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基于糖原代谢调控的蓝细菌光合细胞工厂优化研究进展

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生物工程学报 2022年第2期38卷 592-604页

作者：郑思妮孙绘梨毛绍名栾国栋吕雪峰中南林业科技大学生命科学与技术学院湖南长沙410004 中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室山东青岛266101 山东能源研究院山东青岛266101 青岛新能源山东省实验室山东青岛266101

蓝细菌是重要的光合自养微生物,也是最具潜力的光合微生物底盘之一,被广泛应用于光驱固碳细胞工厂的开发。糖原是蓝细菌最重要的天然碳汇物质,糖原代谢对蓝细菌光合碳流的分配和调控具有重要意义。为了优化蓝细菌光合细胞工厂的合成效能... 详细信息

蓝细菌是重要的光合自养微生物,也是最具潜力的光合微生物底盘之一,被广泛应用于光驱固碳细胞工厂的开发。糖原是蓝细菌最重要的天然碳汇物质,糖原代谢对蓝细菌光合碳流的分配和调控具有重要意义。为了优化蓝细菌光合细胞工厂的合成效能,驱动更多的光合碳流重定向至目标代谢产物的合成,已经有多种策略和方法被成功开发用于调控蓝细菌的糖原代谢和糖原含量。然而,作为具有全局效应的重要碳汇机制,针对糖原代谢的调控往往对蓝细菌底盘藻株的光合生理和代谢网络造成复杂的影响,在不同光合细胞工厂合成效能优化上取得的效果也不尽相同。文中梳理了蓝细菌糖原代谢工程的最新进展,对糖原代谢调控造成的生理、代谢影响进行了介绍和分析,进而对通过糖原代谢调控来优化光合细胞工厂效能的研究前景进行了展望。

关键词：蓝细菌光合细胞工厂糖原代谢工程光合作用

蓝细菌次级代谢产物伪枝藻素的研究进展与展望

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中国生物工程杂志 2023年

作者：张爱娣崔金玉张亚宁毛绍名栾国栋吕雪峰中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室青岛新能源山东省实验室山东能源研究院中南林业科技大学林业生物技术湖南省重点实验室中南林业科技大学生命科学与技术学院

蓝细菌是重要的光合自养微生物，利用太阳能将二氧化碳转化成高附加产值化学品，且具有营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等优势。伪枝藻素是一种脂溶性芳香族生物碱色素，由少数蓝细菌在胁迫环境下形成，具有很强的紫外吸收、抗炎... 详细信息

蓝细菌是重要的光合自养微生物，利用太阳能将二氧化碳转化成高附加产值化学品，且具有营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等优势。伪枝藻素是一种脂溶性芳香族生物碱色素，由少数蓝细菌在胁迫环境下形成，具有很强的紫外吸收、抗炎以及抑制癌细胞增殖的活性，在日化和医药健康领域具有巨大的开发潜力和应用空间。目前，伪枝藻素的合成和调控机制在蓝细菌念珠藻Nostoc punctiforme PCC 73102等中已得到初步解析，但由于天然宿主在遗传改造和工程应用层面存在多重瓶颈，仍无法实现稳定、高效、绿色的生产。随着合成生物学和代谢工程技术的发展，有望通过异源合成及调控，实现伪枝藻素的高效生产。本文对伪枝藻素的结构、化学性质、功能应用、生物合成途径、调控机制和环境胁迫影响等相关研究进展进行了总结，并对其未来前景和方向进行了展望。

关键词：蓝细菌伪枝藻素合成调控机制环境胁迫功能应用

进化工程在蓝细菌生物学和生物技术研究中的应用

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中国生物工程杂志 2023年第11期43卷 92-104页

作者：马依凡孙绘梨毛绍名栾国栋吕雪峰中南林业科技大学生命科学与技术学院长沙410004 中南林业科技大学林业生物技术湖南省重点实验室长沙410004 中国科学院青岛生物能源与过程研究所、中国科学院生物燃料重点实验室青岛266101 山东能源研究院青岛266101 青岛新能源山东省实验室青岛266101

