如何工程化生物学

随着化学学科的发展和应用需求,化学工程应运而生;随着生物学的发展和工程化需求,代表着"生物学第三次革命"的合成生物学也随之诞生。合成生物学,即生物学的工程化,它从工程学角度设计创建元件、器件或模块,以及通过这些元器件改造和优化现有自然生物体系,但是如何对复杂生命进行工程化一直是合成生物学工作者不断探索的重大科学问题。本文系统地阐释了迄今为止工程化生物学的4个特点:(1)模块化和标准化;(2)正交性;(3)鲁棒性;(4)适配性及其对应研究进展。最后从"设计-构建-测试"循环的研究模式入手提出了今后如何进一步有效地工程化生物学。

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.

特基拉芽孢杆菌WRN032对稻瘟病菌的生物防治潜力

植物病原真菌是农作物病害的主要致病菌,导致作物减产,严重阻碍农业发展.病原真菌种类繁多,作用机制复杂,防治难度大,传统化学防治手段无法满足当今发展需求,而生物防治是一种安全、绿色、高效的防控手段.以来源于土壤和植物根茎的多种细菌为研究对象,以菌种的抑菌活性为指标,采用牛津杯法,筛选出一株具有生物防治潜力的细菌WRN032,对黑腐皮壳菌(Rhizoctonia solani)、禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)和稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)的生长均具有不同程度的拮抗作用,其中对稻瘟病菌的抑制作用较强.使用石油醚、正丁醇和乙酸乙酯依次对菌株WRN032的发酵液进行萃取,发现其乙酸乙酯提取物对稻瘟病菌有强拮抗作用.结合生理生化鉴定及16S rDNA序列分析对其菌种进行鉴定,结果表明该细菌为特基拉芽孢杆菌(Bacillus tequilensis).对特基拉芽孢杆菌WRN032代谢产物中的活性物质进行稳定性试验,表明其在高温、强酸性、中性和弱碱性条件下均具有良好的稳定性,且对紫外光不敏感.采用柱层析法和半制备层析法对特基拉芽孢杆菌WRN032发酵液中的活性物质进行分离纯化,其纯化物对稻瘟病菌的相对抑制率与相同浓度的75%三环唑可湿性粉剂相近.当浓度为100.0μg/mL时,相对抑制率为51.2%,与75%三环唑可湿性粉剂(56.4%)基本相同.研究表明,特基拉芽孢杆菌WRN032具有作为农业生物防治剂的潜力.

合成生物学在医药及能源领域的应用

合成生物学是以工程学思想为指导,对天然生物系统进行重新设计与改造,同时设计并合成新的生物元件、模块和系统的崭新学科。合成生物学是自然科学发展到现阶段的产物,并已经在医药、能源等领域取得了一些显著成果。本文综述了在工程细胞中利用合成生物学方法构建抗疟疾药物青蒿素的前体物青蒿二烯,抗癌药物紫杉醇的前体物紫杉二烯,以及脂肪酸酯、脂肪醇、高级醇的合成途径等研究进展。此外,一些重要的合成生物学相关技术,大大加速工程细胞的重构与进化,为构建应用于生产领域的新功能细胞提供方便实用的工具。

微生物修复混凝土裂缝的试验观测

微生物修复技术所需的菌液流动性好,修复过程中微生物代谢物与水泥基材料有着良好的相容性和界面强度,因此,具备能耗低、绿色环保、施工简便的潜力.针对微生物修复混凝土裂缝问题,通过试验研究了环境碱度对细菌生长和微生物矿化的影响,探讨了胶结溶液的最优浓度配比和胶结时间,并将这些参数运用于后续微生物修复混凝土裂缝的试验中.试验中考虑了裂缝表观形状(裂缝深度、宽度及延伸角度)的差异,观察了碳酸钙沉淀的沉积方式,并采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)手段监测其沿裂缝界面的晶体组成和形貌.结果表明:菌体自身对环境碱性突变具有自适应能力,当环境碱性并非过高时(pH≤12),菌体在生长代谢过程中能够驱使环境pH值向着最适宜菌体自身生长的pH值(约为8.7)发展;快速诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝的最佳胶结液有效浓度为0.83 mol/L,最优微生物矿化间隔时间为5 h;裂缝表观形状的差异导致细菌在裂纹表面上的吸附不均匀性,其中裂缝的宽度不直接影响微生物修复的机理,而裂缝深度和裂缝倾角会影响碳酸钙沉淀的均匀性;使用注射和漫灌胶结液的方式修复具有不同表观形状的裂缝的混凝土最好的修复效果能将混凝土的渗透性降低4个数量级(从10^(-4)m/s到10^(-8)m/s).

