合成生物学研究中的微生物启动子工程策略

合成生物学研究对于我国绿色生物制造产业和可持续发展战略至关重要。启动子是合成生物学核心元件,是在转录水平上实现基因高效、精准表达调控的最关键因素之一。本文重点对原核微生物启动子工程研究的基本内容、研究进展及发展趋势进行了综述。首先概述了启动子序列基本特征及其受RNA聚合酶σ因子识别调控的一般规律;并以大肠杆菌乳糖操纵子为例简要介绍了诱导型启动子的负调控与正调控诱导机制。其次,分别从对靶基因自身内源启动子进行突变改造以及采用高效外源启动子进行替换改造这两个方面入手,阐述了启动子改造的常用策略。进一步对近年来公开报道的不同类型诱导型启动子进行了梳理,小结了代表性化学分子诱导剂以及物理信号诱导方式的种类及基本特征。简述了非模式和模式微生物组成型启动子的研究进展及研究侧重点。结合动态代谢调控技术及人工智能工具的突破性发展,提出具有动态调控功能的特殊启动子的发现与改造、全新性能启动子元件的人工智能设计与改造等将成为启动子工程研究的新方向与新前沿。最后分析了启动子工程领域存在的挑战性问题,展望了今后的研究重点,并结合合成生物学的发展,进一步强调了微生物启动子工程的重要作用。

微生物细胞工厂生产化学品的研究进展——以几种典型小分子和大分子化学品为例

微生物细胞工厂的创制和优化改造是绿色生物制造的重要内容。基于构建高效微生物细胞工厂的主要使能技术及其新发展,以几种典型小分子和大分子化学品为例,综述了微生物细胞工厂生产化学品的研究进展。讨论了启动子工程、代谢流分析等经典的使能技术和CRISPR基因编辑、诱变耦合高通量筛选、基于人工智能的生物信息学等新技术对于微生物细胞工厂构筑的重要作用。分别以有机醇、有机酸、有机胺小分子和多糖、聚酯类生物大分子的微生物合成为例,分析了如何面向不同特点的产物分子,设计实施不同的基因改造策略,并概述了近年来代表性菌株的生产性能。进一步展望了未来微生物细胞工厂生产化学品的总体发展趋势和应用前景。

游离细胞催化法生产丙烯酰胺的菌株改造策略

丙烯酰胺是一种重要的酰胺类化合物,其聚合产物——聚丙烯酰胺被广泛应用于三次采油、水处理、造纸、冶金等领域。以腈水合酶为核心的生物催化法,尤其是游离细胞催化法,具有转化效率高、产物纯度高以及环境友好等优点,是目前丙烯酰胺生产的主要方法;而腈水合酶及其生产菌株的性能在丙烯酰胺生产工艺中起着至关重要的作用。分别从细胞层次和酶层次对常用的生产菌株性能改造策略进行了简介,并重点阐述了目前用于腈水合酶生产菌株改造的基因重组策略。最后介绍了腈水合酶和产酶细胞的协同改造策略及改造效果。其中,通过对产腈水合酶红球菌R.ruber TH在酶和细胞层面的协同改造,重组游离细胞TH8实现了工业规模约500g/L高浓丙烯酰胺的三批次水合制备。

生化工程界的引领者--悼念王义翘教授

第一次听闻王义翘(Daniel I.C.Wang)教授的名字,是在我的导师沈忠耀教授那里--他是清华大学化学工程系生物化工研究所的第一任所长。当王义翘教授在1984年应国家科委生物工程中心的邀请来华访问并对我国生物技术方向“九五”规划提出建议的时候,沈忠耀老师就与他相识了。当时,清华大学化工系正在创建生物化工学科。此后,1997年,王义翘教授和他的弟子胡维硕教授,又应邀来华参加清华大学主办的亚太生化工程国际会议并做大会报告,此时我作为大会组委会的博士生志愿者,有幸初识了王教授。他对基因工程、发酵工程技术以及生物化工产业重要性的预判及其必将蓬勃兴起的预见,以及他在报告中、交流中所展现出来的渊博知识、学者风度,都给我留下了极其深刻的印象。

