微生物发酵法合成虾青素的研究进展

虾青素是一种高附加值的抗氧化萜类物质,具有很强的抗氧化活性,同时还具有抗癌、预防炎症、护眼等诸多功效。随着合成生物学技术的不断发展,利用微生物发酵法合成虾青素是实现虾青素工业化生产最有效的途径之一,也更能满足消费者对天然化合物的需求。目前,生产虾青素的微生物包括细菌、真菌、藻类等。本文系统介绍了虾青素的结构性质和生产方法,重点讲述了虾青素天然合成以及外源构建的合成路径,总结了不同微生物如雨生红球藻、酵母和大肠杆菌生产虾青素的最新进展,分析了利用基因工程和发酵过程调控手段提高虾青素产量的方法。未来,通过代谢工程等手段(如虾青素合成基因过表达、使用高强度启动子、代谢途径优化等)可提高虾青素产量,以进一步增加虾青素在食品、医疗、化妆品和饲料等产业的应用。

微生物合成2,3-丁二醇的代谢工程

2,3-丁二醇(2,3-BD)是一种重要的微生物代谢产物,广泛应用于食品、医药、化工等多个领域。微生物合成2,3-BD的效率不高一直制约着其生物制造工业化进程,应用代谢工程的理论和方法优化微生物的代谢途径有望解决这一问题。本文全面总结了近年来微生物合成2,3-BD研究过程中的菌株改造和构建技术,包括过表达合成途径中的关键酶编码基因、敲除旁路代谢途径关键酶编码基因、应用辅因子工程手段对天然菌株代谢网络进行重新设计和合理改造,以及利用合成生物学技术在模式菌株中构建全新的代谢途径,实现2,3-BD的高效生物合成。最后,本文对未来的研究方向进行了展望,提出了进一步利用先进的合成生物学方法构建高效细胞工厂的指导性建议。

木质纤维素生物转化的技术研究和应用前景

随着工业化进程的发展,不可再生能源的消耗以及环境的污染问题是面临的严峻挑战。因此,可再生生物质资源的开发得到了广泛关注。木质纤维素是一种丰富的可再生生物质资源,可用于生物化学品和生物燃料的生产。然而,其复杂的结构阻碍了木质纤维素生物转化的最终效率。有效的预处理技术以及合适的转化宿主为木质纤维素的生物转化提供了帮助。此外,选择合适的木质纤维素转化工艺更有利于目标产物的合成,其中包括单独水解和发酵、同步糖化和发酵以及统合生物加工过程。在这些工艺中,通过统合生物加工过程构建的微生物共培养系统被认为是高效生产生物化学品和生物燃料的潜在策略。进一步,将共培养体系与合成生物学和代谢工程相结合,为未来构建高效稳定的木质纤维素生物转化体系提供了理论指导。

解脂耶氏酵母底盘细胞的工程改造及应用

基于性能卓越的微生物底盘细胞,开发高效的绿色生物制造技术,已经成为合成生物学领域的研究前沿。解脂耶氏酵母作为一种非常规产油酵母,由于其独特的生理生化特征,正迅速成为面向绿色生物制造的合成生物学研究领域的热门底盘细胞之一。近年来,围绕解脂耶氏酵母底盘细胞工程改造的研究与应用日益增多,促进了解脂耶氏酵母底盘细胞的进一步升级。本文总结了针对解脂耶氏酵母底盘细胞的工程改造策略及其在生物制造中的应用,从遗传改造技术及工具开发,基因的表达与调控策略等方面介绍各类合成生物学工具及技术在解脂耶氏酵母中的研究进展,并从底盘细胞合成高附加值产品的研究进展方面介绍了其工程改造效果。最后,对解脂耶氏酵母底盘细胞的应用前景和未来发展方向进行了展望。

微生物发酵合成灵菌红素的研究进展

灵菌红素是一种天然的红色三吡咯色素,主要源自于微生物的次级代谢过程,其具有抗菌、抗肿瘤等功能,在医药、环境、染料等领域具有广阔的应用前景。随着合成生物学技术的不断发展,利用微生物发酵法合成灵菌红素是实现灵菌红素工业化生产的有效途径之一。目前,生产灵菌红素的微生物主要以粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)为主。本文系统介绍了灵菌红素的结构性质和应用潜力,重点阐述了粘质沙雷氏菌中灵菌红素的合成路径,总结了通过高产菌株选育与改造、发酵工艺优化和转录因子调控等策略提高灵菌红素合成的最新研究进展,分析了不同提取纯化工艺的效率,并对未来灵菌红素的高效合成进行了展望,以进一步提高灵菌红素的工业化生产效率。

