生物对逆境环境的适应和抗逆分子育种

我国人口占世界人口17%,耕地面积约占世界耕地面积的7.8%。根据国家统计局2021年数据,全国19.18亿亩耕地面积中旱地占50.33%,水浇地占25.12%,水田占24.55%;其中约10%的耕地已受到土壤盐渍化的影响。

尼古丁降解相关酶的结构生物学研究进展

尼古丁是一类对人体健康和环境都有很大危害的生物碱,而微生物降解尼古丁是一种非常有效和具有应用潜力的方法,所以对这类微生物代谢途径以及机制的研究具有非常重要的意义,综述了微生物降解尼古丁吡啶代谢途径中几个重要酶的晶体结构以及催化机制的研究进展。

深海微生物多样性

海洋面积约占地球总面积的70%,平均深度3,800m,海底平均压力38MPa,海水以下更是包含有物理化学性质迥异的多种地质结构,例如海洋沉积物、洋壳、热液口以及冷泉等。这些性质迥异的地质结构环境造就了丰富的生物多样性,构成了地球上最大的微生物生态系统。深海海水中最主要的微生物类群是α-,γ-变形菌(Alpha-&Gammaproteobacteria),以及海洋古菌群I(Marine Group I)。深海沉积物中微生物含量与有机物含量和距离大陆板块的距离相关,以异养微生物为主。深海冷泉区富集了厌氧甲烷氧化古菌ANME和硫酸盐还原菌(Deltaproteobacteria);深海热液区由于具有化学物质的多样性和快速的动态变化而导致形成微生物的高度多样性。洋壳主要由基性、超基性岩构成,含有丰富的矿物,其中不乏参与铁、锰、硫等关键代谢反应的化能自养微生物。同时,由于环境中99%以上的微生物没有已培养的亲缘种,因此对深海微生物的多样性、生理功能特性以及生物地球化学作用的理解和研究仍然存在巨大的挑战。本文将尝试从不同的深海环境分区来综述深海海水、沉积物、洋壳,以及冷泉区和热液口等特殊生态环境中微生物的分布和多样性。

新资源微生物:微生物资源的发现和应用

微生物个体微小,分布广泛,形态和生理功能多样,包括疾病相关微生物和有益微生物等,其中有益微生物对物质循环、生态平衡、疾病治疗以及污染的降解都具有重要的贡献。因此,开发利用微生物资源,对推动生物技术在绿色制造中的应用,实现经济社会的可持续发展具有重要意义。

工业微生物:创新与突破专刊序言(2021)

工业微生物及其产品广泛用于工业、农业、医药等诸多领域,相关产业在国民经济中具有举足轻重的地位。高效的菌株是提高生产效率的核心,而先进发酵技术和仪器平台对充分开发菌株代谢潜能也很重要。近年来,工业微生物领域的研究取得了快速进展,人工智能、高效基因组编辑技术和合成生物学技术逐渐广泛使用,相关产业应用也在不断扩展。为进一步促进工业微生物在生物制造等领域的应用,《生物工程学报》特组织出版专刊,从微生物菌株的多样性和生理代谢、菌株改造技术、发酵过程优化和放大,高通量微液滴培养装备开发以及工业微生物应用等方面,分别阐述目前的研究进展,并展望未来的发展趋势,为促进工业微生物及生物制造等产业的发展奠定基础。