蓝细菌是光合作用、叶绿体起源和植物进化等基础生物学研究的重要模式生物,也作为极具潜力的微生物光合平台在固碳合成领域引起广泛关注。蓝细菌基础生物学研究和生物技术开发过程中面临大量的复杂生理和代谢表型改造需求,理性的靶向改... 详细信息

蓝细菌是光合作用、叶绿体起源和植物进化等基础生物学研究的重要模式生物,也作为极具潜力的微生物光合平台在固碳合成领域引起广泛关注。蓝细菌基础生物学研究和生物技术开发过程中面临大量的复杂生理和代谢表型改造需求,理性的靶向改造技术往往难以取得理想效果。进化工程不依赖于对微生物遗传背景和代谢网络的认识,在微生物复杂生理耐受表型改造和相关功能机制解析方面有着显著的技术优势,在蓝细菌基础生物学和生物技术研究中也发挥了重要作用。结合进化工程的技术特点和实施案例,在蓝细菌基础科学机制解析和光合生物制造技术开发两条路线上,对进化工程的应用进展进行了总结并对未来发展方向进行了展望。

关键词：蓝细菌进化工程生理耐受性适应性进化光合作用

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蓝细菌次级代谢产物伪枝藻素研究进展与展望

中国生物工程杂志 2023年第10期43卷 85-95页

作者：张爱娣崔金玉张亚宁毛绍名栾国栋吕雪峰中南林业科技大学生命科学与技术学院林业生物技术湖南省重点实验室长沙410004 中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室青岛266101 山东能源研究院青岛266101 青岛新能源山东省实验室青岛266101

蓝细菌是重要的光合自养微生物,可利用太阳能将二氧化碳转化成高附加产值化学品,且具有营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等优势。伪枝藻素是一种脂溶性芳香族生物碱色素,由少数蓝细菌在胁迫环境下形成,具有很强的紫外吸收、抗炎以... 详细信息

蓝细菌是重要的光合自养微生物,可利用太阳能将二氧化碳转化成高附加产值化学品,且具有营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等优势。伪枝藻素是一种脂溶性芳香族生物碱色素,由少数蓝细菌在胁迫环境下形成,具有很强的紫外吸收、抗炎以及抑制癌细胞增殖的活性,在日化和医药健康领域具有巨大的开发潜力和应用前景。目前,伪枝藻素的合成和调控机制在蓝细菌念珠藻Nostoc punctiforme PCC 73102等中已得到初步解析,但由于天然宿主在遗传改造和工程应用层面存在多重瓶颈,仍无法实现稳定、高效、绿色的生产。随着合成生物学和代谢工程技术的发展,有望通过异源合成及调控实现伪枝藻素的高效生产。总结伪枝藻素的结构、化学性质、功能应用、生物合成途径、调控机制和环境胁迫影响等相关研究进展,并对其未来发展前景进行展望。

关键词：蓝细菌伪枝藻素合成调控机制环境胁迫

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蓝藻光驱固碳合成糖类物质的技术研究进展

中国生物工程杂志 2022年第7期42卷 90-100页

作者：曾雪霞但玉毛绍名孙佳慧栾国栋吕雪峰中南林业科技大学生命科学与技术学院长沙410004 中南林业科技大学林业生物技术湖南省重点实验室长沙410004 中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室青岛266101 山东能源研究院青岛266101 青岛新能源山东省实验室青岛266101

糖类物质在食品、医药、日化、发酵领域有着广泛应用,对人类健康和社会发展有着重要意义。发展新型糖类物质合成技术有利于解决传统植物生物质“采集-炼制”产糖模式所面临的高成本、长周期、时空限制等风险和问题。蓝藻是一类重要的光... 详细信息