合成生物学改造酵母驱动丁二酸绿色生物制造

丁二酸是一种重要的C_(4)平台化合物,采用微生物以可再生生物质资源为原料制造丁二酸具有显著的优势,是当前国内外的研究热点。合成丁二酸的微生物主要包括细菌和酵母两大类,与细菌相比,虽然酵母的丁二酸生产得率低于细菌,但酵母对酸性等逆境的抗性更强,可以在低pH条件下合成丁二酸,不用添加中和剂,从而使丁二酸的下游纯化过程更简单、成本更低。本文综述了近年来利用酵母类微生物合成丁二酸的研究进展,重点介绍以酿酒酵母、解脂耶氏酵母和东方伊萨酵母为代表的酵母类生产菌株的合成生物学改造策略,在此基础上展望通过构建酵母细胞工厂绿色生物制造丁二酸的未来发展方向。

产琥珀酸大肠杆菌工程菌株的构建

大肠杆菌在厌氧条件及不额外添加电子受体的条件下可利用葡萄糖进行混合酸发酵,主要产物为甲酸、乙酸和乙醇,丁二酸及乳酸含量较低。为减少副产物的生成,使更多的代谢流流向丁二酸,本研究拟失活厌氧条件下甲酸、乙酸及乳酸主要生成途径相关的酶(乳酸脱氢酶和丙酮酸甲酸裂解酶)。借助Red重组系统和位点特异性重组技术,无痕敲除了野生大肠杆菌W3110染色体上编码2个酶的基因pfl和ldh,构建了1株pfl和ldh双突变重组菌JM130(7△pfl△ldh),并引入PYC前后对比实验表明:JM1307(pTrc99a-pyc)较出发菌株解除了生长抑制,在8g/L初糖条件下,发酵48h,菌体密度可提高至OD6002.5,产物主要为丁二酸(2.8g/L),乙酸含量很低,无甲酸、乳酸生成。

有氧生长调控策略对大肠杆菌工程菌厌氧发酵生产丁二酸的影响

研究了调控工程菌有氧生长的葡萄糖补料策略对既得细胞厌氧发酵的影响。通过摇瓶分批厌氧发酵筛选出最佳转厌氧时机,为菌体以比生长速率0.07h-1生长至OD600=30,此时发酵罐上转厌氧发酵得到丁二酸浓度94.2g/L,生产能力1.76g(/L.h),葡萄糖收率105%。

代谢工程改造酵母生产多不饱和脂肪酸的研究进展

多不饱和脂肪酸因其在食品和医药领域的广泛作用而得到人们极大的关注,当前利用微生物发酵生产多不饱和脂肪酸具有诸多优点,由于酵母生产迅速且生物量较高,利用酵母生产多不饱和脂肪酸已成为人们关注的热点。本文综述了代谢工程改造酵母生产多不饱和脂肪酸的研究进展,以常规酵母-酿酒酵母和非常规酵母-解脂耶氏酵母为例,介绍了酵母菌中多不饱和脂肪酸的代谢途径、酵母产油脂的生化机制、代谢工程改造酵母产多不饱和脂肪酸以及不饱和脂肪酸积累对酵母耐受性的影响。以后研究工作的重点是进一步加强对酵母生产多不饱和脂肪酸的机理研究,并以此为来指导代谢工程改造酵母生产多不饱和脂肪酸。

