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基于应用场景的微生物组工程化策略

微生物学通报 2024年

作者：王敬敬徐松赵维侍浏洋王兴彪韩一凡张小霞黄志勇中国科学院天津工业生物技术研究所天津工业生物系统与过程工程重点实验室国家合成生物技术创新中心

微生物组在工业、农业、环境、健康等多个领域有巨大的应用潜力，如何构建高效稳定的微生物组，并通过工程化将其应用至各个领域是当前研究的重点和难点。总结分析微生物组的构建策略，以促进微生物组在不同场景下的工程化应用。首先根... 详细信息

微生物组在工业、农业、环境、健康等多个领域有巨大的应用潜力，如何构建高效稳定的微生物组，并通过工程化将其应用至各个领域是当前研究的重点和难点。总结分析微生物组的构建策略，以促进微生物组在不同场景下的工程化应用。首先根据应用需求将微生物组的应用场景分为封闭系统、半封闭系统、开放系统，然后回顾了在3种系统中已有的微生物组构建策略，特别分析了其特点和局限，最后根据不同系统的特点，结合实际应用的经验反馈，针对性地提出了微生物组的构建策略。在封闭系统中，主要利用“自下而上”的方法合成微生物组，对微生物个体信息要求较高，对微生物组的效率要求较高；在半封闭和开放系统中，同时利用“自上而下”和“自下而上”的方法构建微生物组，对微生物组的稳定性和安全性要求较高。在不同应用场景中，构建微生物组的策略和侧重点不同，应根据实际情况选择合适的策略构建高效的微生物组。

关键词：微生物组构建策略封闭系统开放系统效率稳定性

基于电弧声信号的窄间隙脉冲熔化极气体保护焊侧壁熔合状态在线识别

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中国机械工程 2024年第2期35卷 244-250,259页

作者：岳建锋龙新宇黄云龙郭嘉龙刘文吉天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

为在焊接过程中实时了解焊缝内部的焊接状况,构建了电弧声信号实时采集系统。在焊枪摆动中心处于不同位置的情况下,进行了电弧声信号特征与侧壁熔合状态的相关性分析。分别从时域与频域中提取了与侧壁熔合状态相关性较强的电弧声特征。... 详细信息

为在焊接过程中实时了解焊缝内部的焊接状况,构建了电弧声信号实时采集系统。在焊枪摆动中心处于不同位置的情况下,进行了电弧声信号特征与侧壁熔合状态的相关性分析。分别从时域与频域中提取了与侧壁熔合状态相关性较强的电弧声特征。为进一步提高熔合状态预测的有效性,采用电弧声特征参量构建了支持向量回归的侧壁熔合状态识别模型。为减小不良特征对识别模型的影响,显著提高模型的识别精度,采用遗传算法进行了参数寻优。参数寻优后模型的总体识别率达93.33%,实现了窄间隙侧壁熔合状态的有效识别。

关键词：窄间隙焊电弧声侧壁熔合支持向量机脉冲熔化极气体保护焊

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木质素生物降解研究进展

应用化工 2024年第7期53卷 1681-1686页

作者：才金玲冯飞李佳欣马红艳李德茂天津科技大学化工与材料学院天津300457 天津市卤水化工与资源生态化利用重点实验室天津300457 中国科学院天津工业生物技术研究所天津市工业生物系统与过程工程重点实验室天津300308

微生物在木质素降解过程中发挥重要的作用。综述了木质素的结构特点、生物降解的微生物种类(包括真菌、放线菌和细菌)、关键降解酶(漆酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、多功能过氧化物酶、染料脱色过氧化物酶等)及关键酶降解木质素... 详细信息

微生物在木质素降解过程中发挥重要的作用。综述了木质素的结构特点、生物降解的微生物种类(包括真菌、放线菌和细菌)、关键降解酶(漆酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、多功能过氧化物酶、染料脱色过氧化物酶等)及关键酶降解木质素的机理、以及木质素资源化利用(合成脂质、聚羟基烷酸酯、香兰素和饲料等高附加值产品等)的最新进展。然而,目前木质素的降解速率仍然相对较低,这极大地限制了其应用。进一步提出通过基因工程和代谢工程等技术可以提高木质素降解效率和提高转化效率。期望为木质素的综合利用提供理论支持。

关键词：木质素微生物酶生物降解生物转化

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面向精梳任务的高速变胞机构冲击动力学研究

机械工程学报 2024年第7期60卷 54-65页

作者：畅博彦韩芳孝周杨金国光天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

精梳机是生产高品质纱线的关键装备,高速化是其发展趋势。精梳机的钳板机构是典型的力/位组合约束变胞机构,高速运行时产生的钳口冲击力对钳板开闭口定时和须丛梳理质量影响很大,是制约精梳机转速提升的关键因素,但目前对钳板机构的冲... 详细信息