血清外泌体的蛋白质组分析及其在骨质疏松中的应用

外泌体是细胞分泌的微小具膜囊泡,作为重要媒介参与细胞间的信号传递,已在疾病的诊断和治疗中发挥独特作用。骨质疏松症是全身性骨代谢疾病,容易引起骨密度减少并导致骨折,在老年人群中发病率很高,目前急需发展特异性体液诊断技术。本论文采用超速离心的方法,对血清中的外泌体进行了分离富集和表征,并采用液相色谱-质谱进行了外泌体蛋白质组学分析,共鉴定到了179个外泌体蛋白质,主要参与防御响应和免疫应答等生物过程。针对来自正常对照组、骨量减少组和骨质疏松组的血清样本,分离富集其中的外泌体,通过免标记定量蛋白质组学分析,分别鉴定到188、224和185个蛋白质。定量分析显示17个蛋白质的表达量在骨质疏松组和骨量减少组有显著改变(p<0.05),包括Integrin β3、Integrin α2β1、Talin 1和Gelsolin等,说明人体骨质在衰变过程中发生了系统性变化,并体现在血清外泌体中。该研究可为骨质疏松研究提供潜在的分子标志物,有助于阐明其病变机制。

MRP8过表达促进重组酿酒酵母外切纤维素酶生产

增强酿酒酵母纤维素酶分泌能力,为提高利用联合生物加工生产纤维素乙醇的效率提供基础。采用CRISPR/Cas9基因组编辑技术,在分泌表达外切纤维素酶CBH1的酿酒酵母Y294中过表达线粒体核糖体蛋白基因MRP8。与对照菌株相比,过表达MRP8重组酵母的胞外CBH1酶活提高了约80%。实时定量PCR结果分析表明,在MRP8过表达突变体中,CBH1转录水平高于对照菌株,但是与蛋白折叠和分泌相关的关键基因转录水平没有明显变化。在刚果红平板和含有衣霉素或二硫苏糖醇的平板上生长没有受到影响。胞内ATP含量和活性氧积累未发现显著差别。本研究表明MRP8过表达促进外切纤维素酶的生产。

抗氧化基因过表达提高运动发酵单胞菌糠醛耐受性

糠醛是木质纤维素水解液的主要抑制物,能诱发活性氧自由基(Reactive oxygen species,ROS)产生。探索抗氧化基因对于糠醛耐受性的影响有助于改善菌株表型。过表达运动发酵单胞菌Zymomonas mobilis自身的NADH氧化酶(ZMO1885)、NADP+还原酶(ZMO1753)和谷胱甘肽还原酶(ZMO1211)基因,检测胞内ROS、NADH/NAD+以及其耐受性能。结果表明,在2g/L糠醛条件下,相比对照菌株,ZM4/ZMO1885的胞内ROS降低了52.1%,生物量提高了38.9%,且未引起胞内辅因子扰动。过表达ZMO1753和ZMO1211没有显著提高菌株耐受性。在模拟木质纤维素水解液中,ZM4/ZMO1885的生物量较对照菌株提高了46.9%,糖耗速率提高了110.3%,乙醇生产力提高了195.2%。综上,过表达抗氧化酶基因能够影响糠醛胁迫耐受性,其中过表达ZMO1885不仅不影响细胞正常生长,还能降低ROS水平,提高糠醛去除率,改善了细胞的糠醛耐受性。

crp基因突变对大肠杆菌利用混合碳源的影响

木质纤维素生物质是一种由多种糖类组成的混合碳源,对于生产各种生物燃料和生物化学物质有很重要的经济意义和环境意义。因此,许多研究者致力于多种糖类共利用的研究。作者在研究中探讨了在好氧和厌氧条件下,调控crp基因(crp+)对菌株消耗诸如葡萄糖、果糖、木糖等糖类组成的混合碳源的影响。野生型先消耗葡萄糖,葡萄糖耗尽后果糖和木糖才同时被消耗。在crp+突变株中,分解代谢阻遏在一定程度上被解除,胞外木糖醇产量降低,使得果糖和木糖能够同时被消耗,木糖的消耗速率增加。同时,通过发酵数据、基因转录水平分析和代谢流分析等方法来阐明crp+对整体调控机制的影响。crp基因的增强会导致c AMP-Crp的活性提高,从而促进TCA循环、抑制糖酵解途径,使乙酸的产量下降。

