文库构建与基因簇靶向筛选驱动的微生物天然产物高效发现

微生物天然产物作为小分子药物的主要来源,已被广泛应用于医药与农业等领域。随着全球抗生素耐药性与其他公共健康问题的加剧,新结构、新靶点微生物天然产物发现迫在眉睫。大规模(宏)基因组测序揭示微生物蕴含了巨大的生物合成潜力,相继催生了多种不同类型的天然产物挖掘策略。然而,目前仍然缺乏将天然产物合成基因簇与编码产物快速关联的高效方案。近年来,(宏)基因组文库构建在获取批量天然产物合成基因簇方面展现出明显优势,结合高效的基因簇靶向筛选方法,显著加速了新结构天然产物系统发现。本文综述了三类基于(宏)基因组文库构建与靶向筛选驱动天然产物创新发现的策略,主要从克隆载体类型、文库构建方式、基因簇靶向筛选方法等角度进行了阐述,并对Cosmid/Fosmid文库、BAC/PAC文库、FAC/YAC文库等不同文库类型的优缺点及应用范围进行了对比,最后对这些策略的发展前景进行了展望。未来,基于文库构建与基因簇靶向筛选策略将极大驱动不同生境微生物来源的活性天然产物挖掘,预期大量新靶点、新结构天然产物将不断涌现。

植物激素水杨酸在微生物中的功能与作用机制

水杨酸是一种重要的植物激素,参与植物的生长、发育和防御反应。最近研究表明,水杨酸及其衍生物阿司匹林对环境微生物、肠道微生物和病原微生物也具有生物学功能。本文系统综述了水杨酸对多种微生物的影响,包括抑制某些微生物的生长和复制、影响微生物的代谢及毒力因子的表达、提高微生物对部分抗生素的敏感性、诱导某些微生物内在的多重抗生素耐药表型;同时对水杨酸的这些生物学功能背后的分子机制进行了探讨。这些研究结果有助于我们全面认识水杨酸的生物学功能,为更深入的研究提供理论指导。

UPLC-Q-TOFMS／MS联用技术分析大鼠肠道微生物体外对小檗碱的代谢产物

采用大鼠肠道微生物和小檗碱进行体外厌氧共培养,并利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间串联质谱联用仪(UPLC-Q-TOFMS/MS)分析小檗碱的代谢产物,探讨大鼠肠道微生物对小檗碱的生物转化过程.采用UPLC的方法,有效分离得到小檗碱及其代谢产物,再采用串联质谱对代谢产物进行结构解析及鉴定.研究结果发现,在体外条件下,大鼠肠道微生物通过脱甲基、脱羟基、去亚甲基等反应将小檗碱转化为小檗红碱,药根碱等5种代谢产物.

我国生防微生物代谢产物研发应用进展与展望

微生物代谢产物农药(microbial metabolite pesticide,简称MMP)是以微生物发酵产生的代谢产物为活性成分,用于防治病虫草鼠等有害生物或促进植物生长发育的生物农药。MMP主要包括农用抗生素、微生物源植物免疫诱抗剂和微生物源植物生长调节剂,是我国应用面积最广的生物农药。部分微生物代谢产物农药兼具预防与治疗效果,是未来绿色农药研发的一个重要方向。本文总结了我国研发和应用的主要代谢产物农药种类、特点和最新研究进展,分析了我国代谢产物农药研发过程中存在的问题和挑战,为新型代谢产物农药的研发与应用提供参考。

校园湖水藻类多样性检测——以上海交通大学思源湖为例

藻类是地球上最重要的初级生产者,它们对维持水环境的生态平衡起着重要作用。本研究对上海交通大学闵行校区内人工湖——思源湖水体检测发现,水样中共含有 25 种淡水藻,分属硅藻门、黄藻门、裸藻门、绿藻门、 蓝藻门、 金藻门 6 个门。 以编码微囊藻毒素合成酶基因 mcy 作为分子标记, 通过聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction, PCR)检测产毒微囊藻,从而检测水体中潜在的微囊藻毒素。研究结果显示:交大思源湖水体为轻中度污染,水体中发现微囊藻,但水体中的微囊藻未非产毒微囊藻。本研究为上海交大校园湖水的检测与治理提供依据。