精梳机是生产高品质纱线的关键装备,高速化是其发展趋势。精梳机的钳板机构是典型的力/位组合约束变胞机构,高速运行时产生的钳口冲击力对钳板开闭口定时和须丛梳理质量影响很大,是制约精梳机转速提升的关键因素,但目前对钳板机构的冲击动力学研究还很不够,对通过优化机构参数来降低钳口冲击力还缺乏一套系统的理论和方法。以力/位组合约束精梳机钳板机构为研究对象,基于机构学和多体系统动力学理论,对钳板机构的结构组成和工作构态进行分析,建立各子构态机构的运动学和动力学模型。基于接触碰撞理论描述钳板机构构态切换时上、下钳板的接触碰撞过程,建立钳口冲击力计算模型和计及冲击力作用的钳板运动规律求解模型,并与冲量方法相结合连同虚拟样机仿真验证所建模型的有效性。为了保证充分的钳板闭合时间以提高须丛梳理质量,研究不同机构设计参数对钳口回弹量和回弹时间的影响规律,为高效能精梳机转速的进一步提升提供理论依据。

关键词：变胞机构钳板机构构态切换接触碰撞力动力学

经颅磁声电刺激对健康与帕金森病大鼠神经回路中beta振荡的影响

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中国组织工程研究 2024年第16期28卷 2519-2526页

作者：张帅由胜男杜文静王磊徐桂芝河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津市300401 河北工业大学河北省生物电磁与神经工程重点实验室(筹) 天津市300401 河北工业大学天津市生物电工与智能健康重点实验室天津市300401

背景:经颅磁声电刺激是一种基于磁声耦合电效应的无创、高精度脑神经聚焦刺激方法,可调节神经节律振荡活动,从而影响大脑的运动、认知等功能。目的:探究经颅磁声电刺激对健康与帕金森病大鼠神经回路中beta振荡的影响。方法:①动物实验:... 详细信息

背景:经颅磁声电刺激是一种基于磁声耦合电效应的无创、高精度脑神经聚焦刺激方法,可调节神经节律振荡活动,从而影响大脑的运动、认知等功能。目的:探究经颅磁声电刺激对健康与帕金森病大鼠神经回路中beta振荡的影响。方法:①动物实验:采用随机数字表法将24只Wistar大鼠随机分为4组,每组6只:正常对照组不进行任何干预;正常刺激组大脑前额叶皮质接受经颅磁声电刺激(空间峰值脉冲平均强度为13.33 W/cm^(2),基波频率为0.4 MHz,基波周期数为1000,脉冲重复频率为200 Hz);模型对照组、模型刺激组通过腹腔注射1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶建立帕金森病模型,造模成功后,模型对照组大脑前额叶皮质接受经颅磁声电假刺激,模型刺激组大脑前额叶皮质接受经颅磁声电刺激,每天刺激时长2.0 min,刺激结束停留8-10 min后,采集大鼠执行T迷宫过程中局部场电位信号并同时记录行为学正确率,对比分析各组局部场电位信号能量的时频分布情况和行为差异,当大鼠正确率连续3 d高于80%后停止刺激实验和T迷宫实验。②建模仿真实验:构建经颅磁声电刺激下皮质-基底神经节回路模型,分别改变超声发射周期(5,10,20 ms)、超声发射占空比(30%,50%,90%)和感应电流密度(20,50,100μA/cm^(2)),比较不同刺激参数下健康与帕金森病大鼠beta振荡的功率谱密度值。结果与结论:①动物实验:正常对照组大鼠的空间学习能力强于模型对照组(P实验:不加刺激时,健康大鼠beta频段功率谱密度峰值(30 dB)显著低于帕金森病大鼠(55 dB);施加经颅磁声电刺激后,两组大鼠beta频段功率谱密度值普遍降低;beta频段功率谱密度峰值与超声发射周期呈正相关、与感应电流密度呈负相关,当超声发射占空比为50%时功率谱密度峰值最低;③结果表明:经颅磁声电刺激可抑制健康与帕金森病大鼠的beta振荡,进而改善大鼠的运动功能与决策认知功能。

关键词：经颅磁声电刺激皮质-基底神经节回路 beta振荡帕金森病局部场电位 T迷宫神经调控

基于转化相关重组克隆曲酸合成基因簇及其在黑曲霉中的异源整合表达

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微生物学通报 2024年第10期 4028-4042页

作者：赵宇欣谭宇洋高莹朱柏松张明怡曹威天津科技大学生物工程学院工业发酵微生物教育部重点实验室天津市工业微生物重点实验室

【背景】黑曲霉是一种重要的丝状真菌底盘细胞，然而对其进行大片段DNA的遗传操作存在工具缺乏、效率低下的问题。海量基因组数据中存在大量未被鉴定的次级代谢产物合成基因簇，因相应DNA分子量大而难以克隆，大部分基因与产物分子之间... 详细信息

