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产电细胞的合成生物学设计构建

化工学报 2021年第1期72卷 468-482页

作者：赵贞尧张保财李锋宋浩天津大学化工学院天津300072 天津大学合成生物学前沿科学中心和系统生物工程教育部重点实验室天津300072

以产电微生物为核心的微生物电催化系统在能源、环境等诸多领域有着广泛的应用,然而自然环境中野生型产电微生物可利用底物谱窄、底物摄取代谢强度弱,胞内电子池容量小、还原力再生效率差,胞外电子传递速率慢、电子通量小,这已成为限制... 详细信息

以产电微生物为核心的微生物电催化系统在能源、环境等诸多领域有着广泛的应用,然而自然环境中野生型产电微生物可利用底物谱窄、底物摄取代谢强度弱,胞内电子池容量小、还原力再生效率差,胞外电子传递速率慢、电子通量小,这已成为限制其工业化应用的主要瓶颈。本文基于产电微生物介导的化学能到电能的能量转化路径,总结阐明了产电微生物的胞内电子生成过程与胞外电子传递机制,系统综述了近五年国内外利用合成生物学增强产电微生物底物摄取利用、强化胞内电子生成、加速胞外电子传递方面的研究进展,并对未来设计构建高效产电细胞研究进行了展望。

关键词：生物催化生物能源合成生物学胞外电子传递产电细胞

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酿酒酵母染色体设计与合成研究进展

遗传 2017年第10期39卷 865-876页

作者：徐赫鸣谢泽雄刘夺吴毅李炳志元英进天津大学化工学院系统生物工程教育部重点实验室天津300072 天津化学化工协同创新中心合成生物学平台天津300072

随着合成生物学的蓬勃发展,基因组学的研究正在由读取基因组信息拓展到以编写基因组信息为主的合成基因组学时代。2009年,由Jef ***教授提出的人工合成酵母基因组计划(Sc2.0)旨在合成世界上首个真核生物基因组。在美、中、英、法、澳大... 详细信息

随着合成生物学的蓬勃发展,基因组学的研究正在由读取基因组信息拓展到以编写基因组信息为主的合成基因组学时代。2009年,由Jef ***教授提出的人工合成酵母基因组计划(Sc2.0)旨在合成世界上首个真核生物基因组。在美、中、英、法、澳大利亚、新加坡等多国科学家的努力下,目前已经完成1/3的酵母染色体的人工合成。本文从合成基因组学领域的发展历程出发,介绍了Sc2.0计划中酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)染色体设计与合成的最新进展,包括酿酒酵母9号染色体右臂、3号染色体、2号染色体、5号染色体、6号染色体、10号染色体和12号染色体的设计与合成过程,阐述了其各自的合成策略以及生物学意义,以期为合成基因组学的深入开展提供借鉴与参考。

关键词：合成基因组学合成酵母基因组计划(Sc2.0) 合成型酵母染色体

光催化-生物杂合系统设计优化用于燃料和化学品绿色合成

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化工学报 2022年第7期73卷 2774-2789页

作者：张劢田瑶郭之旗王叶窦广进宋浩天津大学化工学院天津300072 天津大学合成生物学前沿科学中心和系统生物工程教育部重点实验室天津300072

光催化-生物杂合系统耦合了光催化对光能的高收集效率和广谱吸收性能,以及生物催化温和、高效且高特异性转化的优势,可实现多种高值化学品和燃料分子的绿色、可持续合成,符合“碳中和”发展大方向。按照生物催化载体的不同,光催化-生物... 详细信息

光催化-生物杂合系统耦合了光催化对光能的高收集效率和广谱吸收性能,以及生物催化温和、高效且高特异性转化的优势,可实现多种高值化学品和燃料分子的绿色、可持续合成,符合“碳中和”发展大方向。按照生物催化载体的不同,光催化-生物杂合系统可分为:光催化-生物酶杂合系统和光催化-微生物杂合系统两大类。光催化-生物酶杂合系统根据作用机制细分为:辅因子介导的间接反应体系、直接电子传递的反应体系以及混合型光催化-生物酶杂合系统;光催化-微生物杂合系统分为:直接电子传递的胞外供能模式、化学物质介导的胞外供能模式以及胞内的能量供给模式。对这些模式的具体作用机制,以及存在的优缺点和关键问题做出了综合评述,并对该领域提出了未来展望。

关键词：生物催化生物能源二氧化碳捕集光催化杂合系统

合成类胡萝卜素细胞工厂的快速构建和定向进化

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化工进展 2021年第3期40卷 1187-1201页

作者：王颖曲俊泽梁楠郝鹤元英进天津大学教育部合成生物学前沿科学中心天津300072 天津大学系统生物工程教育部重点实验室天津300072 天津大学化工学院天津300072

