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微生物合成二元醇研究进展

合成生物学 2024年

作者：竺方欢岑雪聪陈振工业生物催化教育部重点实验室清华大学化学工程系清华大学合成与系统生物学中心

二元醇是一类重要的大宗化学品，在高分子材料、化妆品、燃料、食品和制药行业中有着广泛应用。开发可利用生物质及碳一原料等可再生原料生产二元醇的生物合成路线对于降低化石资源依赖、减少二氧化碳的排放具有重要的意义，近年来受到... 详细信息

二元醇是一类重要的大宗化学品，在高分子材料、化妆品、燃料、食品和制药行业中有着广泛应用。开发可利用生物质及碳一原料等可再生原料生产二元醇的生物合成路线对于降低化石资源依赖、减少二氧化碳的排放具有重要的意义，近年来受到了国内外广泛关注。虽然通过生物法生产1,3-丙二醇，1,3-丁二醇和1,4-丁二醇已实现商业化，但大多数其他二元醇的高效生物合成仍面临挑战，主要原因包括缺乏有效的天然生物合成途径、基因工程菌的产率低等。本综述全面探讨了微生物合成二元醇的最新研究进展，特别是在开发新代谢途径和代谢工程策略方面，以实现C2至C5二元醇的高效生物合成。例如通过对非天然合成途径的设计和构建以实现系列非天然二元醇的生物合成，以及利用非传统的碳源（如木质纤维素等）通过特定的代谢途径和优化策略合成二元醇，为生物合成领域开辟新的道路。此外，我们还讨论了这些生物合成过程向工业应用转化的主要挑战和未来的发展前景，包括廉价和可持续原料的获取、大规模放大过程的复杂性、满足下游特定需求的后提取工艺开发等。

关键词：二元醇生物合成代谢工程可再生原料工业应用

低温β-1,4-内切葡聚糖酶的基因挖掘、异源表达及其酶学性质表征

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食品与发酵工业 2024年第4期50卷 17-24页

作者：圣弟青钮成拓闫亚楠郑飞云刘春凤王金晶李崎工业生物技术教育部重点实验室(江南大学) 江苏无锡214122

β-1,4-内切葡聚糖酶在洗涤行业有着广泛的应用价值,其中具有较好的低温和碱性耐受能力是其实现工业应用的重要前提。该论文通过基因挖掘获得一株具有低温耐受能力的Deinococcus cellulosilyticus来源新型β-1,4-内切葡聚糖酶基因EgDC,... 详细信息

β-1,4-内切葡聚糖酶在洗涤行业有着广泛的应用价值,其中具有较好的低温和碱性耐受能力是其实现工业应用的重要前提。该论文通过基因挖掘获得一株具有低温耐受能力的Deinococcus cellulosilyticus来源新型β-1,4-内切葡聚糖酶基因EgDC,并将其在大肠杆菌中实现了可溶性表达,其中大部分存在于周质空间,少部分分泌至胞外。对EgDC酶的酶学性质进行了表征,发现该酶的最适温度和最适pH值分别为40℃和pH 6.5,其在20℃能保持70%以上活力,且在pH 8.0和pH 9.0的半衰期分别达到83.43 min和53.79 min。EgDC酶具有较好的催化性质,其比酶活力k_(cat)/K_(m)值分别为(26.38±1.43)U/mg和(520.03±17.07)s^(-1)/mg,且对于金属离子以及表面活性剂均具有较强耐受能力。由此可见,新型β-1,4-内切葡聚糖酶EgDC具有较好的催化能力,且在低温、碱性以及存在表面活性剂环境下较为稳定,因此具有潜在的工业应用价值。

关键词：基因挖掘 β-1 4-内切葡聚糖酶异源表达酶学性质低温耐碱性

多元介孔MOFs:通过调节表面亲水/疏水性实现酶固定化的多功能平台

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第5期60卷 386-398页

作者：冯玉晓马庆庆王子辰张群力赵利雪崔建东杜英杰贾士儒天津科技大学生物工程学院食品营养与安全国家重点实验室工业发酵微生物教育部重点实验室天津300457 湖北大学生命科学学院生物催化与酶工程国家重点实验室湖北武汉430062 天津益倍生物科技集团有限公司天津300457 浙江大学生命科学学院生物质化工教育部重点实验室浙江杭州310050

作为高效的生物催化剂,酶在食品加工、医药制造、化学工业和能源开发等众多领域发挥着重要作用.然而,游离状态的酶由于存在稳定性差、易失活、难以回收利用及不适用于连续化生产等问题,限制了其广泛应用.为了解决上述难题,人们探索发展... 详细信息