2015年中国微生物遗传学研究领域若干重要进展

中国微生物遗传学研究在2015年取得了重要进展。本文回顾了2015年度中国本土科研团队在微生物遗传学领域取得的若干重要科研进展,扼要介绍了若干重点论文,展示了中国科学家在本领域的学术贡献。在基础微生物遗传学领域,明确了调控基因表达的一系列重要生物大分子的组成、结构和功能,解析了微生物免疫系统识别外源核酸片段的分子基础,阐明了多个微生物来源重要活性物质的生物合成途径及新颖的酶学反应过程,发现了微生物基因表达调控的新机理,在微生物发育、进化与群体行为生物学方面也取得一定进展。在工业微生物遗传学方面,阐明了微生物制造及其分子基础。在病原微生物遗传学方面,研究了多个致病菌的遗传调控,明晰了致病菌?宿主相互作用的遗传机制,在基因组水平解析了微生物耐药、新发病原和环境微生物的遗传机理,为致病菌防控新措施的研发提供了基础。在微生物多样性与环境微生物遗传学方面,展示了利用微生物遗传多样性的特点通过催化获得特定手性的化合物具有较好应用前景,肠道微生物组学研究方兴未艾。

微生物药物产生菌功能基因组学研究进展

微生物药物是一类化学结构和生物活性多样的次级代谢产物,近年来其多个产生菌基因组序列已经被测定完成,在此基础上开展的功能基因组研究方兴未艾,并在抗生素生物合成、形态分化、调控、系统发育与进化以及次级代谢产物挖掘等方面有着新的发现,展现出广阔的研究前景。本文重点阐述了四种重要抗生素产生菌功能基因组学的研究现状,集中于青霉素高产的遗传机制、红霉素产生菌红色糖多孢菌基因组与转录组分析、链霉素产生菌灰色链霉菌中A因子调控网络、阿维菌素产生菌作为次级代谢物异源表达的通用宿主与超高产菌株构建以及新型天然产物的挖掘等研究内容,同时简要介绍了当前我国微生物药物产生菌基因组学的研究概况,并从基础与应用两个角度对其未来发展趋势进行了展望。

微生物源农药申嗪霉素的研制与应用

申嗪霉素是中国自主研发的一种新型微生物源农药,具有高效、安全、广谱等特点,其主要成分是甜瓜根际促生菌M18产生的次级代谢产物吩嗪-1-羧酸。文章重点就申嗪霉素产生菌M18的分离及其代谢产物的鉴定、申嗪霉素生物合成及调控机理最新研究进展、申嗪霉素高产工程菌株的构建和产业化、以及申嗪霉素大田防病试验结果及推广应用情况等进行详细综述,并对其抗菌作用机理进行探讨,旨在为申嗪霉素的生物合成机理研究、遗传和代谢改造以及推广应用提供参考。

人工合成微生物组的构建与应用

近年来,随着微生物组学、计算生物学、合成生物学等研究的迅猛发展,人工构建高效稳定的人工菌群逐渐成为研究热点,从而衍生出新的研究领域,被称为合成微生物组。合成微生物组的研究,是通过对不同的微生物菌株进行整合,高效、稳定、安全地处理更复杂的任务,完成单一菌株无法完成的目标,从而满足更广泛的需要。本文简述了构建合成微生物组需要遵循的基本原则、四种策略,回答如何构建微生物组的问题,介绍了"自下而上"和"自上而下"两种构建合成微生物组的方法,回顾了合成微生物组在工业生产和环境修复领域的具体应用,例如生物能源、化工产品、生物医药的合成,以及石油、石油衍生物、农药等污染物的生物修复,为微生物技术的实际应用开拓了新的方向。最后,通过综合分析表明,挖掘代谢信息明确的合成微生物组底盘菌株并加以遗传改造,使其适应更复杂的环境,将是未来的研究重点。

微生物胞外多糖黄原胶的应用与研究进展

黄原胶是由植物病原菌野油菜黄单胞菌产生的一种天然胞外多糖,其结构为重复单元聚合而成的多聚体,单元结构中包含了D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡糖醛酸基团以及O-乙酰和丙酮酸基团。黄原胶具有优良的流变特性,作为增稠剂和稳定剂等被广泛用于食品、药品和化妆品等多个行业。本文主要综述了黄原胶的结构、性质、应用、生物合成、生物合成调控和工业生产条件,为黄原胶的后续研究提供理论基础.