类胡萝卜素具有丰富的颜色和强抗氧化活性,这赋予了该类产品较高的商业价值,加速了该类产品合成路径在异源底盘中的构建进程,使之成为发展非理性设计策略的有效研究对象。本文主要针对微生物合成类胡萝卜素细胞工厂构建中的瓶颈问题,从... 详细信息

类胡萝卜素具有丰富的颜色和强抗氧化活性,这赋予了该类产品较高的商业价值,加速了该类产品合成路径在异源底盘中的构建进程,使之成为发展非理性设计策略的有效研究对象。本文主要针对微生物合成类胡萝卜素细胞工厂构建中的瓶颈问题,从增强合成类胡萝卜素前体GGPP的供给利用以及缓解各类胡萝卜素产品对微生物底盘细胞的胁迫压力两个角度,系统综述非理性设计策略对元件优化、模块适配和多维调控等路径构建优化方法的丰富,以及对不同尺度的DNA变异和适应性进化等底盘进化手段的推动作用。并从扩展类胡萝卜素合成底盘物种的多样性和丰富非天然类胡萝卜素产品结构的可获得性的需求出发,对构建合成该类产品微生物细胞工厂自动化和智能化的发展趋势进行展望。

关键词：合成生物学细胞工厂类胡萝卜素非理性设计路径构建底盘进化

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多酚干扰细菌群体感应研究进展

中国生物工程杂志 2022年第9期42卷 93-104页

作者：王满满吴胜波吴昊张鹏张育淼乔建军财音青格乐天津大学化工学院天津300072 天津大学系统生物工程教育部重点实验室天津300072 天津大学浙江绍兴研究院绍兴312300 天津化学化工协同创新中心合成生物学平台天津300072

多酚化合物是人类日常饮食中一类典型的天然产物,具有干扰分子信号通路、影响肠道菌群组成和保护人体肠道健康的功能。针对不同微生物群体感应(quorum sensing,QS)系统,多酚能够干扰细菌生物膜的形成和微生物致病性。介绍多酚的类型、... 详细信息

多酚化合物是人类日常饮食中一类典型的天然产物,具有干扰分子信号通路、影响肠道菌群组成和保护人体肠道健康的功能。针对不同微生物群体感应(quorum sensing,QS)系统,多酚能够干扰细菌生物膜的形成和微生物致病性。介绍多酚的类型、来源和含量,总结多酚对多种QS相关表型,如菌体运动性、黏附性、生物膜形成和毒力因子的释放等具有的干扰作用,以及一些常见多酚对典型病原体的干扰作用,提出基于多酚的QS干扰在未来疾病治疗中面临的主要挑战。

关键词：耐药性群体感应干扰多酚化合物生物膜

山梨酮脱氢酶模块与酮古龙酸杆菌底盘细胞的适配分析

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生物工程学报 2016年第9期32卷 1224-1232页

作者：陈思贾楠丁明珠元英进天津大学化工学院系统生物工程教育部重点实验室天津300072 天津化学化工协同创新中心天津300072

酮古龙酸杆菌Ketogulonigenium vulgare是维生素C二步混菌发酵过程中的产酸菌。山梨酮脱氢酶(L-sorbosone dehydrogenase,缩写为SNDH)作为维生素C直接前体2-酮基-L-古龙酸(2-KGA)合成的关键酶,其作用机制并不十分清楚。借助全基因组测... 详细信息

酮古龙酸杆菌Ketogulonigenium vulgare是维生素C二步混菌发酵过程中的产酸菌。山梨酮脱氢酶(L-sorbosone dehydrogenase,缩写为SNDH)作为维生素C直接前体2-酮基-L-古龙酸(2-KGA)合成的关键酶,其作用机制并不十分清楚。借助全基因组测序抽提2个山梨酮脱氢酶基因,分别位于基因组(缩写为sndhg)和质粒(缩写为sndhp)上。通过工程化改造技术在工业产酸菌中构建山梨酮脱氢酶功能模块,比较其对2-KGA产量的影响。研究发现sndhg过表达对菌株产酸影响不明显,sndhp过表达使菌株明显产生副产物。将sndhg和sndhp分别配合辅因子PQQ合成基因pqq A,分别构建sndhg-pqq A和sndhp-pqq A模块,得到的工程菌株产酸情况与之前的结果大致相同。将4株***工程菌株分别与内生芽孢杆菌Bacillus endophyticus混合培养传代50 d后,分离菌株进行混菌发酵,其2-KGA的转化率分别提高了15.4%、179%、0.65%和125%。表明混菌适应性进化策略是一种增加功能模块与底盘细胞适配性,进而快速获得优良性状菌种的有效方法。

关键词：酮古龙酸杆菌山梨酮脱氢酶适配性适应性进化混菌体系

纳米孔测序信号处理及其在DNA数据存储的应用

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中国生物工程杂志 2021年第8期41卷 75-89页

作者：葛奇张鹏韩明哲杨晋生张大璐陈为刚天津大学微电子学院天津300072 天津大学化工学院天津300072 教育部合成生物学前沿科学中心天津大学天津300072 中国生物技术发展中心北京100039