作为高效的生物催化剂,酶在食品加工、医药制造、化学工业和能源开发等众多领域发挥着重要作用.然而,游离状态的酶由于存在稳定性差、易失活、难以回收利用及不适用于连续化生产等问题,限制了其广泛应用.为了解决上述难题,人们探索发展了固定化酶技术.固定化酶不仅保留了原有的催化活性,而且在稳定性方面有了显著提升,从而极大地提高了酶的利用效率.随着固定化酶材料和酶工程领域的不断发展,固定化酶技术为酶的应用开辟了更广阔的前景.沸石-咪唑骨架材料-8(ZIF-8)作为一种金属-有机骨架(MOFs)材料,因其独特的结构特性而被广泛用作酶固定化载体.然而,ZIF-8的微孔结构和固有的疏水性,以及前体物2-甲基咪唑(2-MeIm)的质子化现象,常常影响固定化酶的活性.为克服这些限制,本文采用多元配体竞争和孔隙工程相结合的策略,设计并制备了一种具有可调节亲水/疏水表面的新型多元介孔MOFs(mMOFs),并用作酶固定化载体.在mMOFs的制备过程中,采用亲水性和配位能力更强的3-甲基-1H-1,2,4-三唑(3-MTZ)和5-甲基四唑(5-MTA)配体,以部分替代传统的2-MeIm配体.随后,这些多元配体(包括2-MeIm,3-MTZ和5-MTA)与七水硫酸锌结合,在甲醇溶液中通过自凝聚作用形成透明的胶体溶液,进而完全溶解在水中.在此过程中,七水硫酸锌发挥了软模板的作用,引导介孔的形成,从而成功制备出新型多元介孔mMOFs.接着,利用这些mMOFs作为酶固定化的载体,固定了辣根过氧化物酶(HRP)和葡萄糖氧化酶(GOx),并详细研究了其催化性能.结果表明,与传统的ZIF-8载体相比,以mMOFs为载体的固定化酶展现出了更高的酶活性和稳定性.催化性能提升主要归因于mMOFs的亲水性和介孔结构改善了酶和底物间的传质,同时2-MeIm的质子化效应减弱也为酶提供了优良的微环境,稳定了酶的构象.综上,本文采用多元配体竞争与孔隙工程相结合的策略,成功构建了一种具有可调节亲水/疏水表面的新型多元介孔mMOFs,并用于酶固定化,所得固定化酶表现出较好的催化性能.通过深入的研究,揭示了该固定化酶表现出良好催化性能的作用机制,为可控设计制备性能优越的、以MOFs为载体的固定化酶提供了新思路,并为进一步拓宽MOFs材料的应用范围提供了参考.

关键词：介孔金属-有机骨架竞争性配体软模板固定化酶

乙醇对干酪乳酪杆菌Zhang甲基化转移酶突变体的影响

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中国食品学报 2024年第6期24卷 24-32页

作者：闫珈铭张文羿内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室、农业农村部奶制品加工重点实验室呼和浩特010018

乳酸菌应用于酒精饮料的生产时会面临乙醇胁迫,增强其乙醇耐受性在工业育种中显得尤为重要。分离自内蒙古传统酸马奶的干酪乳酪杆菌Zhang,是一株发酵性能优良的益生菌。本研究以干酪乳酪杆菌Zhang及其甲基化转移酶突变体为研究对象,采... 详细信息

乳酸菌应用于酒精饮料的生产时会面临乙醇胁迫,增强其乙醇耐受性在工业育种中显得尤为重要。分离自内蒙古传统酸马奶的干酪乳酪杆菌Zhang,是一株发酵性能优良的益生菌。本研究以干酪乳酪杆菌Zhang及其甲基化转移酶突变体为研究对象,采用液相色谱-质谱联用技术对其在10%乙醇胁迫下生长12 h的差异代谢物进行系统分析,目的是探明乙醇胁迫下DNA甲基化对干酪乳酪杆菌代谢物的影响。在甲基化转移酶突变体和野生型之间共鉴定得到199个差异代谢物,进一步富集分析显示差异代谢物主要在氨基酸代谢、ABC转运体、双组分系统以及丙酮酸代谢途径显著富集。这些研究结果对乳酸菌工业育种具有重要意义。

关键词： DNA甲基化干酪乳酪杆菌乙醇胁迫代谢组学液质联用

基因工程改造促进大肠杆菌发酵纤维素水解液合成1,2,4-丁三醇

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化工进展 2024年第2期43卷 1063-1068页

作者：佘丹王舒婷陆信曜宗红诸葛斌江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室工业微生物研究中心江苏无锡214122