糖类物质在食品、医药、日化、发酵领域有着广泛应用,对人类健康和社会发展有着重要意义。发展新型糖类物质合成技术有利于解决传统植物生物质“采集-炼制”产糖模式所面临的高成本、长周期、时空限制等风险和问题。蓝藻是一类重要的光自养微生物,也是极具潜力的新型微生物光合平台,发展蓝藻光驱固碳产糖技术有望实现二氧化碳向特定糖类产物的一站式定向转化,实现糖类物质合成的模式变革。糖类物质本身在蓝藻天然光合代谢网络中发挥重要作用,特别是卡尔文循环、糖原代谢、相容性物质代谢等几个重要生理模块的运转都是以不同糖类物质的转化来驱动的;而合成生物技术的发展又为光合产糖网络重塑和扩展注入了新的驱动力,在产品类型、合成模式及生产效率上显著提升了蓝藻光驱固碳产糖技术的发展和应用潜力。针对蓝藻光驱固碳产糖技术的发展应用,从模式、策略、产物等不同维度总结了相关进展和风险挑战,并对其未来前景和方向进行了展望。

关键词：蓝藻光合作用糖合成生物学

面向高效光驱固碳产醇的蓝细菌合成生物技术研究进展

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合成生物学 2023年第6期4卷 1161-1177页

作者：孙绘梨崔金玉栾国栋吕雪峰中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室山东青岛266101 山东能源研究院山东青岛266101 青岛新能源山东省实验室山东青岛266101

蓝细菌能够直接利用二氧化碳和太阳能通过光合作用生产乙醇,为提供绿色生物燃料提供了一条有前途的可持续路线。光驱固碳合成乙醇是最具代表性的蓝细菌光合生物制造技术。乙醇并不属于典型的蓝细菌天然代谢物,蓝细菌产醇细胞工厂的构建... 详细信息

蓝细菌能够直接利用二氧化碳和太阳能通过光合作用生产乙醇,为提供绿色生物燃料提供了一条有前途的可持续路线。光驱固碳合成乙醇是最具代表性的蓝细菌光合生物制造技术。乙醇并不属于典型的蓝细菌天然代谢物,蓝细菌产醇细胞工厂的构建需要通过向基因组中导入异源的丙酮酸脱羧酶并结合异源/内源醇脱氢酶的过量表达来实现;在过去二十多年间,通过蛋白、途径、底盘、工艺层面的系统优化,蓝细菌产醇细胞工厂的效能得到有效提高,乙醇成为目前产量最高、产率最高、碳流分配率最高的蓝细菌代谢工程产物。本文总结并比较了“蓝细菌生物质炼制产醇”“蓝细菌固碳产糖-产醇”“蓝细菌固碳直接产醇”等三种光驱固碳产醇技术路线,并以构建光合细胞工厂驱动二氧化碳一站式转化为乙醇的技术路线为主,从乙醇合成途径优化与强化、蓝细菌光合碳代谢网络的调节与重塑、代谢网络模型与计算机辅助设计引导细胞工厂构建和优化三个方面对蓝细菌高效光驱固碳合成乙醇的技术发展历程和基本现状进行了介绍,特别是强调了计算生物学、系统代谢工程、生物材料嵌合等研究手段在本领域的应用进展;在此基础上,也从新型底盘开发、高通量筛选技术应用、细胞工厂的稳定性与鲁棒性优化等角度对蓝细菌固碳产醇的未来发展方向进行了展望。

关键词：蓝细菌光合生物制造合成生物学代谢工程乙醇

阿夫唑嗪和多沙唑嗪及其光学异构体对麻醉小鼠血压和尿道压的手性药理学研究

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阿夫唑嗪和多沙唑嗪及其光学异构体对麻醉小鼠血压和尿道压的手性...

作者：栾国栋河北医科大学

学位级别：硕士

α受体阻断药可阻断α受体,使膀胱颈部、前列腺平滑肌和尿道松弛,降低近段尿道张力,使尿流阻力减小,从而缓解排尿梗阻症状,是目前治疗BPH并发LUTS(BPH/LUTS)的一线药物。但是,α受体阻断药会导致眩晕、头痛、无力、体位性低血压、鼻炎... 详细信息