大肠杆菌Lin43利用甘油产丙酮醇-通过敲除gloB基因改善丙酮醛耐受性

采用重组大肠杆菌Lin 43利用甘油产丙酮醇。为了改善菌株对丙酮醛的耐受性,采取敲除glo B基因而不是gloA基因以阻断丙酮醛的脱毒途径。实验结果表明,菌株Lin43ΔgloB对丙酮醛的耐受性要明显优于Lin43ΔgloA。在含20 g·L-1的甘油磷酸盐缓冲液中,通过26 h静息细胞转化,菌株Lin43·gloB pCA24N-yqhE丙酮醇产量达到2.30 g·L-1,并能耐受3.5 mmol·L-1的丙酮醛。同时Lin43·gloB pCA24N-yqhE实现重复发酵,第二轮发酵的产量可达1.53 g·L-1,丙酮醇的得率与第一轮相同。

重组大肠杆菌HW2利用甘油产氢气的研究

从前期得到的一株能在厌氧下高效利用甘油的大肠杆菌突变株HW2出发,通过基因工程改造,提高菌株利用甘油产氢气的能力。首先敲除乳酸脱氢酶基因ldh A和丙酮醛合成酶基因mgs A,得到工程菌株HW2Δldh AΔmgs A。将该菌株在甘油培养基中厌氧培养,结果表明敲除这两基因不影响菌株的生长。培养48 h后,菌株HW2Δldh AΔmgs A的氢气产量为(410.6±33.0)μmol?mg protein-1,是出发菌株HW2的1.6倍。接着在该菌株中过表达经密码子优化的弗氏柠檬杆菌二羟基丙酮激酶来进一步提高氢气的产量。最终获得氢气高产菌株HW2Δldh AΔmgs A p CA24N-dha KL,经过厌氧培养48 h后,氢气产量为(571.5±30.3)μmol?mg protein-1,是出发菌株HW2的2.1倍。

pgi基因敲除对大肠杆菌利用混合碳源的影响

木质纤维素是地球上最丰富的碳源,可广泛应用于生物燃料和生物化工。但是由于分解代谢阻遏,不能完全利用木质纤维素降解产物中获得的多种糖类,严重制约了木质纤维素的商业应用。研究主要构建了一株可以同时消耗葡萄糖、果糖、木糖的菌株E.coli BW25113△pgi,并探讨了其分别在好氧和厌氧条件下以葡萄糖、果糖、木糖为混合碳源时的碳源利用情况。敲除pgi后,葡萄糖、果糖、木糖三种糖被同时消耗。研究通过发酵数据、基因转录水平数据和代谢流分析数据阐述了敲除pgi解除分解代谢阻遏的机理。pgi基因的敲除导致pts G转录水平下降,增加了c AMP-Crp的含量,从而解除分解代谢阻遏,实现了混合碳源的共利用,为木质纤维素的开发利用提供了新的思路。

Amer1/WTX与APC相互作用的新结合位点鉴定

Amer1(APC membrane recruitment protein 1)又称为WTX(Wilms’tumor X),是首个发现位于X染色体上的抑癌基因.由于其定位的特殊性,Amer1近年来成为研究的热点之一.研究表明,Amer1作为骨架蛋白在细胞内与多种蛋白(APC,β-catenin,Axin等)直接结合,在Wnt信号通路中发挥着重要功能.据报道Amer1/WTX含有3个肿瘤抑制蛋白质APC(adenomatous polyposis coli,APC)的结合位点,对于APC在细胞膜上的定位过程中发挥着重要的作用.但是,通过序列比对发现,Amer1可能存在第4个被忽略的APC的结合位点,定位于A1和A2之间.为了验证该片段能否与APC结合,分别构建了GST-Amer1(365-375)和His-APC(407-775)两种重组蛋白.通过GSTpull down,证明了这两个片段存在相互作用,并进一步通过ITC(isothermal titration calorimetry)实验测定了两者结合的亲和力.本研究结果不仅在体外证实了Amer1第4个APC结合位点的存在,也为APC和Amer1/WTX复合物的结构和功能的研究打下了良好的基础.