1,2,4-丁三醇(BT)是广泛应用于各领域的高附加值化合物之一,利用纤维素水解液发酵生产BT需要一株能够耐受其中抑制物的菌株。在水解液中常见抑制因子糠醛存在下,大肠杆菌的发酵严重受限。本研究首先在含有BT合成途径的大肠杆菌中过表达... 详细信息

1,2,4-丁三醇(BT)是广泛应用于各领域的高附加值化合物之一,利用纤维素水解液发酵生产BT需要一株能够耐受其中抑制物的菌株。在水解液中常见抑制因子糠醛存在下,大肠杆菌的发酵严重受限。本研究首先在含有BT合成途径的大肠杆菌中过表达四种糠醛耐受相关的基因:yghA、thyA、mdtJI和pntAB。在0.4g/L糠醛压力下,所有改造菌株的生长均有不同程度的提升,其中过表达pntAB基因的菌株生长最好,同时有助于BT合成酶的酶活力或转录水平的提高,BT产量达到11.0g/L。当以玉米芯纤维素水解液为底物时,过表达yghA、thyA和pntAB均明显促进了大肠杆菌的生长与BT产量的提高,其中yghA基因表现最好,在摇瓶中获得了3.36g/L的BT,在5L发酵罐中BT产量达到15.3g/L,转化率为63.8%。该策略为玉米芯纤维素水解液发酵生产BT提供了借鉴。

关键词：大肠杆菌玉米芯纤维素水解液糠醛耐受 1 2 4-丁三醇

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内蒙古阿拉善驼乳制品中乳酸菌分离鉴定及微生物多样性研究

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中国食品学报 2024年第6期24卷 392-401页

作者：苏茜孙洁杜萍赵洁于洁陈永福内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室、农业农村部奶制品加工重点实验室、内蒙古自治区乳品生物技术与工程重点实验室呼和浩特010018

内蒙古传统乳制品是乳酸菌的优质培养基,为保藏内蒙古阿拉善地区驼乳制品中的乳酸菌资源,并研究其中微生物多样性,本研究分别采用纯培养方法与宏基因组测序技术进行分析。宏基因组分析表明:阿拉善地区鲜驼乳微生物多样性明显高于酸驼乳... 详细信息

内蒙古传统乳制品是乳酸菌的优质培养基,为保藏内蒙古阿拉善地区驼乳制品中的乳酸菌资源,并研究其中微生物多样性,本研究分别采用纯培养方法与宏基因组测序技术进行分析。宏基因组分析表明:阿拉善地区鲜驼乳微生物多样性明显高于酸驼乳,18份样品中共鉴定到157个种。鲜驼乳的优势菌种为乳酸乳球菌(13.22%)和桂林不动杆菌(10.65%);酸驼乳的优势菌种为瑞士乳杆菌(72.66%)、马乳酒样乳杆菌(8.32%)和乳酸乳球菌(4.28%)。纯培养进一步从鲜驼乳和酸驼乳中分离到121株乳酸菌,鉴定为4个属的14个种,其中鲜驼乳的优势菌株为乳酸乳球菌(62.00%),酸驼乳的优势菌株为瑞士乳杆菌(40.00%)、马乳酒样乳杆菌(19.00%),与宏基因组测序结果一致。宏基因组测序联合纯培养法可有效实现驼乳样品微生物多样性分析与乳酸菌资源挖掘,为驼乳的工业化生产与乳酸菌资源利用提供理论依据。

关键词：驼乳乳酸菌微生物多样性宏基因组

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代谢工程改造克雷伯氏菌生产1,3-丙二醇

生物工程学报 2024年第8期40卷 2386-2402页

作者：张少伦高聪李晓敏刘佳陈修来刘立明江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室

1,3-丙二醇是生产聚对苯二甲酸丙二醇酯(polytrimethylene terephthalate, PTT)的重要单体，目前主要通过微生物发酵法生产，但这种方法生产效率低下，限制了1,3-丙二醇的高效生物制造。为解决这一问题，本研究首先利用常压室温等离子(a... 详细信息