人工合成微生物混菌体系的研究进展

合成生物学正在从设计构建基本功能元件和模块,逐步向着从头设计人工细胞及构建人工生物群落的方向发展,人工合成微生物混菌体系已经成为未来合成生物学研究的重要方向。本文综述了人工构建微生物群落生态关系、群落时空动态和分布式计算等基础研究的进展。同时,微生物混菌体系在医药、环境、能源等领域发挥着不可替代的作用,人工合成混菌体系在相关领域也表现出巨大的应用潜力。

化学品绿色制造核心技术--合成生物学

合成生物学即生物学的工程化,因其打破了非生命化学物质和生命物质之间的界线,推动了生命科学由理解生命到创造生命的革新,因此对科学发展和技术创新起到了颠覆性作用,引发了化学品绿色制造的巨大变革。合成生物学作为化学品绿色制造的核心技术,主要从原料到菌种再到过程进行全链条设计和优化。本文首先从原料多样化、产品的合成与底盘细胞的选择这三个方面,综述了化学品绿色制造过程中合成生物学所起到的关键核心作用。在此基础上系统阐述了人工体系的设计与构建,并对今后如何通过发展合成生物学来促进化学品绿色制造,从'原料、底盘细胞、反应过程'这三个方面提出了相应的展望。

基于QbD理念优化苦参生物碱的分离工艺

将质量源于设计(QbD)理念应用于苦参生物碱的纯化工艺,建立稳定可控的操作空间.以苦参总生物碱(TASF)、苦参碱(MT)和氧化苦参碱(OMT)的解吸量为工艺评价指标,静态吸附和解吸试验选取性能最优的大孔树脂作为纯化过程中的吸附剂,单因素和多因素显著性试验(PBD)筛选并确定关键工艺参数(CPPs),中心点复合试验(CCD)进一步优化工艺参数,建立工艺参数和工艺评价指标之间的数学模型,以此获得操作空间,在空间内、外选点,对模型及设计空间进行验证.NK-109型大孔树脂吸附性能良好,为该试验的最优树脂.上样液pH值、洗脱剂乙醇浓度和洗脱流速为该试验的显著性影响因素.关键工艺参数与工艺评价指标之间回归方程的P值均小于0.05,而失拟项均大于0.05,表明回归方程显著.在苦参总生物碱解吸量≥0.87 mg/g,苦参碱解吸量≥32.50μg/g,氧化苦参碱解吸量≥244.10μg/g的工艺指标下,设计空间为:洗脱流速≤25.0 m L/h,洗脱剂乙醇体积分数82.0%~87.0%,上样液pH值5.3~6.2.验证结果表明模型的预测能力良好,空间内的点满足工艺指标,而空间外的点无法达到生产要求,设计空间稳定.质量源于设计理念的引用可以为中药的分离纯化过程提供稳定可控的操作空间,在确定工艺指标的基础上,灵活设置工艺参数,保证产品质量可控.

大肠杆菌调控因子工程及其菌株耐受性研究进展

大肠杆菌具有金字塔式的基因表达等级调控网络,调控因子的自动调控、共调控和交叉调控,构成了复杂而又精细的转录调控网络。微生物通过扰动和优化这个高效的调控网络快速地响应环境变化,而适应新的耐受条件。微生物的耐受性是由多基因控制的复杂表型,通过大肠杆菌调控因子工程,可以大尺度重构调控网络,显著改进菌株耐受性,成为了近几年的研究热点。本文总结了大肠杆菌调控因子及其工程方法,综述了通过大肠杆菌调控因子工程重构代谢网络来提高菌株耐受性的最新研究进展,展望了通过大肠杆菌调控因子工程提高菌株鲁棒性的发展方向。