微生物卤化酶及其应用研究进展

由于卤素原子具有强大的电负性,它的存在可以改变化合物的物理化学性质和生物活性。尽管我们可以通过化学反应合成卤化物,但能量消耗大,易对环境造成污染。许多天然化合物含有卤素原子,自然界演化出多种卤化酶来负责这些化合物的卤化。本文综述了目前发现的各种卤化酶及其特征以及催化机理,简介了如何通过人工改造拓宽卤化酶的催化底物和提高其热稳定性两方面的研究进展,为进一步促进卤化酶在工业催化方面的应用提供理论依据。

苄基异喹啉类生物碱的微生物合成研究进展及挑战

微生物发酵是一种经济高效、可持续的生产方式,可替代植物种植和化学合成来生产多种植物来源的药物。苄基异喹啉类生物碱作为植物来源生物碱的典型代表,具有多种重要的生理活性,已成为极具吸引力的微生物合成研究的靶标分子。随着该类生物碱天然生物合成途径逐渐被阐明以及多种酶学元件的发现,使得通过大肠杆菌和酿酒酵母等微生物宿主合成苄基异喹啉类生物碱的研究取得了重大进展。本综述着重介绍了这些进展中的突破性成果,包括苄基异喹啉类生物碱微生物合成过程中瓶颈反应的突破以及合成途径中相关酶的催化特性对代谢流的影响等,指出了微生物生产苄基异喹啉类生物碱走向工业化应用所面临的挑战,以及酶工程和新人工微生物合成途径的设计开发对克服这些挑战的重要性。

药物合成生物学:药物研究的机遇与实践

数千年来,大自然一直是人类药物的重要来源。从天然资源中提取活性物质并应用于疾病治疗的历史源远流长。在我国,医学典籍《五十二病方》、《神农本草经》以及《本草纲目》等中都有大量关于动植物用药的记载。直到19世纪末,几乎所有的药物都来源于天然资源。此后,科学家们开始探究天然药物中真正发挥药效的活性成分,逐渐进入了以发现和分离鉴定为主的经典天然产物研究阶段。这个阶段发现了一系列重要的活性天然药物,如吗啡、奎宁、麻黄碱等,并将其推向市场,开启了人类利用天然产物类似物(或衍生物)作为药物的时代。

微生物药物的合成生物学研究进展

微生物天然产物一直都是新型生物药物创新的主要源泉,是目前开发临床抗菌、抗肿瘤、免疫抑制剂等药物的重要资源。随着临床耐药菌的日益增多,新型病原菌和病毒的不断出现,以及新骨架天然产物挖掘难度的增加,新型微生物药物的开发正面临着巨大挑战。作为21世纪生命医学领域催动原创突破和学科交叉融合的前沿学科,合成生物学的崛起为解决药物研发困境提供了新的思路和方法,它可以突破天然药物发现的瓶颈,设计新的生物合成途径,产生更多天然药物及类似物。本文综述了近五年来合成生物学在微生物药物研究领域的技术革新,及其在氨基糖苷类抗生素、核苷类抗生素、核糖体肽、萜类以及聚酮类化合物等5大类微生物天然药物的发掘、生物合成以及新结构创制等方面的应用。

湖羊瘤胃微生物葡聚糖酶基因IDSGluc5-31的克隆、表达与性质研究

β-葡聚糖酶是一类催化β-葡聚糖降解成为纤维寡糖的糖苷水解酶,其作为饲用酶制剂在畜牧生产中具有重要应用价值。本研究旨在从前期采用宏转录学技术获取的碳水化合物活性酶序列中挖掘新型葡聚糖酶基因。从瘤胃微生物cDNA中扩增获得新型葡聚糖酶基因IDSGluc5-31,并构建相应的大肠杆菌工程菌。重组工程菌BL21/pET28a/IDSGluc5-31经1 mmol/L IPTG,16℃诱导表达16 h后,收集菌体、破碎后进行亲和层析,纯化的IDSGLUC5-31用于酶学性质分析。结果表明:IDSGLUC5-31的理论分子量和等电点分别为46.6 ku和4.89,呈现GH5家族典型的(β/α)_(8)桶状催化结构域。重组IDSGLUC5-31的最适反应温度和pH分别为40℃和6.0,在40℃以下或pH 5.0~7.0较为稳定,对0.1~10 mmol/L Na^(+)、0.1~1 mmol/L Ca^(2+)或Mg^(2+)表现较强耐受能力。IDSGLUC5-31能高效催化大麦葡聚糖和苔藓地衣多糖,Vmax分别为508.7、240.1μmol/(min·mg)。处理20 h后,大麦葡聚糖和苔藓地衣多糖的水解产物均为纤维三糖(产量为0.94、0.87 mg/mL)和纤维四糖(产量为0.56、0.23 mg/mL),提示IDSGLUC5-31是一种内切β-葡聚糖酶。综上,本研究获取并表征了一种来自瘤胃未培养微生物的葡聚糖酶IDSGLUC5-31,为研发新型饲用酶制剂和功能性寡糖提供参考。