1,3-丙二醇是生产聚对苯二甲酸丙二醇酯(polytrimethylene terephthalate, PTT)的重要单体，目前主要通过微生物发酵法生产，但这种方法生产效率低下，限制了1,3-丙二醇的高效生物制造。为解决这一问题，本研究首先利用常压室温等离子(atmospheric room temperature plasma, ARTP)诱变技术，经过高通量筛选，成功获得了一株具有较高渗透压耐受性的菌株，其1,3-丙二醇产量达87 g/L。在此基础上，进一步筛选出了适合克雷伯氏菌的基因表达元件，并通过代谢工程改造，阻断冗余代谢支路(敲除ldhA、budA、aldA基因)，同时强化合成路径(过表达dhaB、yqhD基因)，使得改造后的工程克雷伯氏菌的1,3-丙二醇产量提升至107 g/L。最终，在5 L发酵罐中，通过优化发酵过程参数，最优工程菌株KP-FMME-6的1,3-丙二醇产量达到118 g/L，甘油转化率为42%，生产强度达到2.46 g/(h·L)。本研究为1,3-丙二醇的工业化生产提供了有效的借鉴和参考。

关键词： 1,3-丙二醇克雷伯氏菌高通量筛选代谢工程

生物基MOFs衍生Co_(9)S_(8)/N,O-C电催化剂的析氧性能

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材料导报 2024年第19期38卷 145-152页

作者：柴瑞瑞桑欣欣欧世国李家豪王大伟江南大学化学与材料工程学院合成与生物胶体教育部重点实验室江苏无锡214122

高性能氧析出反应(OER)催化剂对提高电解水性能至关重要。金属-有机框架(MOFs)衍生的金属-碳(M-C)材料因具有比表面积高、组成和结构易于调变等优势而被广泛用作OER催化剂。本工作制备以没食子酸为连接配体的钴-没食子酸MOFs材料(Co-gal... 详细信息

高性能氧析出反应(OER)催化剂对提高电解水性能至关重要。金属-有机框架(MOFs)衍生的金属-碳(M-C)材料因具有比表面积高、组成和结构易于调变等优势而被广泛用作OER催化剂。本工作制备以没食子酸为连接配体的钴-没食子酸MOFs材料(Co-gallate),通过配体交换合成钴-没食子酸@三聚硫氰酸(Co-gallate@TTCA),经高温碳化得到Co_(9)S_(8)/N,O-C电催化剂。在OER催化性能测试中,与Co-gallate直接碳化得到的Co/O-C相比,在电流密度为10 mA·cm^(-2)时,Co_(9)S_(8)/N,O-C材料的过电位仅为270 mV,塔菲尔斜率为71.5 mV·dec^(-1),OER性能显著提升,且所合成的Co_(9)S_(8)/N,O-C材料具有良好的催化稳定性。本工作以廉价易得的生物基MOFs为牺牲模板,采用配体交换在MOFs结构中引入含N、S杂原子,通过改变碳化产物的组成和结构,有效提升电催化剂的催化活性和动力学性能。

关键词：没食子酸金属-有机框架 Co_(9)S_(8) 析氧反应电解水

聚赖氨酸抗菌肽改性明胶多功能水凝胶的构建与应用

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高等学校化学学报 2024年第1期45卷 164-172页

作者：江云静黄童黛曹玉玉白荣先吴杰王祖曦孙红梅湖北工业大学生物工程与食品学院发酵工程教育部重点实验室国家细胞调控与分子药物“111”引智基地工业微生物湖北省重点实验室湖北省工业发酵协同创新中心武汉430068

将ε-聚赖氨酸(EPL)抗菌肽接枝到明胶上,合成ε-聚赖氨酸改性明胶(GEL-E)后,以GEL-E、羧甲基壳聚糖(CMC)和氧化硫酸软骨素(OCS)为原料,制备了一种具有可注射性、自愈合性及抗菌性的多功能快速凝胶化水凝胶——GEL-E/CMC/OCS水凝胶.该水... 详细信息

将ε-聚赖氨酸(EPL)抗菌肽接枝到明胶上,合成ε-聚赖氨酸改性明胶(GEL-E)后,以GEL-E、羧甲基壳聚糖(CMC)和氧化硫酸软骨素(OCS)为原料,制备了一种具有可注射性、自愈合性及抗菌性的多功能快速凝胶化水凝胶——GEL-E/CMC/OCS水凝胶.该水凝胶具有较高的储能模量、弹性形变性能、自愈合性能、可注射性能以及抗菌性能.将甘草酸二钾(DG)载入水凝胶,赋予水凝胶抗炎特性以及促伤口愈合能力.初步评价了水凝胶的释药行为.结果表明,药物释放可达100%.同时,评价了载药后水凝胶的细胞相容性以及促细胞迁移能力,发现水凝胶对细胞的毒性很低,且可以促进细胞迁移.研究结果表明,该水凝胶具有良好的力学性能、生物相容性以及促细胞迁移能力,在促进伤口愈合领域具有广阔的应用前景.

关键词：多功能水凝胶聚赖氨酸抗菌肽伤口敷料