生物支架系统在合成生物学中的应用

合成生物学作为一种新兴的工程化生物学,可以在底盘细胞中引入外源基因模块实现新功能。但是如何将多种外源模块(酶)进行有效地组装从而提高其协同催化功能是急需解决的一个重大问题。由于异源酶在新宿主中存在内源环境适应性问题,限制了酶的生物活性。生物支架系统作为一种有效手段,可以提供有效的多酶组装系统。恰当的生物支架能够提供适应环境的柔性平台,实现多酶体系的表达调控,稳定性组装,利于酶与底物结合的区域化设计。本综述对不同类型的生物支架的研究进展进行了系统的总结。文中根据不同类型支架(蛋白型、核酸型)的特点,介绍了典型的应用范例,论述了每种支架的优势与不足,并对生物支架的常见工作机制做了详细讨论。最后对生物支架在人工细胞器设计和复杂聚合物降解等方面的应用做出展望。

微生物燃料电池堆栈的设计开发与应用进展

微生物燃料电池可将环境废水中的化学能转化为电能,并驱动和强化有机污染物降解,是生物电化学环境修复、清洁能源开发很有应用潜力的解决方案.目前,微生物燃料电池在实际应用中还存在着电池规模小、输出电能低等工程问题,成为限制其性能和规模化应用的核心瓶颈,因此需要对微生物燃料电池进行规模化放大.然而,单纯地增加单体微生物燃料电池的体积,将增加电池内阻,导致能量损失加大,限制微生物燃料电池输出功率进一步提高,不适合工程化应用.微生物燃料电池堆栈是在保持单体微生物燃料电池性能的基础上,通过将多个单体微生物燃料电池进行串并联连接,从而有效提高微生物燃料电池的输出电压、电流以及功率,是实现微生物燃料电池规模化放大的主要手段,已经广泛应用于复杂环境中低劣生物质发电、废水处理以及化学品合成等领域.本文基于微生物燃料电池堆栈的工作原理,从产电微生物、电极材料、电池结构以及电池传质等多个方面系统分析了影响微生物燃料电池堆栈性能的关键因素,总结了微生物燃料电池堆栈结构和电路管理系统的设计原理与工程技术,分析了微生物燃料电池堆栈的重点应用领域,并针对其未来的研究方向进行了展望,以促进微生物燃料电池堆栈的工业化应用.

维生素A生物合成的研究进展

维生素A是维持人体代谢的必需维生素,在食品、药品及护肤品等多个领域占有重要地位,是三大维生素支柱产品之一,应用前景广阔。市场上的维生素A主要来源于化学合成和天然提取。近年来,随着绿色生物制造的发展,维生素A的生物合成研究取得了重大的进展。总结了维生素A生物合成的研究现状,并对维生素A生物合成的优化改造方案进行了分析归纳,概述了维生素A发酵生产以及产品组分调控和储存策略,最后对生物合成维生素A的现状进行总结与展望。

产电细胞的合成生物学设计构建

以产电微生物为核心的微生物电催化系统在能源、环境等诸多领域有着广泛的应用,然而自然环境中野生型产电微生物可利用底物谱窄、底物摄取代谢强度弱,胞内电子池容量小、还原力再生效率差,胞外电子传递速率慢、电子通量小,这已成为限制其工业化应用的主要瓶颈。本文基于产电微生物介导的化学能到电能的能量转化路径,总结阐明了产电微生物的胞内电子生成过程与胞外电子传递机制,系统综述了近五年国内外利用合成生物学增强产电微生物底物摄取利用、强化胞内电子生成、加速胞外电子传递方面的研究进展,并对未来设计构建高效产电细胞研究进行了展望。

生物合成槲皮素糖苷类衍生物的研究进展

糖苷类天然产物是植物中次级代谢产物的主要存在形式,具有重要的生物活性。通过糖基化修饰可以改变其水溶性、稳定性,产生特殊的生物活性和功能,因此易于商品化应用,具有重要的药用价值和工业价值,尤其在抗癌药物和日化用品中有着广泛应用。近年来糖苷类产物的生物合成也取得了重大的进展。以重要的糖苷化合物槲皮素为例介绍了糖苷化合物的生物合成,从糖基转移酶和前体供应等角度阐述了生物高产糖苷类化合物的工程策略,为利用合成生物学技术获得植物糖苷的高产菌株提供了技术参考。

