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化学品生物合成专刊序言

生物工程学报 2023年第6期39卷 2101-2107页

作者：周雍进中国科学院大连化学物理研究所生物技术研究部辽宁大连116023

以酶及微生物细胞催化剂结合工程学方法将廉价、废弃原料进行高效生物转化可实现化学品的可持续生产。近年来,合成生物学、系统生物学及酶工程等技术的快速发展大大推动了化学品的可持续生物制造,既实现了多种新型化学品的生物合成,又... 详细信息

以酶及微生物细胞催化剂结合工程学方法将廉价、废弃原料进行高效生物转化可实现化学品的可持续生产。近年来,合成生物学、系统生物学及酶工程等技术的快速发展大大推动了化学品的可持续生物制造,既实现了多种新型化学品的生物合成,又显著提高化学品的生物合成效率。为展示化学品生物合成的最新进展并促进绿色生物制造的发展,《生物工程学报》特组织出版化学品生物合成专刊,从酶催化与生物合成机制、微生物细胞合成、一碳生物炼制以及关键核心技术等方面,介绍化学品生物合成的最新前沿、挑战以及潜在解决方案。

关键词：合成生物学酶催化细胞工厂生物制造基因编辑

先进生物燃料导向的脂肪酸途径合成生物学改造

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生物工程学报 2011年第9期27卷 1261-1267页

作者：周雍进赵宗保中国科学院大连化学物理研究所大连116023 中国科学院研究生院北京100049 大连洁净能源国家实验室(筹) 大连116023

化石能源日益枯竭,迫切需要寻找新型燃料。脂肪族生物燃料由于其热值高、性能好而受到广泛重视。微生物脂肪酸代谢途径是生产先进生物燃料的重要途径。文中综述了近几年基于合成生物学理念改造脂肪酸途径的进展,介绍了合成生物学在微生... 详细信息

化石能源日益枯竭,迫切需要寻找新型燃料。脂肪族生物燃料由于其热值高、性能好而受到广泛重视。微生物脂肪酸代谢途径是生产先进生物燃料的重要途径。文中综述了近几年基于合成生物学理念改造脂肪酸途径的进展,介绍了合成生物学在微生物柴油、中长链脂肪醇、长链烃类化合物生物合成中的应用,并展望了脂肪族生物燃料的发展方向。

关键词：合成生物学先进生物燃料脂肪酸合成生物柴油

利迪链霉菌初级代谢关键基因的克隆与功能分析

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利迪链霉菌初级代谢关键基因的克隆与功能分析

作者：周雍进天津大学

学位级别：硕士

利迪链菌素是利迪链霉菌产生的一种结构全新、抑菌效果明显的新型抗生素,具有很高的潜在应用价值。然而利迪链菌素的产量低是其应用的限制因素,加强初级代谢途径,提高其产量是一条可行的途径。本文克隆了利迪链霉菌初级代谢的几个关键基... 详细信息

利迪链菌素是利迪链霉菌产生的一种结构全新、抑菌效果明显的新型抗生素,具有很高的潜在应用价值。然而利迪链菌素的产量低是其应用的限制因素,加强初级代谢途径,提高其产量是一条可行的途径。本文克隆了利迪链霉菌初级代谢的几个关键基因,并进行了功能分析。研究了利迪链霉菌对木糖的利用能力,结果表明利迪链霉菌能利用木糖作为唯一碳源,但生长比较缓慢。在低浓度葡萄糖培养基上,木糖对生长具有显著促进作用。从利迪链霉菌中克隆到了木糖代谢的关键基因木酮糖激酶编码基因xylB,长度为1446bp,编码481个氨基酸。这表明,虽然利迪链霉菌利用木糖效率低,但仍然具有木糖代谢的遗传基础。采用同源克隆策略,克隆了利迪链霉菌葡萄糖代谢途径中的4个基因。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因zwf2,长度1542bp,编码513个氨基酸,在242-252位具有AXXXGXGGXA (可能的NADP+结合位点)结构域,43位具有保守残基K(可能的葡萄糖-6-磷酸结合位点)。葡萄糖激酶编码基因glkA,长度954bp,编码317个氨基酸。磷酸果糖激酶基因pfkA1,长度1026bp,编码341个氨基酸。XylB,GlkA,PfkA1属于糖激酶,基于广义酸碱催化机理分析,催化活性区域可能分别为PYLDGERT (326-333位), CXCGXGCXEXY (168-180),DIXXTDXTXTFGFD (125-140位)。异柠檬酸脱氢酶基因idh长2220bp,编码739个氨基酸,Idh催化活性区域可能是HLKATMM(254-260位)。构建了zwf2组成型强表达载体,通过接合转移,将其转化到利迪链霉菌中。经过筛选鉴定,得到了重组利迪链霉菌。通过以上糖代谢关键基因克隆与功能分析研究,并构建了zwf2高表达菌株,为以后深入研究初级代谢对利迪链菌素生物合成的影响奠定了基础。