α受体阻断药可阻断α受体,使膀胱颈部、前列腺平滑肌和尿道松弛,降低近段尿道张力,使尿流阻力减小,从而缓解排尿梗阻症状,是目前治疗BPH并发LUTS(BPH/LUTS)的一线药物。但是,α受体阻断药会导致眩晕、头痛、无力、体位性低血压、鼻炎和性功能障碍等不良反应。因此,研究开发治疗BPH/LUTS的α受体阻断药时,药物的“下尿路选择性”成为该研究领域重点关注的课题。目的:观察阿夫唑嗪和多沙唑嗪及其对映体静脉给药对麻醉小鼠血压和尿道灌流压的作用,分析其手性药理学特征。方法: 1.雄性昆明种小鼠以乌拉坦麻醉后,分离左侧颈总动脉,将静脉输液针插入左侧颈总动脉,输液针另一端与压力换能器连接,颈总动脉血压经压力换能器记录于八道生理记录仪。将静脉给药装置的针头刺入尾静脉,以备给药。 2.小鼠麻醉后,将尿道插管由膀胱顶部小孔插入,经膀胱颈插入尿道,于膀胱颈部结扎固定。打开恒速灌流装置系统,灌流尿道;记录并观察尿道灌流压(UPP)的变化情况。结果: 1 (±)ALF、(±)DOX及二者的对映体对小鼠颈总动脉血压的影响(±)ALF、(±)DOX及二者的对映体(2000 nmol·kg)剂量依赖性降低收缩压、舒张压和平均动脉压(P0.05)。 3 (±)ALF、(±)DOX及二者的对映体对多剂量苯肾上腺素升高小鼠UPP的影响对照组小鼠静脉给予苯肾上腺素0.1.6μmol·kg后,小鼠UPP呈剂量依赖性升高。累积给予(-)ALF、(+)ALF和(±)ALF 2000 nmol·kg均显著抑制0.4.8μmol·kg苯肾上腺素升高小鼠UPP的作用(P0.05)。累积给予(+)DOX和(±)DOX 2000 nmol·kg均显著抑制0.2.6μmol·kg苯肾上腺素升高小鼠UPP的作用(P0.05)。与对照组相比,给予2000 nmol·kg (±)DOX后,第5、30、60和90 min均显著抑制苯肾上腺素升高小鼠UPP的作用(P<0.05,P<0.01);但是,同剂量ALF抑制苯肾上腺素升高小鼠UPP的作用随时间延长而减弱,第90 min时ALF的抑制作用消失。 6特拉唑嗪和哌唑嗪对单剂量苯肾上腺素升高小鼠UPP的影响给予1000 nmol·kg (±)ALF、(±)DOX、特拉唑嗪和哌唑嗪后,除(±)DOX外,其他3个药物均显著抑制1.6μmol·kg苯肾上腺素升高小鼠UPP的作用(P<0.05,P<0.01)。增加剂量至2000 nmol·kg时,3个药物的抑制作用进一步增强,且显著强于同剂量(±)DOX的抑制效应(P<0.01);20

关键词：血压尿道压阿夫唑嗪多沙唑嗪对映体 α1受体阻断药小鼠

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耐高温杂萘联苯环氧胶粘剂及其纳米改性研究

耐高温杂萘联苯环氧胶粘剂及其纳米改性研究

作者：栾国栋大连理工大学

学位级别：硕士

环氧树脂型胶粘剂以其优异的粘结强度、较低的收缩率、良好的电绝缘性、和优异的工艺性能其在工业领域都已到广泛的应用,但其耐热性能差限制了其在高科技领域的应用。因此,如何提高环氧树脂胶粘剂的耐热性成为一个重要的研究方向。本论... 详细信息