代谢工程合成5-氨基乙酰丙酸的研究进展

5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)是生物体内吡咯类物质生物合成的前体物质,在医药和农业领域显示出广阔的市场潜力。随着代谢工程的发展以及对5-ALA生物合成途径的研究,利用微生物合成5-ALA成为研究的新方向。与传统的化学法合成相比,利用微生物合成5-ALA具有低污染、高产率和低成本等优势。本文中,笔者介绍了5-ALA生物合成的最新研究进展,分析了5-ALA代谢途径的关键影响因素,并对未来的研究方向进行了展望。

基因工程菌生产D-乳酸研究进展

D-乳酸是众多手性物质的合成前体,广泛应用于化工、农业、食品、医药、环保等领域。近年来,随着基因工程理论的不断成熟发展,分子生物学技术在D-乳酸生产领域的应用也逐渐受到关注。介绍了利用基因工程技术改造D-乳酸生产菌株的研究现状,并对未来研究趋势进行了展望。

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。

生物法生产3-羟基丙酸研究进展

3-羟基丙酸(3-hydroxypropionic acid,3-HP)是一种具有末端羟基与羧基双活性基团、应用广泛的有机酸,生物法合成3-HP具有高效、绿色、可持续发展等优势。本文分析了生物法生产3-HP的主要合成途径、主要生产菌种及菌株改造、发酵工艺优化3个方面的研究进展。重点介绍了以甘油合成途径、丙二酰辅酶A合成途径、β-丙氨酸合成途径为代表的主要合成途径及相应途径的关键酶;以克雷伯氏肺炎球菌、酵母菌及大肠杆菌为代表的主要生产菌株及其改造策略;包括分批发酵、两阶段发酵及固定化细胞催化等在内的发酵工艺优化策略3个方面的研究内容。最后指出了进一步筛选改造甘油脱水酶等途径的关键酶;基于先进基因组编辑技术开发的非致病性、3-HP高耐受型菌株,挖掘新的3-HP合成途径;开发更加经济、高效、环保的发酵工艺路线,将是今后生物法生产3-HP的研究重点。

代谢工程技术方法研究进展

代谢工程技术是构建微生物细胞工厂的重要方法。过去20年,代谢工程技术在生产高附加值生物活性物质和大宗商业化学品等方面被广泛应用,极大地推动了医药、能源、环境等行业的技术变革和高速发展。近些年来,随着合成生物学、分子生物学以及计算机科学等相关学科技术的发展,代谢工程在代谢网络分析、提高菌株性能、途径酶的共定位表达等方面呈现许多新的发展,本文对这些技术方法的研究和应用进行了概述。

无细胞蛋白合成系统中细胞提取物和模板DNA的研究进展

无细胞蛋白合成系统(cell-free protein synthesis,CFPS)是一种体外蛋白质合成的高效平台,与体内蛋白合成系统相比,它突破了活细胞的限制,使蛋白合成反应可以在试管中进行,具有灵活、高效、可控性强的特点。近几年来,合成生物学领域新技术的涌现推动了CFPS系统的快速发展,尤其在细胞提取物和模板DNA方面。细胞提取物和模板DNA是CFPS系统中不可或缺的重要组成,很大程度上决定了无细胞反应的效率和成本。本文综述了CFPS系统中细胞提取物和模板DNA方面的研究进展,主要介绍了最近新开发的细胞提取物系统的特点和应用前景,以及质粒DNA模板和线性DNA模板的研究进展。

S-腺苷-L-甲硫氨酸依赖的3-氨基-3-羧基丙基利用酶研究进展

S-腺苷-L-甲硫氨酸(S-adenosyl-L-methionine,SAM)是生物体内重要的辅因子。SAM的结构中具有3个不稳定的C-S键,不同的SAM依赖酶能够选择性地切割其中不同的C-S键来催化各种类型的反应。其中,利用SAM甲基部分的甲基转移酶和腺苷部分的SAM自由基酶被广泛研究。UniProt数据库中保存了超过1800000条SAM依赖的甲基转移酶序列;SAM自由基酶也已经成为最大的酶家族之一,数目超过700000个。但利用SAM中3-氨基-3羧基丙基(3-amino-3-carboxypropyl,ACP)的酶却报道相对较少,本文对目前这一类酶的研究进行分类介绍,并对这一领域未来研究方向进行展望。

