体外合成生物学:无细胞蛋白合成系统研究进展

合成生物学是近年来融合生物、化学和工程等学科的新兴交叉研究领域,推动人类由理解生命到创造生命的革新.体外合成生物学不依赖生命体,在试管等媒介中研究生命活动和规律,是合成生物学重要的前沿领域.作为体外合成生物学最重要的研究平台,无细胞蛋白合成系统利用外源DNA或mRNA直接在体外合成目标蛋白质,不依赖于细胞结构,突破传统生物方法的局限,具有简便、快速、可控性强和绿色经济等优点,同时为理解生命进化和人工创造生命系统提供了重要的研究模型.本文综述了无细胞蛋白合成系统的发展历程、组成、类型、优势等,并对其在高通量蛋白质和药物合成方面的应用进行了总结.

细菌小RNA的调控及在代谢工程中的应用

细菌代谢工程需要优化基因的表达来平衡代谢物通量分布和减少有毒的中间体积累,从而提高产物生物合成。细菌小RNA(small RNA,sRNAs)与靶标mRNA通过碱基互补配对结合来抑制或激活其靶标基因的表达。sRNA在细菌的生理过程中都起到了至关重要的调控作用,因此被认为是细菌代谢工程中调节靶标基因表达的有力工具。近年来,越来越多的人工合成sRNA在细菌代谢工程中得到应用,分别就细菌sRNA的靶标识别和其对靶标的调控及代谢工程中的应用做了总结概括。

生物法转化甘油生产1,3-二羟基丙酮的研究进展

1,3-二羟基丙酮(DHA)是一种重要的化工医药中间体,广泛应用于化妆品、医药和食品等领域,开展提高DHA生产效能的研究对于工业生产具有指导意义。甘油生物转化生产DHA是目前主要的工业生产方法,但存在菌株转化效能有待提高、底物和产物抑制、溶氧限制等问题。本文概述了DHA的生物合成途径、菌株改良策略、生产工艺及分离提取等方面的研究进展,指出利用代谢工程技术改造菌种、优化生产工艺、简化分离提纯方法是今后的研究方向。

CRISPR/Cas9系统研究进展

CRISPR/Cas9系统的发展彻底改变了人们编辑DNA序列和调控目标基因表达水平的能力,从而为生物体的精确基因组编辑提供了有力的工具。简化后的CRISPR/Cas9系统由两部分组成:Cas9蛋白和sgRNA。其作用原理为sgRNA通过自身的Cas9把手与Cas9蛋白形成Cas9-sgRNA复合体,Cas9-sgRNA复合体中sgRNA的碱基互补配对区序列与目标基因的靶序列通过碱基互补配对原则进行配对结合,Cas9利用自身的核酸内切酶活性对目标DNA序列进行切割。与传统的基因组编辑技术相比,CRISPR/Cas9系统具有几大明显的优势:易用性、简便性、低成本、可编程性以及可同时编辑多个基因。CRISPR/Cas9基因组编辑技术以及衍生出来的CRISPRi和CRISPRa基因表达调控技术已经广泛应用于多种真核和原核生物中。综述了CRISPR/Cas9系统的起源、作用机理、在生物体中的应用和其衍生出的技术,并概述了其脱靶效应和未来前景。

工程大肠杆菌合成游离脂肪酸的研究进展

游离脂肪酸作为一种重要的平台化合物,其衍生产品被广泛应用到能源、化学工业中。作为更加可持续、绿色的生产策略,利用工程微生物合成游离脂肪酸是以石油基和动植物为原料生产脂肪酸类产品的重要补充。大肠杆菌作为经典的模式微生物,通过对其进行代谢工程改造,脂肪酸的积累已经从痕量提高到了约9g/L,展示了其作为脂肪酸合成菌株的巨大应用潜力。随着合成生物学技术的涌现,"感应-调控器"、体外重构、β氧化逆循环、异源合成途径的整合等思路的引入极大地加快了工程大肠杆菌脂肪酸合成的进化速率,并赋予大肠杆菌合成多种脂肪酸产品的能力。对近年来通过代谢工程和合成生物学手段改造大肠杆菌合成游离脂肪酸的研究进展进行综述,对其发展前景进行展望。