天津大学元英进/吴毅开发高效组装和递送大尺度DNA的新方法

2024年2月8日,天津大学合成生物学前沿科学中心元英进和吴毅作为共同通讯作者在Cell Research上在线发表题为《Convenient synthesis and delivery of a megabase-scale designer accessory chromosome empower biosynthetic capacity》的研究论文。天津大学博士研究生马渊为论文的第一作者。该研究发现,利用CRISPR/Cas9在酿酒酵母16条染色体着丝粒处产生DSB可以在二倍体酵母中选择性的删除一套基因组,实现不经过减数分裂的快速单倍体化。

光催化-生物杂合系统设计优化用于燃料和化学品绿色合成

光催化-生物杂合系统耦合了光催化对光能的高收集效率和广谱吸收性能,以及生物催化温和、高效且高特异性转化的优势,可实现多种高值化学品和燃料分子的绿色、可持续合成,符合“碳中和”发展大方向。按照生物催化载体的不同,光催化-生物杂合系统可分为:光催化-生物酶杂合系统和光催化-微生物杂合系统两大类。光催化-生物酶杂合系统根据作用机制细分为:辅因子介导的间接反应体系、直接电子传递的反应体系以及混合型光催化-生物酶杂合系统;光催化-微生物杂合系统分为:直接电子传递的胞外供能模式、化学物质介导的胞外供能模式以及胞内的能量供给模式。对这些模式的具体作用机制,以及存在的优缺点和关键问题做出了综合评述,并对该领域提出了未来展望。

电能细胞的合成生物学设计构建

电能细胞具有与外界环境进行双向电子交换的能力,包括向外界环境释放电子的产电细胞,以及从外界环境获取电子的噬电细胞,在微生物电化学系统中发挥微生物电催化剂的核心作用。以电能细胞为核心的微生物电化学系统在生态环境治理、绿色能源开发、化学品高效合成等方面有着广泛应用。但是野生电能细胞因其摄取底物能力弱、胞内电子通量小、双向跨膜电子传递效率低、生物膜形成能力差等原因,化学能到电能的双向转化效率受到极大限制,是实现微生物电化学系统大规模产业化应用的核心瓶颈。本综述聚焦近5年电能细胞合成生物学改造的最新研究进展,通过分析双向电子传递的分子机制,分类汇总产电细胞和噬电细胞的合成生物学改造策略:(1)工程产电细胞(强化产电细胞的胞内电子生成、胞外传递效率,具体为拓宽底物谱、增强还原力转化,提高胞外传递能力、促进电极生物膜形成);(2)工程噬电细胞(强化噬电细胞胞外电子摄取、还原力转化、产物合成效率,包括提高噬电细胞电子摄取和还原力转化,调控细胞代谢路径电合成化学品和生物燃料)。最后,展望了未来高效电能细胞和微生物电化学系统的设计与构建。

合成生物学方法改造电活性生物膜研究进展

电活性生物膜是由电能细胞分泌的胞外多糖、蛋白、胞外DNA(extracellular DNA,eDNA)、菌毛等成分聚集,与细胞本身相互交联形成的导电多聚体。以多菌群落形态展现,在微生物燃料电池、微生物电合成、高值化学品生产、重金属污染处理、医疗等领域中具有至关重要的作用,是微生物电催化系统研究的核心之一。但自然状态下的电活性生物膜因厚度、结构稳定性、生物量等因素的限制,严重制约了电子传递效率。综述了近五年利用合成生物学改造电活性生物膜的研究进展,系统探讨了工程生物膜的构建、结构成分、导电性能以及应用,为将来进一步实现高效电催化奠定基础。

合成生物技术对生物多样性影响的评估探索

合成生物技术是近年来兴起的一类新兴生物技术,是现代生物技术的新发展阶段;在微生物细胞工厂、人工合成菌群、人工基因组合成、基因组编辑和基因驱动等多个领域取得了一系列重要进展,也获得了多国政府及产学研机构的大力支持。随着合成生物技术研究、开发与应用的深入发展,评估其对人类社会生存发展至关重要的生物多样性的影响成为一个重要课题。基于防范降低负面风险、促进有益开发应用和保护生物多样性的评估原则,采用综合考虑合成生物技术适用范围和基于合成生物技术的制品、组分和生物的安全性2个维度的评估方法定性分析了合成生物技术研究、开发与应用对生物多样性的影响,提出了应对其潜在风险的策略与建议,以期为合成生物技术的良性发展、造福社会提供参考。

