合成生物系统构建与绿色生物“智”造

微生物细胞工厂生产化学品是解决能源和环境问题的有效方式之一。越来越多的化合物可通过合成生物系统实现在微生物中的合成,但菌株的生产能力和鲁棒性仍需进一步提高。提高细胞工厂的智能化,实现生物“智”造过程,将是解决菌株发酵生产能力不足和鲁棒性差的重要途径。本文从蛋白质设计的智能化、生物传感器的智能化、代谢调控的智能化、菌株进化的智能化以及发酵过程智能化等五个层面对生物“智”造的研究现状进行介绍。生物“智”造的发展将为提高工业生物过程的生产水平和过程节能减排做出重要贡献。

微生物细胞工厂的智能设计进展

在细胞工厂构建中设计-构建-测试-学习(design-build-test-learn,DBTL)循环是开发微生物细胞工厂的基本研究思路,其中设计环节尤为重要,然而传统的微生物细胞工厂设计方法主要依靠经验、费时费力、准确率低,影响了微生物细胞工厂的开发效率。当前,规模越发庞大的生物数据库和人工智能技术推动了微生物细胞工厂智能设计的快速发展,提升了在生物合成途径设计、调控元件设计和全局优化设计等方面的设计效率与应用。本文综述了微生物细胞工厂中途径预测、元件设计和途径与元件的组合三个环节中的智能设计工具,微生物细胞工厂智能设计的飞速发展将对生物制造领域产生变革性的影响。

植物天然产物氧化与微生物制造

在植物天然产物合成过程中,氧化反应是其中的关键反应,氧化酶是催化氧化反应不可或缺的生物催化剂,也是利用微生物合成植物天然产物过程中不可或缺的关键酶。介绍了萜类、生物碱、黄酮等植物天然产物骨架的氧化修饰,按照辅基的差异对合成植物天然产物过程中的氧化酶进行分类介绍,阐释了不同辅基参与氧化反应的机理。此外,还介绍了植物天然产物氧化过程在微生物合成过程中的难点,以及提高氧化酶催化效率的方法。最后,对未来合成生物学中氧化酶在微生物合成植物天然产物领域的前景进行了展望。

甘草黄酮合酶Ⅱ催化甘草素特异性合成7,4'-二羟基黄酮

利用同源序列比对和分子进化树分析从胀果甘草转录组数据库中挖掘并成功克隆到2个黄酮合酶基因:Gur.gene26505和Gur.gene26116。经表征Gur.gene26505为黄酮合酶Ⅱ,具有催化甘草素特异性合成7,4′-二羟基黄酮的特性,而Gur.gene26116为黄烷酮2位羟化酶,可催化甘草素生成包括7,4′-二羟基黄酮在内的三种产物。进一步通过蛋白质结构预测、分子对接和分子动力学模拟探究了黄酮合酶Ⅱ(Gur.gene26505)催化合成7,4′-二羟基黄酮特异性的原因。由于Gur.gene26505活性口袋附近特有的刚性结构β片层使大位阻苯丙氨酸残基翻转至羟化中心下方,消除了羟化产物2-羟基甘草素进入脱水中心的阻力进而发生C_(2)-C_(3)位的脱水反应特异性生成7,4′-二羟基黄酮。最后通过基因过表达、反应条件优化和强化菌体生长建立了7,4′-二羟基黄酮特异性合成的最佳细胞催化工艺,使甘草素转化率达到了76.67%。