基于亲和色谱的肺癌细胞磷酸化蛋白质组研究及其应用

磷酸化是蛋白质翻译后修饰的重要形式之一,其异常往往会导致细胞内信号通路的紊乱和疾病的发生。固定化金属离子亲和色谱(IMAC)是磷酸化肽段的高效富集技术,在磷酸化蛋白质组研究方面应用广泛。该研究以金属钛离子(Ti^4+)螯合IMAC材料(Ti^4+-IMAC)为载体,进行磷酸化肽段富集。比较了10μm Ti^4+-IMAC通过振荡法和固相萃取法(SPE)富集磷酸肽的效果,发现振荡法可以富集到更多的磷酸肽;对比了两种尺寸(10μm和30μm)Ti^4+-IMAC在磷酸化肽段富集中的差异,发现小尺寸材料富集效果更佳。进一步采用优化的策略比较了不同转移能力肺癌细胞的磷酸化蛋白质组,免标记定量蛋白质组学结果表明,优化的Ti^4+-IMAC方法可以从正常的肺成纤维细胞MRC5、低转移肺癌细胞95C和高转移肺癌细胞95D中分别鉴定到510、863和1108种磷酸化蛋白质,其中317种为3组所共有。该研究共鉴定到1268种磷酸化蛋白质上的7560个磷酸化位点,其中1130个为差异磷酸化位点,文献报道显示部分异常表达的激酶与癌症转移密切相关。通过生信对比分析发现,异常表达的磷酸化蛋白质主要与细胞侵袭、迁移和死亡等细胞迁移方面的功能有关。通过优化磷酸化肽富集策略,初步阐明了磷酸化蛋白质网络的异常与肺癌转移之间的相关性,该方法有望用于肺癌进展相关的磷酸化位点、磷酸化蛋白质及其信号通路研究。

一株地衣芽孢杆菌脲酶生产的发酵优化和酶学性质

对中国南海海绵Halichondria regosa中分离得到脲酶产生菌Bacillus licheniformis B81进行脲酶生产的发酵条件优化;并对其脲酶特性进行测试。通过对基础培养基筛选后,对选定基础培养基进行了Plachett-Bunman重要因素筛选,最终选定的重要因素通过单因素实验得到了最终的培养基配方为:葡萄糖25 g/L,蛋白胨12.5 g/L,牛肉膏5 g/L,酵母粉6.5 g/L,KH2PO42 g/L,NaCl 1 g/L,尿素0.625%(W/V),Ni(NO3)20.006 25%(W/V),H2O 1 L。优化后,使得脲酶的产量提高到了原培养基的170%。菌株所产生的脲酶的最适反应pH为7.0,最适温度为40℃,Pb2+、Cu2+对脲酶活性具有抑制作用。

重组大肠杆菌HW2利用甘油高产1,2-丙二醇的研究

对一株能在厌氧条件下高效代谢甘油的大肠杆菌突变株HW2进行基因工程改造,使其能利用甘油合成1,2-丙二醇。首先,敲除HW2中与丙酮醛脱毒途径相关的三个基因ald A、glo A、hch A和乳酸合成基因ldh A,得到菌株HWAGHL,并在甘油培养基I中厌氧培养。结果显示菌株HWAGHL代谢甘油的能力并没有明显减弱,培养120 h后能产0.013 g?L?1的1,2-丙二醇。在HWAGHL中单独过表达mgs A后,经72 h厌氧培养可得0.04 g?L?1的1,2-丙二醇,在HWAGHL中共表达gld A、dha KL(来自弗氏柠檬杆菌)、mgs A和yqh D(HWAGHL/p TH)后,经72 h厌氧培养可得0.48g?L?1的1,2-丙二醇。在菌株HWAGHL/p TH中过表达gld A和fuc O,1,2-丙二醇产量可分别提高18%和16%。最后,菌株HWAGHL/p TH在甘油培养基II中厌氧培养,72 h可得1.58 g?L?1的1,2-丙二醇,得率为0.20 g?g?1甘油。