材料介导细胞固定化技术在生物发酵中的应用

细胞固定化技术具有高效、反应操作简便、能长时间保持细胞活力且可反复利用、稳定性好、耐受性强等优点,在生物发酵等领域显示出巨大的应用潜力。本文介绍了近年来高分子载体材料、无机载体材料和复合载体材料的细胞固定化技术在生物发酵领域的研究进展,分析了不同材料介导固定化细胞在复杂的环境,如低或高pH、毒性底物和高浓度产物等条件下与游离细胞生长代谢性能差异;并阐述了新型高分子膜材料(中空纤维膜和微米/纳米纤维膜)作为载体在生物发酵中的优势和应用;最后展望了通过设计新型优良聚合物载体来实现人工混菌体系在生物发酵中的可控性和鲁棒性。材料作为生物与非生物中物质界面上的活性和可调成分,为细胞提供了适宜的微环境,在生物发酵领域将得到更广泛应用。

厨余垃圾厌氧消化合成高附加值化学品的研究进展

厨余垃圾在生活垃圾中占比巨大,已对食品安全、自然资源可持续利用和环境造成了不利影响,故亟须实现厨余垃圾的有效处理及利用。目前处理厨余垃圾最常用的方式主要包括填埋与焚烧,但存在易产生二次污染、耗能大等问题,阻碍了其大规模应用。厨余垃圾具有有机质含量高的特性,通过生物炼制合成高附加值化学品(如有机酸等),不仅可实现产品的清洁生产,也可提高厨余垃圾的经济价值。本文首先概括了国内外厨余垃圾的处理现状及处理方法,其中厌氧消化法可清洁生产高附加值产品,展示出巨大的研究潜力。因此,对厌氧消化厨余垃圾合成化学品进展进行详细综述,最后对构建人工混菌培养体系和生物膜调控在厨余垃圾生物制造领域的应用提出了展望。

紫色杆菌素基因工程菌的构建与生产途径调控机制的研究进展

紫色杆菌素是微生物以色氨酸分子为前体物质氧化缩合得到的一种非水溶性次级代谢产物,不仅可用做染色剂,还具有抗肿瘤、抗菌、抗病毒及抗氧化等生物活性。目前,虽然Chromobacterium violaceum、Janthinobacterium lividum和Pseudoalteromonas luteoviolacea等被证实具有紫色杆菌素合成能力,由于紫色杆菌素合成机制复杂,涉及多酶级联反应,而且野生型菌株易形成无色突变体,导致紫色杆菌素产量不高,因此现阶段主要采取合成生物学和代谢工程手段在微生物宿主中进行异源生产。本文从紫色杆菌素合成基因簇的多样性、基因工程菌的构建以及工程菌生产途径的调控机制三方面具体介绍紫色杆菌素生产菌的构建及生产途径调控方面的研究进展,以期从微生物资源及基因来源等方面改善微生物菌株的紫色杆菌素生产能力,提出进行途径工程的调控策略,为实现紫色杆菌素产量规模化提供思路。

自吸式反应器特性参数的实验研究

自吸式反应器是一种新型高效的生化反应器,结构简单、能耗小、混合传质性能良好、便于操作。设计、制作了自吸式反应器实验装置及整个实验流程。以空气-水为体系,研究了不同条件对自吸式反应器吸气性能的影响,结果表明,结构参数、操作参数对临界转速、吸气速率、气含率和功率消耗有重要影响,并对反应器特性参数进行了量纲一分析,通过STATISTICA软件对实验数据进行了拟合,得到了经验关系式。通过实验结果与拟合结果的分析,二者吻合较好,为此类反应器设计和放大提供了参考。

水热碳化反应条件对淀粉碳化材料性能的影响

通过水热碳化反应合成了尺寸均一的球状碳化材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、热分析仪及N2吸附-脱附的方法研究合成条件对碳化材料形态、表面官能团及热解行为的影响。结果表明:水热合成的温度和时间是影响这些性质的重要条件。碳化球的形貌随着水热合成温度上升和时间延长而变得更加规整。表面官能团的数量却随着合成温度上升和时间延长而逐渐减少。另外温度的升高和时间的延长最终导致了碳化材料孔结构的产生。最后基于实验结果提出碳化球形成的奥斯特瓦尔德熟化机制。