代谢物生物传感器:微生物细胞工厂构建中的合成生物学工具

代谢物生物传感器作为重要的合成生物学工具,能够感应细胞内代谢物浓度的变化,转化为特定信号输出,在微生物细胞工厂的构建中显现出巨大的应用潜力。其主要组成部分通常包括生物识别元件和信号输出元件,前者来源于自然界中丰富的调控元件,如转录因子、核糖开关等,有着不同的响应机理,后者可以为荧光信号、生长优势、特定代谢通路的开闭等,取决于应用所需。着重介绍了近年来代谢物生物传感器在微生物细胞工厂构建中的应用实例,主要包括目标化合物菌株的高通量筛选、选择、胞内代谢动态调控和非遗传异质性选择,同时也着重讨论了代谢物生物传感器的性能对于应用的影响和在实际应用中可能面临的机遇与挑战。

生物合成脂肽的驱油降黏性能评价及微观驱油机理研究

对脂肽类生物表面活性剂进行了岩心驱油和稠油降黏评价,并初步探索了脂肽类表面活性剂的微观驱油机理。实验结果表明,加入脂肽类表面活性剂的四元复合驱体系可以显著降低化学表面活性剂用量,采收率比三元复合驱提高了2.1百分点。采用含脂肽的碱性溶液作为复配降黏剂,在m(降黏剂)∶m(稠油)=1∶1、脂肽0.2 g/L、碱性盐1.2 g/L条件下,稠油体系降黏率达98.8%。进一步的微观驱油机理研究发现,该脂肽类表面活性剂分子极性强、可改变基质润湿性、降低油水界面张力、将水驱后模型通路中的剩余油乳化为油滴,显著提高微观洗油效率,从而强化驱油效果。

微化工视角下化学品分布式制造

随着化学工业的转型与升级,分布式化学品制造逐渐走进人们的视野,引起了学术界和产业界的广泛关注.本文从微化工技术的角度切入,对分布式化学品制造的当前进展和潜在的未来发展进行分析,概述化学品分布式制造的核心特征,深入讨论微化工技术在分布式制造中的显著优势,在此基础上分析分布式制造在多个关键领域,如生物医药、精细化学品的合成以及能源行业中的应用现状和前景,并对其面临的挑战和机遇进行展望.

芬芥素类脂肽生物表面活性剂的结构性能与合成强化

脂肽类生物表面活性剂由亲水的寡肽和疏水的长链脂肪酸两部分组成,根据其结构特征,可将其分为环状脂肽和线性脂肽两大类。芽孢杆菌合成的环状脂肽主要包含芬芥素、表面活性素和伊枯草菌素三大家族,其中芬芥素表现出显著的抑菌活性,在植物病虫害防治方面具有良好的应用前景。综述了芬芥素的基本结构、合成机理、抑菌性能以及生物合成强化的研究进展,旨在为芬芥素的合成与应用研究提供参考。

高产表面活性素的重组枯草芽孢杆菌构建及培养优化

表面活性素是一种新型生物表面活性剂,因其具有良好的表面活性、可生物降解及抗菌活性,在石油开采、医药、农业和食品化妆品等领域具有广阔的应用前景。高产表面活性素菌株的获得和发酵过程优化是其商业化生产的关键。文中考察了脂肪酸合成途径对表面活性素合成的影响,强化脂肪酸生物合成关键基因以及该途径全部基因分别构建了高产表面活性素枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis THBS-2和THBS-8,并对发酵过程中氨基酸种类及添加量、诱导剂异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)添加时间和添加量等条件对产物合成的影响进行考察,获得优化的两阶段前体添加方案:发酵3 h,加入IPTG和L-亮氨酸,使其终浓度分别为1.25 mmol/L、5 g/L;发酵24 h,添加L-亮氨酸(终浓度5 g/L)和浓缩培养基5 mL。优化条件下,枯草芽孢杆菌THBS-2摇瓶发酵48 h,表面活性素产量高达24 g/L;30 L发酵罐中发酵68 h,产物产量最高达到34 g/L。研究结果为表面活性素的工业化生产及应用奠定基础。