革兰氏阳性菌非编码小RNA的研究进展

sRNA(非编码小RNA)通过碱基配对的方式与靶mRNA结合,抑制或激活转录过程、调节蛋白质的表达,以核酸的形式发挥其生物学功能。随着RNA深度测序(RNAseq)技术、生物信息学预测以及实验分析手段的日渐发展和完善,数以百计的sRNA被发现并得到验证。作为转录后调控因子,sRNA因在诸多生理过程中起到了关键的调节作用而得到了广泛的关注。以革兰氏阳性菌为切入点,总结了近年来sRNA的筛选、鉴定和功能研究等方面取得的进展,梳理分析了sRNA调控与毒力因子、群体感应、铁代谢和双组分系统等之间的内在联系,并展望了sRNA未来的研究方向。

金属离子对细胞自噬的诱导作用

自噬是真核生物普遍存在的重要生理过程,通过溶酶体降解错误折叠的蛋白质、异常的细胞器从而循环利用自身内含物。细胞自噬广泛参与多种病理和生理过程,是当前生物医学领域研究的热点之一。自噬的分子机制能够揭示自噬本质,不仅有利于理解自噬的生理意义,也有利于寻找新的药物靶点,为治疗疾病提供理论基础。金属离子能通过不同的信号通路诱导自噬,其研究对药物开发和疾病治疗具有重要的意义。主要从自噬的分子机制、金属离子的诱导作用两方面进行阐述。

谷胱甘肽对VC一步发酵作用的研究

谷胱甘肽(GSH)能有效促进酮古龙酸杆菌的生长。就GSH对氧化葡萄糖酸杆菌和酮古龙酸杆菌一步混菌发酵的作用进行了探索,为进一步阐明维生素C一步发酵过程中氧化葡萄糖酸杆菌和酮古龙酸杆菌的关系并提供发酵工艺优化的依据。研究发现,在5L的发酵罐中,外加1mg/ml的GSH对混菌的发酵有着显著的促进作用,2-酮-L-古龙酸(2-KGA)产量提高了22.8%。通过16S r DNA荧光定量PCR法测菌数,发现GSH的添加使酮古龙酸杆菌的生长提高到148%,但抑制氧化葡萄糖酸杆菌的生长,使其生物量下降到61%。运用代谢组学方法分析发现,GSH能促进酮古龙酸杆菌的磷酸戊糖、三羧酸循环、硫酸盐等代谢,同时减缓氧化葡萄糖酸杆菌对L-山梨糖的消耗,以促进整个混菌体系的发酵效率。

分枝杆菌细胞裂解液催化甾体激素C_(1,2)位脱氢反应的研究

9β,11β-环氧-17α,21-二羟基-16β-甲基孕-1,4-二烯-3,20-二酮(Ⅳ)是生产9-氟甾体激素的关键前体,以9β,11β-环氧-17α,21-二羟基-16β-甲基孕-4-烯-3,20-二酮-21-醋酸酯(Ⅰ)为底物合成Ⅳ是工业化生产Ⅳ的重要方法。通过比较分枝杆菌全细胞转化法与细胞裂解液转化法,发现分枝杆菌全细胞只能将Ⅰ转化为9β,11β-环氧-17α,21-二羟基-16β-甲基孕-4-烯-3,20-二酮(Ⅱ),而细胞裂解液可以有效地将Ⅰ转化为Ⅳ,其反应机制为底物Ⅰ自发水解为中间体Ⅱ,Ⅱ在C_(1,2)位脱氢酶(KSTD)的催化作用下发生C_(1,2)位脱氢反应生成产物Ⅳ。为进一步提高产物Ⅳ的转化率,利用基因工程手段在分枝杆菌中分别过表达编码KSTD的关键基因:kst D、kst D3和kstD_M,提高脱氢反应效率,结果表明1 g/L底物Ⅰ在pH7.0的重组菌株MS136-kst D_M细胞裂解液中反应45h,Ⅳ的转化率为78.4%,比出发菌株提高了38.9%;并优化缓冲液pH,提高反应速率,结果表明1 g/L底物Ⅰ在pH7.5的重组菌株MS136-kstD_M细胞裂解液中反应45 h,Ⅳ的转化率为92.8%,比出发菌株提高了63.4%。