非离子表面活性剂对鞘氨醇单胞菌MH13转化吩嗪的影响

1,2-二羟基-1,2-二氢吩嗪是一种手性的二醇,可以被用来作为合成吩嗪类衍生物的前体。鞘氨醇单胞菌MH13能将吩嗪转化为1,2-二羟基-1,2-二氢吩嗪。利用添加非离子表面活性剂的方法对鞘氨醇单胞菌MH13转化吩嗪进行了研究。首先考察了不同种类的非离子表面活性剂对菌株生长的影响。结果表明2%的Triton X-100和Triton X-114抑制鞘氨醇单胞菌MH13的生长,而2%的聚醚L64对鞘氨醇单胞菌MH13毒性较小。然后选用2%的聚醚L64作为添加剂,在培养24h后中间产物1,2-二羟基-1,2-二氢吩嗪产量达到最大,浓度达到了(98.9±7.1)mg/L,是不添加非离子表面活性剂的1.32倍。

超高浓度乙醇连续发酵体系振荡行为诱发因素研究

超高浓度(Very high gravity,VHG)发酵可以显著提高发酵终点乙醇浓度,节省精馏能耗,同时减少废糟液量。然而,酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)VHG乙醇连续发酵过程中生物量、乙醇、残糖浓度等发酵参数呈现长周期、大振幅的振荡行为,不仅严重影响系统的乙醇发酵性能,而且不利于下游精馏装置的稳定运行。本研究比较三株不同乙醇耐受性的酵母菌株的VHG乙醇连续发酵行为,发现乙醇耐受性强的S.cerevisiae BHL01和S.cerevisiae 4126体系呈现周期性振荡行为,而乙醇耐受性差的S.cerevisiae S288c体系则未观察到振荡行为。此外,通过对低糖稳态体系外源施加乙醇胁迫发现,细胞耐受范围内的外源乙醇胁迫可以诱发周期性的振荡行为。另一方面,本研究考察了培养基组成和供氧对周期性VHG振荡行为的影响,结果表明,切换合成培养基或停止供氧后,振荡行为逐渐衰减,表明周期性VHG振荡行为需要能量和营养维持。综合实验结果,本研究提出VHG振荡行为是比生长速率、比死亡速率、稀释速率和细胞乙醇耐受性整体调控的结果。

导读

本期主要选择酶蛋白改造优化与在生物催化中的应用、微生物细胞工厂构建、底盘微生物开发和优化以及高价值生物基化学品生产等方面,特别是高效酶突变体获得、酿酒酵母合成生物学技术和包括人乳铁蛋白、α-熊果苷、橘烯、半乳糖醇在内的多种活性产物生物合成等研究论文,以及人工智能辅助酶蛋白设计和微生物形态工程等相关综述进行导读。

放线菌中铁载体生物合成机制研究进展

铁载体是由微生物产生,对铁元素具有高亲和性的小分子化合物。这类天然产物所展现的结构多样性引起人们对其生物合成机制的极大兴趣。目前已有研究报道的铁载体生物合成途径主要有2种,一是直接由非核糖体肽合成酶(Nonribosomal peptide synthetases,NRPSs)家族的多酶复合体负责合成,另一种是以不依赖于NRPS(NRPS-independent,NIS)的方式,由一类特殊合成酶家族参与合成。在过去的十多年中,铁载体生物合成成为天然产物生物合成研究领域的热点之一,其中几种依赖于NRPS途径合成的铁载体生物合成机制已得到充分阐明,而对NIS方式合成的铁载体研究也获得了诸多进展。作为放线菌的一类重要次级代谢产物,通过遗传学、化学等手段对放线菌所产生铁载体生物合成途径的遗传学和生物化学研究,能够为发展新的抗菌药物提供契机,同时也能加深我们对这一类生物活性物质形成机制的认识。综述近期该研究方向的进展。