随着高通量测序技术的不断更新,可以在单个分子水平读取核苷酸序列的第三代测序技术迅速发展,纳米孔测序技术是其具有代表性的单分子测序技术,该技术通过检测DNA单链分子穿过纳米孔时引起的跨膜电流信号的变化,实现碱基识别。纳米孔测... 详细信息

随着高通量测序技术的不断更新,可以在单个分子水平读取核苷酸序列的第三代测序技术迅速发展,纳米孔测序技术是其具有代表性的单分子测序技术,该技术通过检测DNA单链分子穿过纳米孔时引起的跨膜电流信号的变化,实现碱基识别。纳米孔测序仪在便携性、碱基读取速度、测序读段长度等方面较传统的第一代与第二代测序技术都有明显优势。随着纳米孔测序技术的不断发展成熟,与其配套的各种信号处理与生物信息处理工具也迅速涌现,碱基识别和模型仿真是其中两个较为关键的研究方向。首先介绍纳米孔测序基本原理与信号处理流程,探讨其目前面临的挑战,归纳近年来在碱基识别与纳米孔模型仿真两个方面的主要进展与发展趋势,并用实测数据比较了不同碱基识别方法的性能。继而搭建了纳米孔测序集成仿真平台,为信号处理算法的评估提供支撑。进一步,随着全球数据量的爆发式增长,DNA数据存储正成为未来非常有潜力的海量数据存储方式,采用纳米孔测序读出是一种非常有效的方法。总结了纳米孔测序技术在DNA数据存储中的应用进展,分析了其可行性。分析了基于纳米孔测序实现的人工染色体数据存储的快速读出方法,探讨了与实际测序数据结合的纳米孔测序读段仿真在DNA数据存储中的应用,为开发适合DNA数据存储的方案提供参考。

关键词：纳米孔测序碱基识别纳米孔信号处理 DNA数据存储

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天然木脂素的代谢工程和合成生物学研究进展

中草药 2016年第14期47卷 2556-2562页

作者：刘津于思礼马雅婷张铁军赵广荣天津大学化工学院制药工程系系统生物工程教育部重点实验室天津300072 天津化学化工协同创新中心合成生物学平台天津300072 天津药物研究院中药研究部天津300193

天然木脂素是一类由2分子苯丙素衍生物氧化聚合而成的植物次级代谢产物,具有抗肿瘤、抗炎、抗病毒、抗氧化和保肝等多种药理活性。随着系统生物学的发展,木脂素的生物合成途径正逐步被解析,应用代谢工程和合成生物学合成木脂素及其衍生... 详细信息

天然木脂素是一类由2分子苯丙素衍生物氧化聚合而成的植物次级代谢产物,具有抗肿瘤、抗炎、抗病毒、抗氧化和保肝等多种药理活性。随着系统生物学的发展,木脂素的生物合成途径正逐步被解析,应用代谢工程和合成生物学合成木脂素及其衍生物已成为研究热点。综述了木脂素生物合成及其工程改造的国内外研究进展,为含木脂素类中药的研究与开发提供参考。

关键词：木脂素中药天然药物生物合成依托泊苷合成生物学代谢工程

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细菌细胞壁生长调控机制研究进展

中国生物工程杂志 2018年第8期38卷 92-99页

作者：赵悦吴昊乔建军天津大学化工学院系统生物工程教育部重点实验室天津300072 天津大学化学化工协同创新中心合成生物学平台天津300072

在细菌生长过程中,细胞壁起到维持细胞形状和完整性,抵抗内部膨胀压的作用。细胞壁的合成、分裂、再生、循环再利用等与细菌自身生长繁殖和应对环境压力息息相关。目前,细胞壁生长机理,细菌如何调控细胞壁生长及如何与其他细胞过程相协... 详细信息

在细菌生长过程中,细胞壁起到维持细胞形状和完整性,抵抗内部膨胀压的作用。细胞壁的合成、分裂、再生、循环再利用等与细菌自身生长繁殖和应对环境压力息息相关。目前,细胞壁生长机理,细菌如何调控细胞壁生长及如何与其他细胞过程相协调的机制尚未研究清楚。细胞壁调控机制的解析对了解细菌细胞壁功能、确定药物的作用方式和发展新一代的治疗方法至关重要。对细菌调控细胞壁生长机制的国外研究进展进行了概述,重点阐述了支架蛋白、转录因子、非编码小RNA及蛋白相互作用调控细胞壁的合成、细胞分裂、压力响应的机制,总结了细胞壁调控机制在抗菌药物研发中的应用,并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：细胞壁支架蛋白转录因子小RNA 蛋白相互作用