微生物共利用木糖和葡萄糖生产化学品研究进展

木质纤维素生物质是储量丰富的可再生资源,在能源、化工及医药领域具有广阔的应用前景。木质纤维素各组分因氢键和共价键的存在而结合紧密,需经酸、碱、高温、有机溶剂等预处理后才能高效酶解利用,其水解产物的主要成分为己糖(60%~70%,葡萄糖为主)和戊糖(30%~40%,木糖为主)的混合物。本文主要针对水解液中木糖和葡萄糖的共利用效率相关问题,以基因工程改造微生物利用木糖和葡萄糖共发酵生产醇类、生物油脂、γ-聚谷氨酸及有机酸等生物基化学品为主线,从代谢途径重构、基因水平调控及发酵技术优化等方面综述了近年来的研究进展。最后,从菌株筛选、基因与代谢工程调控、细胞固定化、产物处理及发酵工艺等层面总结了该领域目前的研究特点、技术瓶颈和未来的研究方向与思路。

昆虫鱼尼丁受体结构功能及抗性机制研究进展

双酰胺类杀虫剂可用于控制包括鳞翅目、鞘翅目等在内的多种重要农业害虫,作用机制新颖且对非靶标生物安全低毒,已成为目前全世界销量最高的杀虫剂品种之一。近期在抗性昆虫种群里发现的突变大幅降低了其效能,对各国的农业生产造成了巨大的经济损失。双酰胺类杀虫剂的分子靶标鱼尼丁受体作为近年来最受关注的新型热点靶标被广泛研究。本文总结了昆虫鱼尼丁受体结构和功能研究方面的最新发现,包括1)双酰胺类杀虫剂在昆虫鱼尼丁受体上的结合位点和作用方式;2)抗性突变对靶标结构功能的影响;3)双酰胺类杀虫剂结合位点以外的潜在新作用位点;4)传统和新作用位点在靶标和非靶标生物鱼尼丁受体上的结构差异,并对基于鱼尼丁受体结构的新一代绿色杀虫剂设计开发进行了展望。

新型植物源天然产物杀虫剂研究进展

与传统化学杀虫剂相比,植物源天然产物杀虫剂具有靶标特异性强、易降解无残留、对环境无污染等优点,符合绿色农业的发展要求,是杀虫剂研发的重要领域之一。本文围绕不同类型植物源天然产物杀虫剂的结构特征和作用机制,综述了2015年之后以植物源杀虫剂活性成分为先导化合物进行结构改造的研究现状,最后对植物源农药的发展方向、当前面临的挑战以及产品研发策略进行了分析和展望。

脱落酸生物合成研究进展

脱落酸作为一种抑制生长的植物激素,是平衡植物内源激素和调节生长代谢的关键因子。脱落酸具有提高作物抗旱耐盐、减少果实褐变的作用,同时可降低疟疾发病率、刺激胰岛素分泌,因此在农业和医药领域有着广阔的应用前景。相较于传统的植物提取法和化学合成法,利用微生物合成脱落酸是一种经济、可持续的来源方式。目前利用天然微生物如灰葡萄孢霉菌、蔷薇色尾孢菌等合成脱落酸的研究已经取得了诸多进展,而脱落酸的异源微生物合成研究相对较少。酿酒酵母、解脂耶氏酵母、大肠杆菌等工程菌株作为天然产物异源合成的常用宿主,具有遗传背景清晰、易于操作、便于工业化生产等优势,因此利用微生物异源合成脱落酸是一种更具潜力的生产方式。本文着重从底盘细胞的选择、关键酶的筛选与表达强化、辅因子的调节、增强前体供应及促进脱落酸外排5个方面对微生物异源合成脱落酸的研究进行综述。最后,对该领域的未来发展方向进行了展望。

酵母合成虾青素的研究进展

虾青素是一种深红色酮类胡萝卜素,自然界中主要由藻类、细菌和浮游植物产生。作为天然色素和抗氧化物质在日化用品、医药行业、食品保健业、水产畜牧业有广泛应用。相较于天然提取和化学合成,利用异源微生物合成虾青素是一种绿色环保、经济高效的方法。概述虾青素生物合成路径,对微生物合成虾青素的研究现状和酵母合成虾青素的工程化策略进行总结,并对未来发展方向进行了展望。

维生素E生物合成的相关进展

维生素E是具有抗氧化活性的脂溶性化合物,是维持机体代谢的必需维生素,被广泛应用于食品、医药及化妆品等多个领域,市场需求量极大.市场上的维生素E主要来自化学合成和从植物油馏出物中提取.传统的化学合成方式因不能合成特定的立体构型而受到限制.植物提取的方法也受制于有限的植物资源和高的时间成本.利用微生物合成特定构型的复杂天然化合物是一种经济、清洁的方法.本综述首先总结了维生素E生物合成的代谢途径及其研究进展,其次对维生素E生物合成的关键中间体尿黑酸和牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸的代谢途径在模式微生物中的代谢工程改造进行了总结,最后对于利用微生物来生物合成维生素E的现状进行了概述,并对其前景进行了展望.