【背景】黑曲霉是一种重要的丝状真菌底盘细胞，然而对其进行大片段DNA的遗传操作存在工具缺乏、效率低下的问题。海量基因组数据中存在大量未被鉴定的次级代谢产物合成基因簇，因相应DNA分子量大而难以克隆，大部分基因与产物分子之间的映射关系尚未被解析。【目的】开发一种适配黑曲霉的大片段DNA分子直接克隆的方法。以直接克隆米曲霉来源的曲酸合成基因簇(约30 kb)在黑曲霉底盘细胞中表达，实现曲酸的异源发酵。【方法】基于转化相关重组(transformation-associated recombination， TAR)克隆，构建适配黑曲霉转化的TAR捕获骨架载体pSEA-TAR；将曲酸合成基因簇上下游各1 kb同源DNA序列先后引入pSEA-TAR，中间以唯一的XhoⅠ相隔，得到曲酸合成基因簇捕获载体pSEA-KLR；随后，将NotⅠ/SbfⅠ消化后含有完整曲酸合成基因簇及上下游同源序列的米曲霉基因组与经XhoⅠ线性化的pSEA-KLR共同转化酿酒酵母VL6-48，通过营养缺陷筛选，获得成功捕获曲酸合成基因簇的重组子，提取质粒，电转化大肠杆菌扩增重组质粒；借助农杆菌介导黑曲霉转化，对获得的含有曲酸合成基因簇的黑曲霉转化子进行曲酸发酵，检测曲酸合成水平。【结果】获得了含有ARSH4/CEN6、TRP1、hph和LB/RB-T-DNA repeat的基于TAR克隆、适配黑曲霉表达的大片段DNA捕获载体pSEA-TAR。借助酿酒酵母高效的同源重组系统，通过同源重组获得含有曲酸合成基因簇的重组质粒pSEA-TAR-KA，捕获成功率为5.9%。对获得的含有曲酸合成基因簇的10株黑曲霉重组菌株KA1-KA10进行发酵分析发现均成功合成了曲酸，其中黑曲霉KA-2发酵7 d后曲酸水平最高，达到5.86 g/L。【结论】构建了适配黑曲霉的TAR克隆体系，用于大片段DNA高效捕获、重构和表达大型生物合成基因簇。以来源于米曲霉的曲酸合成基因簇捕获及在黑曲霉中成功实现曲酸合成验证了其有效性，进一步丰富了黑曲霉作为底盘细胞在重要化合物绿色生物制造中的作用。

关键词：转化相关重组(TAR)克隆大片段DNA 黑曲霉曲酸合成基因簇

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移乘背抱护理机器人舒适性生物力学模型分析

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第1期57卷 95-104页

作者：刘腾代吉张建军刘承磊郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130 天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室天津300350

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相... 详细信息

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相结合的方法.从被护理人的肌肉激活程度入手,对移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征进行了分析.首先,介绍了移乘背抱护理机器人典型结构工作原理并进行了运动学分析,在此基础上搭建了舒适性测试试验系统,基于主观舒适性评分规划了服务于试验的基础运动轨迹,并通过试验得到了人机主要接触部位力学信息.然后,以试验数据为边界条件构建了基于AnyBody的背抱运动人体生物力学模型,依托逆动力学仿真分析得到了肌肉激活程度,并对比舒适性测试肌肉激活程度验证了仿真模型的有效性.最后,结合人机主要接触部位受力、肌肉激活程度及主观舒适性评分综合分析了移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征,明确了影响被护理人舒适性的主要作用肌群.结果表明:影响被护理人舒适性的主要作用肌群有7个,且被护理人胸部压力与腋下压力值大小分别与影响其躯干和上肢舒适性的肌肉激活程度呈正相关.可通过建立胸部压力与腋下压力值相关的加权函数有效描述不同被护理人整体舒适性特征,为移乘背抱护理机器人舒适性运动控制提供了理论依据.