关键词：利迪链霉菌初级代谢 PCR 木酮糖激酶基因葡萄糖-6-磷酸脱氢酶基因葡萄糖激酶基因磷酸果糖激酶基因异柠檬酸脱氢酶基因

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甲醇酵母代谢工程研究进展

生物工程学报 2021年第3期37卷 966-979页

作者：高琳惠蔡鹏周雍进中国科学院大连化学物理研究所生物技术研究部辽宁大连116023 大连市能源生物技术重点实验室辽宁大连116023

甲醇酵母由于独特优点被认为是绿色生物制造的潜在宿主。特别是其天然甲醇利用性能有望建立甲醇生物转化路线,拓展生物炼制底物,具有重要经济价值和环保意义。文中综述了代谢工程改造甲醇酵母合成蛋白质和化学品的最新研究进展,并比较... 详细信息

甲醇酵母由于独特优点被认为是绿色生物制造的潜在宿主。特别是其天然甲醇利用性能有望建立甲醇生物转化路线,拓展生物炼制底物,具有重要经济价值和环保意义。文中综述了代谢工程改造甲醇酵母合成蛋白质和化学品的最新研究进展,并比较了其与模式生物酿酒酵母作为细胞工厂的优缺点。随后,分析了甲醇酵母代谢工程改造面临的挑战,并展望了潜在解决方案。随着基因操作工具开发和细胞代谢阐释,甲醇酵母将在未来绿色生物制造发挥越来越重要的作用。

关键词：绿色生物制造代谢工程合成生物学基因编辑甲醇生物转化

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葡萄糖和木糖高效共利用代谢工程研究进展

生物工程学报 2024年第8期40卷 2710-2730页

作者：王倩高教琪周雍进中国科学院大连化学物理研究所生物技术研究部辽宁大连116023 大连市能源生物技术重点实验室辽宁大连116023

利用可再生生物质高效生产化学品是可持续生物制造的重要途径。木质纤维素来源广泛且可再生,被认为是极具潜力的第二代生物炼制原料,木质纤维素水解物中混合糖的高效共发酵被认为是降低产品成本的关键途径之一。然而,大多数微生物由于... 详细信息

利用可再生生物质高效生产化学品是可持续生物制造的重要途径。木质纤维素来源广泛且可再生,被认为是极具潜力的第二代生物炼制原料,木质纤维素水解物中混合糖的高效共发酵被认为是降低产品成本的关键途径之一。然而,大多数微生物由于碳源阻遏效应会优先消耗葡萄糖而非木糖,严重制约了木质纤维素转化效率。因此,开发能够同时利用葡萄糖和木糖的微生物平台对工业规模生产至关重要。本文综述了基于代谢工程策略促进微生物高效共利用葡萄糖和木糖的关键方法和研究实例,包括葡萄糖抑制缓解、木糖跨膜转运途径改造、木糖代谢途径构建和定向进化等策略。

关键词：微生物木质纤维素生物炼制木糖代谢工程

多形汉逊酵母细胞工厂实现甲醇生物转化合成3-羟基丙酸

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Chinese Journal of Catalysis 2023年第3期46卷 84-90页

作者：禹伟高教琪姚伦周雍进中国科学院大连化学物理研究所生物技术研究部辽宁大连116023 中国科学院大连化学物理研究所中国科学院分离分析化学重点实验室辽宁大连116023 中国科学院大连化学物理研究所能源生物技术大连市重点实验室辽宁大连116023 中国科学院大学北京100049

3-羟基丙酸(3-HP)是公认的高附加值化学品之一,可用于合成多种化学品,例如丙烯酰胺、丙烯酸、1,3-丙二醇以及可降解塑料.目前3-HP的生物合成过程均以糖为原料,且需求不断增长,亟需寻找不依赖耕地的替代原料.碳一资源来源广泛,是理想的... 详细信息

3-羟基丙酸(3-HP)是公认的高附加值化学品之一,可用于合成多种化学品,例如丙烯酰胺、丙烯酸、1,3-丙二醇以及可降解塑料.目前3-HP的生物合成过程均以糖为原料,且需求不断增长,亟需寻找不依赖耕地的替代原料.碳一资源来源广泛,是理想的生物制造原料.其中,甲醇可由煤、天然气制得,也可由CO_(2)加氢制备.多形汉逊酵母作为典型的甲基营养型酵母,能够以甲醇为唯一碳源和能源进行生长,并且能够耐受高温、高渗透压和低pH等条件,是非常优秀的工业菌株.近年来基因编辑技术的发展,大大加快了多形汉逊酵母代谢工程改造,有望构建高效细胞工厂,实现甲醇生物转化.本文以多形汉逊酵母为宿主,系统改造其细胞代谢实现甲醇高效转化为3-HP.由于汉逊酵母自身不能合成3-HP,因此需要表达来源于Chloroflexus aurantiacus的3-HP合成途径关键基因MCR,该途径以乙酰-CoA和丙二酰-CoA为前体,以还原力NADPH为辅因子.首先优化MCR表达,采用融合蛋白并结合甲醇诱导型启动子PAOX基因组整合MCR表达, 3-HP合成效率最高;其次,强化供应前体乙酰-CoA以及丙二酰-CoA,使3-HP产量提高26%;进一步改造氧化磷酸戊糖途径以增强辅因子NADPH的供应,使3-HP产量提高30%;最后,将增强前体和辅因子供应的有效策略结合,工程菌HP15相比出发菌HP07摇瓶发酵3-HP产量提高135%,达到1.45 g/L.通过摇瓶补料分批发酵, 3-HP产量达到7.10 g/L,得率达到0.14 g/g甲醇,为目前报道碳一资源合成3-HP的较高产量,表明多形汉逊酵母作为甲醇细胞工厂合成化学品具有很好的潜力.预期结合“液态阳光”CO_(2)制备甲醇技术以及甲醇生物转化过程,有望将CO_(2)制备成高附加值化学品,有助于实现碳中和.