CO_(2)的电驱动还原

CO_(2)的过量排放已威胁到了环境与能源的可持续发展,通过化学或生物手段将其转化为化工原料或生物燃料能够有效缓解由CO_(2)过量排放造成的能源与环境压力。然而CO_(2)的还原过程是非自发且缓慢的,依赖于外部提供的能量和催化剂。如何实现长效的能量供给并针对性开发高性能的催化剂是CO_(2)回收转化技术的重点。利用稳定、清洁的电能作为驱动力,在催化剂的协同下将CO_(2)增值为化学品并实现碳中性循环。这种策略被称为CO_(2)的电驱动还原,在CO_(2)转化方面优势显著。从CO_(2)无机电催化和CO_(2)微生物电合成2个方面综述了近年来CO_(2)电驱动还原的研究进展。首先,对比和讨论了CO_(2)的无机电催化中不同类型的电催化剂的特性,以及优化和改性的手段。其次,总结阐明了微生物电合成中电极与微生物催化剂之间直接和间接的电子传递方式,并重点讨论了不同电子载体(H_(2)、甲酸、天然和人工的氧化还原电子载体)介导的间接电子传递的相关工作。最后总结展望了CO_(2)电驱动还原系统的发展。

微生物细胞工厂合成甲基萘醌的研究进展

甲基萘醌又称维生素K2,是人体必需的维生素之一,可以有效预防和治疗维生素K2缺乏性出血症、骨质疏松症、心血管疾病、慢性肾病等疾病,因此在食品和药品等领域有重要的应用价值.甲基萘醌的合成方法有两种:化学合成和生物合成.化学合成法的产率低下、分离过程复杂等缺点限制了其规模化应用,而生物合成则利用可以天然合成甲基萘醌的微生物来生产甲基萘醌,具有操作简单、产物易分离等优点.本文首先总结了甲基萘醌生物合成过程及代谢途径的概况,包括底物摄取途径、莽草酸途径、萜烯骨架途径和甲基萘醌途径的研究进展.其次,针对这些途径的代谢工程改造,总结了大肠杆菌和枯草芽孢杆菌两种细胞工厂应用了哪些代谢工程策略,并介绍了限制甲基萘醌合成的关键途径和已构建的微生物细胞工厂合成甲基萘醌的产量情况.最后,比较了两种细胞工厂的工业应用价值,并对未来提高细胞工厂的产物合成能力进行了展望.

独脚金内酯及其新型衍生物

独脚金内酯(Strigolactones,SLs)是目前最受关注的一类倍半萜类新型植物激素。近年来研究表明,独脚金内酯在抑制植物下胚轴伸长和农作物分蘖、调节根系生长发育、刺激寄生杂草种子萌发、协调寄生植物与真菌的共生相互作用以及调控植物对生物或非生物胁迫的响应等诸多方面发挥着至关重要的作用,被认为是农业科学和植物保护领域极具开发价值和应用潜力的新型植物激素。此外,研究发现SLs作为一种植物来源的天然产物,其对肝癌、乳腺癌、前列腺癌、胶质母细胞瘤和结直肠癌等多种肿瘤以及炎症及糖代谢通路均具有抑制活性,因此SLs及其衍生物在创新药物研究领域也备受关注。本文主要综述了独脚金内酯及其结构衍生物的最新研究进展,围绕其生物活性、作用机制以及构效关系进行分类总结和简要分析,为该类天然产物的分子设计和进一步开发利用提供研究思路和方向。

强化产电微生物与电极间电子传递速率的研究进展

产电微生物是微生物燃料电池、电解池和电合成等微生物电化学技术(Microbial electrochemical technologies,METs)的研究基础。产电微生物与电极界面间的胞外电子传递(Extracellular electron transfer,EET)效率低以及生物被膜形成能力弱限制了METs在有机物降解、电能生产、海水淡化、生物修复和生物传感等方面的应用。因此,强化产电微生物与电极界面间的相互作用是过去几年的主要研究热点。针对近年的研究,本文系统概述了通过改造产电微生物来增强微生物-电极间相互作用的各种策略,重点分析了这些策略的适用性和局限性,并展望了强化产电微生物-电极界面作用在微生物电化学技术利用方面的研究前景。