微生物发酵产赤霉素的研究进展

赤霉素为植物五大激素之一,对植物生长具有多种生理作用,如调控植物的茎干延长、种子发芽、打破种子休眠、诱导开花等。目前赤霉素已经广泛应用于农业、林业、酿造业等,具有很大经济效益和市场前景。赤霉素的工业化生产主要通过藤仓赤霉液体发酵。尽管赤霉素具有多样性的应用及巨大的经济效益,但高生产成本严重制约其广泛的应用。本文首先介绍了赤霉素的生物合成途径以及赤霉素合成基因表达的调控机制,随后重点总结了赤霉素发酵过程的菌种、营养因素、发酵参数、发酵工艺以及下游分离提纯工艺等研究进展。同时指出未来的研究重点在于利用新型的诱变方法与分子生物学方法选育高产菌株以及发酵工艺的革新,以提高赤霉素的产量,降低发酵成本,促进赤霉素的大规模应用。

工业发酵中泡沫控制方法探讨

分析了工业发酵过程中泡沫产生的原因,介绍了化学消泡和机械消泡的作用机理,对常用的化学消泡剂以及不同结构机械消泡装置的消泡效果进行了评价。并在发酵液成分和操作工艺条件方面提出了泡沫控制措施,为工业生产中泡沫的消除提供了参考。

金属离子对产油微生物油脂积累影响的研究进展

利用产油微生物合成含量丰富的油脂,对于解决石化能源日益紧缺问题,改善人类生活水平具有重要意义。金属离子能影响产油微生物生长形态、细胞内外渗透压和油脂合成关键酶活力等,对产油微生物油脂合成有重要的调控作用。本文首先介绍了产油微生物的产油机制,随后重点阐述了金属离子对产油微生物油脂积累的影响及其分子机理,最后对进一步探讨金属离子在产油微生物发酵过程中的作用研究提出一些建议。文章指出由于产油微生物油脂合成途径不尽相同,在工业上利用产油微生物生产油脂时,应从该微生物油脂合成的主要途径入手,找出该途径中的关键酶,随后充分考虑不同微生物对金属离子的耐受性、不同金属离子对微生物形态和胞内关键酶活力的影响,以及不同金属离子之间对同种关键酶的活性中心是否存在竞争或协同的关系等,从而制定可行的金属离子添加控制策略。

微生物油脂中花生四烯酸含量的准确快速测定

建立了快速、准确测定微生物油脂中花生四烯酸（ ARA）含量的气相色谱检测方法。选用DB 23毛细管色谱柱，设置合适的载气压力，采用FID检测器，对ARA含量进行了定量分析。测定结果表明：油脂中各脂肪酸组分可有效分离，分析时间仅需 min，ARA的回收率为.146％～100.634％，相对标准偏差为.175％。

发酵法生产丁二酸的化学合成培养基的筛选

以产琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenes NJ113为出发菌株,针对该菌株筛选出含有关键生长因子的化学合成培养基,其关键因子为谷氨酸(Glu)、蛋氨酸(Met)和生物素(V H)和烟酸(V PP)。结合原发酵培养基中的磷酸缓冲盐成分,最终得到的化学合成培养基配方(g/L):CH3COONa 1.36,NaCl 1.0,MgCl20.2,CaCl20.2,Na2HPO40.31,NaH2PO41.6,KH2PO43,NH4HCO31.57,Glu 0.87,Met 0.11,V H0.010,V PP0.025。在3 L发酵罐上进行验证实验,50 g/L初始葡萄糖发酵70 h,丁二酸的质量浓度为45.2 g/L,丁二酸收率达到90.4%。与之前的半合成培养基发酵制备丁二酸相比,丁二酸的收率提高了25.2%,副产物也有很大幅度的减少。

微生物发酵法产脱落酸的研究进展

脱落酸是一种以异戊二烯为基本单位的酸性倍半萜类物质,是一种重要的植物激素,在调节植物生长代谢、抵抗农业自然灾害、增加农作物产量等诸多方面发挥着重要的作用,具有非常广阔的应用前景。本文介绍了天然脱落酸的生物合成途径,并从发酵菌株、发酵底物、发酵工艺、分离提取等方面阐述了微生物发酵产脱落酸的研究进展。同时讨论了天然脱落酸发酵过程中存在的问题,如初始菌株产量低、发酵周期长、发酵工艺不稳定、产物提取效率低等,因此本文在此基础上指出,筛选优良性状的生产菌株、进一步研究脱落酸生物合成途径中关键酶的酶学性质以及进一步开发脱落酸的先进发酵与分离提取工艺是今后研究的重点方向。