关键词：多形汉逊酵母甲醇生物转化代谢工程 3-羟基丙酸碳中和

蛋白质组学和代谢组学在微生物代谢工程中的应用

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色谱 2019年第8期37卷 798-805页

作者：禹伟高教琪周雍进中国科学院大连化学物理研究所中国科学院分离分析化学重点实验室

构建微生物细胞工厂是化学品、生物能源以及药物分子可持续生产的可行性策略。然而,微生物的代谢复杂、调控严谨,制约着目标产物高效合成。蛋白质组学和代谢组学可以从系统生物学角度分析酶和代谢物组分,从而理解复杂的生物系统,为微生... 详细信息

构建微生物细胞工厂是化学品、生物能源以及药物分子可持续生产的可行性策略。然而,微生物的代谢复杂、调控严谨,制约着目标产物高效合成。蛋白质组学和代谢组学可以从系统生物学角度分析酶和代谢物组分,从而理解复杂的生物系统,为微生物代谢工程改造提供重要线索。该文介绍了蛋白质组学和代谢组学在微生物代谢工程中的应用,包括基因组尺度代谢模型构建、菌株生物合成优化、指导菌株耐受性改造、限速步骤预测、植物次级代谢途径挖掘,从而为微生物合成天然产物提供新的基因或途径。在此基础上,该文还展望了生物大数据未来的发展方向。

关键词：蛋白质组学代谢组学基因组尺度代谢模型植物次级代谢微生物代谢工程综述

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构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇

生物工程学报 2013年第8期29卷 1185-1192页

作者：杨薇周雍进刘武军沈宏伟赵宗保中国科学院大连化学物理研究所生物技术部辽宁大连116023 营口理工学院化学工程系辽宁营口115000 中国科学院大连化学物理研究所催化基础研究国家重点实验室辽宁大连116023

香紫苏醇是一种来源于植物的双环二萜醇,常用于香味成分且具有重要生物学活性。为实现香紫苏醇的微生物生产,以酿酒酵母为宿主,表达焦磷酸赖百当烯二醇酯合酶和香紫苏醇合酶,构建香紫苏醇的人工生物合成途径。发现过表达前体代谢关键酶... 详细信息

香紫苏醇是一种来源于植物的双环二萜醇,常用于香味成分且具有重要生物学活性。为实现香紫苏醇的微生物生产,以酿酒酵母为宿主,表达焦磷酸赖百当烯二醇酯合酶和香紫苏醇合酶,构建香紫苏醇的人工生物合成途径。发现过表达前体代谢关键酶、蛋白质融合增强底物通道效应及去除异源蛋白信号肽等,有利于香紫苏醇合成。在摇瓶培养条件下,组合优化得到的工程菌株S6的香紫苏醇产量达到8.96 mg/L。研究结果对其他萜类化合物的异源生物合成具有参考价值。

关键词：香紫苏醇酿酒酵母二萜化合物生物合成合成生物学

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非天然氧化还原辅酶赋能生物制造

化工学报 2024年第11期75卷 4037-4047页

作者：王雪颖周雍进赵宗保中国科学院大连化学物理研究所生物技术研究部辽宁大连116023 大连理工大学生物工程学院辽宁大连116024

生物制造以生物体机能进行大规模化学品加工与合成。这种生产方式相较于传统的化学制造,具有更低的能耗、更少的废物排放和更高的产品附加值,是一种绿色、可持续的生产方式。构建微生物细胞工厂是生物制造的具体实现形式之一。然而,微... 详细信息

生物制造以生物体机能进行大规模化学品加工与合成。这种生产方式相较于传统的化学制造,具有更低的能耗、更少的废物排放和更高的产品附加值,是一种绿色、可持续的生产方式。构建微生物细胞工厂是生物制造的具体实现形式之一。然而,微生物细胞工厂常因胞内辅酶层次的串扰而未能呈现出预期功能。简要介绍调控胞内氧化还原辅酶水平的常规方法及其局限,说明创制非天然辅酶介导系统的必要性。此外,重点以烟酰胺胞嘧啶二核苷酸和烟酰胺单核苷酸为例,介绍如何研制新型生物学元件、氧化还原模块进而设计新的微生物细胞工厂。最后,预测了基于非天然辅酶的生物制造未来发展方向,并分析了所面临的挑战。

关键词：生物催化酶合成生物学辅酶工程非天然氧化还原辅酶

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