微生物组与人体健康研究策略及方法

当今世界的绝大多数国家正面临着严重的慢性疾病爆发和流行,其中与饮食习惯和生活方式相关的慢性疾病尤其严峻[1]。在2015年之前,我国政府在心脏病、卒中和糖尿病上的财政支出就高达5 580亿美元[2]。流行病学数据表明,实际上有90%以上的慢性疾病可以被预防[3]。

东北农田黑土固碳微生物研究进展

我国东北黑土地正在面临着不断退化的危机。碳循环是保障农田肥力和生产力的关键所在。作为土壤碳循环的驱动者,微生物在调节土壤碳平衡中发挥着重要作用。本文概述了黑土的分布、基本特征及退化的核心问题。首先综述了东北农田黑土固碳微生物的转化途径及群落组成。固碳微生物通过已发现的6种固碳途径进行碳固定,采用固碳功能基因cbbL,基于高通量测序技术发现东北农田黑土固碳微生物主要为变形菌门和蓝细菌门。其次,论述了耕作制度、施肥、秸秆还田和冻融对黑土微生物固碳的影响。最后,从提高作物产量、减少农业面源污染、降低温室气体排放等方面分析了固碳微生物对农业及生态环境的贡献。黑土固碳微生物对于黑土养分恢复和作物产量的提升具有不可或缺的作用,但相关研究比较薄弱,因此应深入挖掘黑土固碳微生物资源,利用学科交叉融合揭示固碳微生物的生态过程与功能结构变化,构建基于微生物碳循环的黑土管理措施,以加强黑土地的保护与利用。

假单胞菌代谢产物藤黄绿菌素化学结构、生物合成途径、调控机制及应用研究进展

藤黄绿菌素(pyoluteorin,Plt)是假单胞菌产生的次级代谢产物,具有广谱抑菌活性。本文系统介绍了Plt产生菌、化学结构、生物合成途径及其调控机制等方面的研究进展。在此基础上,总结了构建高产Plt工程菌株的策略和成果。最后,展望了Plt成为新型代谢产物农药的潜力和未来的研究方向。

红酵母基因组和代谢工程改造研究进展

红酵母是一类产红色素酵母的总称,广泛分布于土壤、海洋、江河、湖泊等各种生态环境。很多红酵母菌株具有生产多糖、油脂、类胡萝卜素等活性物质的能力,在养殖、食品、医药和化妆品等领域具有很大的应用潜力。近年来对红酵母的研究逐渐深入,对不同红酵母的基因组序列和代谢关键酶进行了研究,扩展了对这类重要酵母的深入认识。此外,对红酵母的基因组编辑和代谢工程改造也取得了进展,为提高其工业应用效率奠定了基础。本文综述了红酵母的生物技术应用,以及红酵母基因组分析和代谢工程改造相关的研究进展,为未来更深入理解红酵母的生理代谢和利用红酵母转化可再生生物质资源,进行可持续生产提供基础。

卡西霉素生物合成途径中抗性基因calT的功能

目的研究卡西霉素产生菌教酒链霉菌NRRL 3882中编码MmpL家族同源蛋白的抗性基因calT的功能。方法利用λ-RED同源重组方法构建calT基因敲除质粒,通过接合转移和同源重组的方法得到双交换的calT基因敲除的突变株。通过HPLC分析突变株的代谢产物,并对突变株及野生菌株的细胞内及细胞外卡西霉素的分布进行分析。结果突变株GLX30(ΔcalT)中卡西霉素的产量与野生菌株相比显著降低,且胞内卡西霉素的占比与野生菌株相比增加约3倍,说明calT与卡西霉素的转运功能相关。结论CalT为转运蛋白,负责将卡西霉素转运至胞外以实现教酒链霉菌对卡西霉素的抗性。