关键词：移乘背抱护理机器人人体生物力学模型肌肉激活程度背抱运动舒适性

定点饱和突变提高赭曲霉11α羟化酶的催化性能

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生物技术通报 2024年第1期40卷 322-331页

作者：史京辉陈文慧陆坤郑婷婷任志远鲍国庆王敏骆健美工业发酵微生物教育部重点实验室(天津科技大学) 天津市工业微生物重点实验室天津市微生物代谢与发酵过程控制技术工程中心天津科技大学生物工程学院天津300457

【目的】11α,17α-双羟基黄体酮是重要的甾体激素类药物中间体,应用价值大。赭曲霉(Aspergillus ochraceus)CICC 41473的11α羟化酶CYP68J5是转化17α-羟基黄体酮生成11α,17α-双羟基黄体酮的关键酶,但其催化性能有待于提升。【方法... 详细信息

【目的】11α,17α-双羟基黄体酮是重要的甾体激素类药物中间体,应用价值大。赭曲霉(Aspergillus ochraceus)CICC 41473的11α羟化酶CYP68J5是转化17α-羟基黄体酮生成11α,17α-双羟基黄体酮的关键酶,但其催化性能有待于提升。【方法】在课题组前期确定的关键氨基酸位点D118、F216和M488基础上,通过定点饱和突变和底物转化实验进行优良突变体的筛选;使用AutoDock进行酶与底物的分子对接,并通过Discovery Studio和Gromacs分别研究分子间相互作用力和分子动力学模拟。【结果】突变体D118V、F216W、M488L和M488W具有催化性能,其中,优良突变体D118V的活性最高,其在底物浓度0.5 g/L时,生产强度为431.66 mg/(L·d),较野生型提高了2.12倍,这可能是因为当118位的天冬氨酸突变为缬氨酸后,该位点与底物之间产生了新的疏水相互作用,增强了酶的底物结合口袋的疏水性。分子动力学模拟结果表明酶的整体构象更稳定,酶与底物的结合更紧密。【结论】通过定点饱和突变获得了催化性能显著提升的优良突变体D118V,研究结果为甾体11α羟化酶的改造提供了应用案例和理论指导。

关键词： 11α,17α-双羟基黄体酮 11α羟化酶定点饱和突变分子对接分子动力学模拟

间断theta脉冲磁刺激对空间工作记忆相关神经振荡及其同步性的影响

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生物化学与生物物理进展 2024年第9期51卷 2222-2239页

作者：郭苗苗张彪张天恒王田翟昊迪徐桂芝河北工业大学生命科学与健康工程学院天津300130 河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130 河北工业大学天津市生物电工与智能健康重点实验室天津300130 河北工业大学河北省生物电磁学与神经工程重点实验室天津300130 石家庄学院机电学院石家庄050035

目的间断theta脉冲磁刺激(iTBS)已被证实可以通过夹带大脑不同频段神经振荡调控工作记忆功能,但其对神经振荡及其同步性的调节尚不清晰。本研究旨在探讨iTBS对大鼠局部脑区及跨脑区神经振荡及其同步性的影响,探究iTBS调控工作记忆的作... 详细信息

目的间断theta脉冲磁刺激(iTBS)已被证实可以通过夹带大脑不同频段神经振荡调控工作记忆功能,但其对神经振荡及其同步性的调节尚不清晰。本研究旨在探讨iTBS对大鼠局部脑区及跨脑区神经振荡及其同步性的影响,探究iTBS调控工作记忆的作用机制。方法24只大鼠根据年龄及是否接受iTBS分为4组,应用时频分布、相位同步性以及相位-幅值耦合分析方法,对比分析各组大鼠在进行空间工作记忆(SWM)行为学任务的过程中前额叶和海马脑区theta及gamma频段局部场电位信号神经振荡的变化规律。结果随着年龄增长,老年大鼠学会SWM任务规则所用时间明显增加(P=0.0056);iTBS可以缩短成年大鼠(P=0.0011)和老年大鼠(P=0.0090)学会SWM任务规则所用时间。相比成年大鼠,老年大鼠前额叶和海马脑区theta和gamma频段神经振荡的时频能量(theta:P<0.0001;gamma:P<0.0001)、跨脑区相位-幅值耦合作用(PFC-HPC:P=0.0002;HPC-PFC:P=0.0277)均出现一定程度的下降;iTBS可以提高成年大鼠(theta:P<0.0001;gamma:P<0.0001)和老年大鼠(theta:P=0.0144;gamma:P=0.0006)神经振荡的时频能量以及老年大鼠跨脑区相位-幅值耦合作用(PFC-HPC:P=0.0180;HPC-PFC:P=0.0221)。此外,两脑区各频段信号的时频能量及相位-幅值耦合与大鼠行为学正确率均具有正相关关系。结论iTBS可以增强老年大鼠的SWM能力以及认知功能,这与老年大鼠SWM任务期间跨脑区theta频段和gamma频段神经振荡的时频能量以及跨脑区相位幅值耦合增强有关。对于成年大鼠,iTBS通过提升成年大鼠SWM任务期间两脑区theta频段和gamma频段神经振荡的时频能量增强其SWM能力与认知功能。

关键词：间断theta脉冲磁刺激空间工作记忆神经振荡相位同步性相位-幅值耦合