的反应器模块中,可以进一步优化多酶催化过程,提高反应效率.综上,天然多酶体系和人工多酶体系的例子均表明,模块化是构建和调控多酶催化过程的有力手段.从分子到反应器多个水平的模块化策略使人们能够多尺度地设计、组织、优化和调控多酶催化过程,将在生物制造领域发挥越来越重要的作用.

利用家蚕杆状病毒表达系统表达葡萄白藜芦醇芪合酶基因

通过提取葡萄幼叶总RNA,用RT-PCR的方法获得白藜芦醇芪合酶基因,并将其成功克隆到pFastBac HTA中,获得重组pFastBac HTA-STS载体,转化DH10Bac大肠杆菌感受态细胞,筛选获得重组Bacmid DNA后转染家蚕BmN细胞,进一步筛选获得重组杆状病毒,重组病毒接种家蚕蛹,工程蚕蛹匀浆后经初步纯化收获粗酶液,利用粗酶液对葡萄提取液进行转化,体外生物合成白藜芦醇,提取液中的白藜芦醇含量显示出明显的上升。该研究为体外生物合成白藜芦醇提供了新途径。