环氧树脂型胶粘剂以其优异的粘结强度、较低的收缩率、良好的电绝缘性、和优异的工艺性能其在工业领域都已到广泛的应用,但其耐热性能差限制了其在高科技领域的应用。因此,如何提高环氧树脂胶粘剂的耐热性成为一个重要的研究方向。本论文通过设计、合成新型环氧树脂与新型固化剂两个途径制备了两种耐高温的环氧胶粘剂体系,并初步采用纳米SiO2对其改性。主要工作包括以下三部分：1、通过两步法合成了杂萘联苯环氧树脂(DHPZ-ER),并与双酚F环氧树脂(双酚F-ER)的共混物为基体树脂,以低分子量聚酰胺(H-4)为固化剂制得胶粘剂体系,研究了该胶粘剂体系的固化动力学,得到固化反应级数为1.154,确定阶段性升温固化工艺为150℃/1h+170℃/2h+190℃/1h,通过红外光谱对反应程度进行了表征。通过三因素三水平正交试验,确定常温与150℃老化24h后的最佳配方分别为双酚F-ER:DHPZ-ER:H-4=6：2：3和双酚F-ER:DHPZ-ER:H-4=4:2:3,胶接工艺为：使用盐酸溶液酸蚀10min,往基体喷涂两次偶联剂KH-560,涂胶次数为两次,二者的剪切强度均大于20MPa。2、通过DSC研究了双酚F环氧树脂/DHPZ-DA体系的固化动力学,得到固化反应级数为0.93,确定固化温度为150℃/1h+170℃/2h+190℃/1h,并研究了该体系的粘接性能和固化物的耐热性能,最佳配方为双酚F环氧树脂：DHPZ-DA为10：4,其剪切强度大于10MPa,Tg大于200℃。为进一步提高体系的粘接性能,使用低分子量聚酰胺作为共固化剂,最优配方为双酚F-ER:DHPZ-DA:H-4=10:3:3,其常温剪切强度与150℃老化24h后的剪切强度均大于24MPa。3、通过正交试验研究偶联剂用量、改性反应温度、反应时间对纳米SiO2的分散性的影响,研究表明,偶联剂使用量为最大影响因素。考察了纳米SiO2的加入对上述两个胶粘剂体系的粘接性能和耐热性能的影响,结果表明,改性后的纳米SiO2对上述两个胶粘剂体系的剪切强度均提高了10%以上,使其分解温度提高15℃以上。

关键词：耐温胶粘剂固化动力学环氧树脂杂萘联苯纳米SiO2

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微藻光驱固碳合成技术的发展现状与未来展望

合成生物学 2022年第5期3卷 884-900页

作者：崔金玉张爱娣栾国栋吕雪峰中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室山东青岛266101 山东能源研究院山东青岛266101 青岛新能源山东省实验室山东青岛266101 中南林业科技大学生命科学与技术学院湖南长沙410004

发展CO_(2)的高效资源化利用技术可同时缓解迫切的环境和能源压力,是实现“双碳”目标的重要途径。微藻是重要的光合固碳微生物,是生物圈初级生产力的主要来源,也是研究光合作用的重要模式体系。近年来,微藻又被视为极具潜力的新型微生... 详细信息

发展CO_(2)的高效资源化利用技术可同时缓解迫切的环境和能源压力,是实现“双碳”目标的重要途径。微藻是重要的光合固碳微生物,是生物圈初级生产力的主要来源,也是研究光合作用的重要模式体系。近年来,微藻又被视为极具潜力的新型微生物光合平台,具有将太阳能和CO_(2)直接转化为各种生物基产品的潜力,该生产模式被称为光驱固碳合成技术,可以同时起到固碳减排和绿色合成的效果,是有望助力“双碳”战略目标实现的新型生物制造技术路线。微藻光驱固碳合成技术本质上是通过微藻光合代谢网络重塑实现CO_(2)的资源化利用,对该方面本文系统总结了“拆盲盒”“挤海绵”“动刀子”3种基本开发模式的研究进展、重要突破和代表性应用示范。而微藻光合代谢网络的深度重塑,又有效扩展了基于微藻光驱固碳合成过程的技术应用场景,在这一方面,本文着重总结微藻生物技术与生物医学、生物光伏、生物航天技术等新型应用场景和技术领域的交叉融合。最后,还针对微藻光驱固碳合成技术在应用中面临的挑战,提出应该重点从合成生物学工具箱开发、高效光合平台开发、规模化培养防污染和防逃逸策略开发等几个环节进行攻关,以加强微藻光驱固碳合成过程的可控制性和可应用性。

关键词：微藻光驱固碳细胞工厂合成生物学开发模式