革兰氏阳性菌脂蛋白的研究进展

细菌脂蛋白是细胞膜的重要组成部分,对细菌发挥各种生理活性起重要作用,与营养摄取、环境感知、细胞膜和细胞壁稳态的维持、蛋白质的折叠和定位等过程密切相关。随着生物技术不断发展和完善,越来越多的脂蛋白种类及功能被发现。综述了革兰氏阳性菌中脂蛋白的功能、生物合成过程和应用方面的研究进展,重点介绍了脂蛋白生物合成过程中关键酶磷脂酰甘油转移酶（Lipoprotein diacylglyceryl transferase,Lgt）和脂蛋白信号肽酶（Lipoprotein signal peptidase II,LspA）对革兰氏阳性菌生理活性产生的影响,为今后革兰氏阳性菌脂蛋白的研究提出了展望和建议。

群体感应在动态代谢调控中的研究进展

群体感应(quorum sensing,QS)是一种特殊的动态代谢调控机制,是细菌用于监控自身群体密度的环境信号感受系统。近年来,随着合成生物学的大力发展,基于稳定的菌群关系的人工合成菌群以及混菌共培养技术也取得了突破性的进展。群体感应系统因为可以实现细菌自主控制菌群关系的目的,而在菌群关系构建以及代谢工程中的研究和应用受到越来越多的关注。在对群体感应系统进行概述的基础上,对单菌基于群体感应的动态代谢调控进行了总结;同时也对群体感应的动态调控在革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌之间以及混菌共培养过程中的研究进展进行综述,以期能对群体感应系统的其他应用提供一些建议和帮助。

核糖核酸调节子的构建与即时检测中的应用

合成生物学专注于可重复利用模块和元件的工程化设计,并在生物系统中表现出良好的行为和功能。在无细胞蛋白表达系统中,核糖核酸调节子作为即时检测中的重要传感元件,通过靶标分子的诱导使其自身结构发生变化,进而调控下游基因的表达。系统介绍不同类型的核糖核酸调节子及其作用原理,包括一代核糖核酸调节子、toehold开关、功能拓展的核糖核酸调节子和核糖开关。详细阐明构建核糖核酸调节子的设计-测试-分析过程:计算机辅助设计、基因表达测试和结构功能化分析。汇总基于核糖核酸调节子的体外即时检测应用,重点总结toehold开关介导的病原菌核酸检测和核糖开关参与的小分子检测。讨论当前无细胞即时检测的特点、挑战和发展趋势,为开发新型核糖核酸调节子和即时检测工具提供思路和参考。

人工合成多样性突变文库研究进展

突变文库的构建是定向进化研究过程中一个关键步骤,主要利用天然存在的系统或者人工合成的分子技术来产生多样性核酸分子文库,为制备和筛选具有一定特性的蛋白酶、多肽、人工抗体等提供庞大的遗传基因库,也可用于合成生物学中相关基因元件的研究与筛选,为目标生物制品的高效工业化生产提供动力。随着对突变文库构建技术研究的日益深入,各种文库构建策略相继被开发出来,并在生物能源、生物化工、生物医药、生物试剂和食品工业等方面得到了广泛的应用。然而,定向进化中的文库构建策略多有不同,各种突变文库构建技术的核心方法也在不断创新。主要介绍近年来实验室中人工合成多样性文库的前沿技术,并对文库构建技术在自动化和智能化方向的发展进行了展望。