多肽抑制剂抑制淀粉质多肽42构象转换的分子动力学模拟和结合自由能计算

应用分子动力学模拟和结合自由能计算方法研究了多肽抑制剂KLVFF、VVIA和LPFFD抑制淀粉质多肽42(Aβ42)构象转换的分子机理.结果表明,三种多肽抑制剂均能够有效抑制Aβ42的二级结构由α-螺旋向β-折叠的构象转换.另外,多肽抑制剂降低了Aβ42分子内的疏水相互作用,减少了多肽分子内远距离的接触,有效抑制了Aβ42的疏水塌缩,从而起到稳定其初始构象的作用.这些抑制剂与Aβ42之间的疏水和静电相互作用(包括氢键)均有利于它们抑制Aβ42的构象转换.此外,抑制剂中的带电氨基酸残基可以增强其和Aβ42之间的静电相互作用(包括氢键),并降低抑制剂之间的聚集,从而大大增强对Aβ42构象转换的抑制能力.但脯氨酸的引入会破坏多肽的线性结构,从而大大降低其与Aβ42之间的作用力.上述分子模拟的结果揭示了多肽抑制剂KLVFF、VVIA和LPFFD抑制Aβ42构象转换的分子机理,对于进一步合理设计Aβ的高效短肽抑制剂具有非常重要的理论指导意义.

渗透剂的分子体积和极性表面积分率对胰凝乳蛋白酶抑制剂2热稳定性的影响

渗透剂对蛋白质的稳定能力不仅与其极性表面积分率(fpSA)有关,而且也与其分子体积(V)密切相关.因此对于渗透剂稳定蛋白质能力的分析,需要同时考虑渗透剂的fpSA和V.为了考察渗透剂的fpSA和V对稳定蛋白质能力的影响,本文以胰凝乳蛋白酶抑制剂2(CI2)为模型蛋白,首先利用分子动力学模拟,考察了数种典型渗透剂对CI2热稳定性的影响;并根据模拟数据计算得到了渗透剂影响蛋白质热稳定性的一维结构参数;然后利用统计学双参数拟合,同时引入渗透剂的fpSA和V,建立了用于分析渗透剂稳定蛋白质能力的模型;最后利用模型分析了渗透剂的fpSA和V与其稳定蛋白质能力的关系.研究发现:利用分子动力学模拟结果定义并计算得到的一维结构参数能够较好地描述在热变性条件下渗透剂对CI2的稳定能力;所建立的模型能够很好地分析渗透剂对蛋白质的稳定能力;并且由于V和fpSA二次项的引入,可大大提高仅以fpSA为参数的模型的精度;另外,渗透剂对蛋白质的热稳定能力与其V成正比;由于拟合公式中引入了fpSA二次项,在fpSA小于0.7时,fpSA与渗透剂的稳定能力呈现负相关,但当fpSA大于0.7时,其与渗透剂的稳定能力反而呈现正相关.

合成类胡萝卜素细胞工厂的快速构建和定向进化

类胡萝卜素具有丰富的颜色和强抗氧化活性,这赋予了该类产品较高的商业价值,加速了该类产品合成路径在异源底盘中的构建进程,使之成为发展非理性设计策略的有效研究对象。本文主要针对微生物合成类胡萝卜素细胞工厂构建中的瓶颈问题,从增强合成类胡萝卜素前体GGPP的供给利用以及缓解各类胡萝卜素产品对微生物底盘细胞的胁迫压力两个角度,系统综述非理性设计策略对元件优化、模块适配和多维调控等路径构建优化方法的丰富,以及对不同尺度的DNA变异和适应性进化等底盘进化手段的推动作用。并从扩展类胡萝卜素合成底盘物种的多样性和丰富非天然类胡萝卜素产品结构的可获得性的需求出发,对构建合成该类产品微生物细胞工厂自动化和智能化的发展趋势进行展望。