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CO_(2)到高附加值产物:罗尔斯通氏菌的固碳研究进展

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科学通报 2021年第33期66卷 4218-4230页

作者：马哲刘丹刘梦晓曹英秀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系统生物工程教育部重点实验室天津300072

为了实现清洁生产与碳中和的目标,研究者已采用生物固碳方法将CO_(2)转化为高附加值产物.氢氧细菌罗尔斯通氏菌由于具有化能自养能力、遗传可操作性和基因工具的可用性等特点,为自养生产的优势底盘之一.它可以利用CO_(2)作为碳源、H;作... 详细信息

为了实现清洁生产与碳中和的目标,研究者已采用生物固碳方法将CO_(2)转化为高附加值产物.氢氧细菌罗尔斯通氏菌由于具有化能自养能力、遗传可操作性和基因工具的可用性等特点,为自养生产的优势底盘之一.它可以利用CO_(2)作为碳源、H;作为能源自养生长,而H;则可通过直接补料、电驱动或光驱动等方法提供.罗尔斯通氏菌不仅可以天然地生产生物塑料,还能经过代谢工程改造后生产生物燃料和糖类等其他高附加值产物.本文首先介绍了罗尔斯通氏菌的碳固定和能量利用的代谢特点.然后,按照能量利用的方式,总结了该菌株直接利用H;进行气体发酵、间接利用H;(含甲酸)进行电合成和光合成的研究进展.最后,通过对比3种生产方式的优劣势,对罗尔斯通氏菌的未来研究方向进行了展望.

关键词：罗尔斯通氏菌 CO_(2)固定气体发酵光电合成生物塑料生物燃料

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维生素E生物合成的相关进展

科学通报 2020年第35期65卷 4037-4046页

作者：杨景丽孙鸿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/系统生物工程教育部重点实验室天津300072

维生素E是具有抗氧化活性的脂溶性化合物,是维持机体代谢的必需维生素,被广泛应用于食品、医药及化妆品等多个领域,市场需求量极大.市场上的维生素E主要来自化学合成和从植物油馏出物中提取.传统的化学合成方式因不能合成特定的立体构... 详细信息

维生素E是具有抗氧化活性的脂溶性化合物,是维持机体代谢的必需维生素,被广泛应用于食品、医药及化妆品等多个领域,市场需求量极大.市场上的维生素E主要来自化学合成和从植物油馏出物中提取.传统的化学合成方式因不能合成特定的立体构型而受到限制.植物提取的方法也受制于有限的植物资源和高的时间成本.利用微生物合成特定构型的复杂天然化合物是一种经济、清洁的方法.本综述首先总结了维生素E生物合成的代谢途径及其研究进展,其次对维生素E生物合成的关键中间体尿黑酸和牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸的代谢途径在模式微生物中的代谢工程改造进行了总结,最后对于利用微生物来生物合成维生素E的现状进行了概述,并对其前景进行了展望.

关键词：维生素E 尿黑酸牻牛儿牻牛儿焦磷酸合成生物学

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模块化工程大肠杆菌从头合成丁香酚

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2022年第7期55卷 728-736页

作者：赵广荣曹嘉誉马雅婷邱泽天李嘉天津大学化工学院天津300350 教育部合成生物学前沿科学中心和系统生物工程重点实验室天津300350

丁香酚是一种绿色生物农药,主要用于防治番茄灰霉病、葡萄霜霉病和马铃薯晚疫病等主要的农业病害.目前丁香酚是从丁香和罗勒等植物中提取制备,其规模和产能受到限制,还存在废渣排放影响生态环境的问题.本研究采用合成生物学和模块化工... 详细信息

丁香酚是一种绿色生物农药,主要用于防治番茄灰霉病、葡萄霜霉病和马铃薯晚疫病等主要的农业病害.目前丁香酚是从丁香和罗勒等植物中提取制备,其规模和产能受到限制,还存在废渣排放影响生态环境的问题.本研究采用合成生物学和模块化工程策略,设计构建工程大肠杆菌,以期微生物从头合成丁香酚.将丁香酚异源合成途径分成3个模块,分别是上游的阿魏酸合成模块、中游的松柏醇合成模块和下游的丁香酚合成模块,对每个模块进行不同来源基因的组合筛选和表达优化.利用His标签、敲除甲基供体合成途径中的全局调控基因metJ,优化了上游模块(PcTAL-HpaBC-AtCOMT),减少了中间产物咖啡酸的积累,提高了阿魏酸合成.筛选了4CL和醇脱氢酶基因来源,研究了表达模式,获得最优的中游模块是双顺反子表达At4CL1-AtCCR1,单顺反子表达YahK,松柏醇产量最高.对3个酰基转移酶基因和4个丁香酚合成酶基因进行组合筛选,获得最优的下游模块是单顺反子PhCFAT和GdlEGS2,丁香酚合成最多.最后,在酪氨酸高产底盘中表达丁香酚合成途径,对初始葡萄糖、酵母提取物和诱导剂浓度等进行优化.在适宜的培养基和发酵条件下,丁香酚的产量为114.67mg/L.本文采用模块化代谢工程策略优化丁香酚异源合成途径,改造底盘菌株,首次实现了微生物从头合成丁香酚,具有重要应用前景.

关键词：丁香酚大肠杆菌代谢工程合成生物学

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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

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

生物光电化学电池复合系统:光电驱动生物转化

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科学通报 2021年第35期66卷 4539-4550页

作者：杨楠田瑶张劢郭之旗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

生物催化以活性高、选择性高、条件温和及底物范围广泛等优势著称,其催化目标氧化还原反应时需消耗氧化还原力.光电化学电池可利用清洁、可持续的光能和电能从水中提取电子并转化为生物催化剂可用的还原力.生物光电化学电池复合系统将... 详细信息

生物催化以活性高、选择性高、条件温和及底物范围广泛等优势著称,其催化目标氧化还原反应时需消耗氧化还原力.光电化学电池可利用清洁、可持续的光能和电能从水中提取电子并转化为生物催化剂可用的还原力.生物光电化学电池复合系统将生物催化和光电化学电池的优势进行结合,利用光电化学电池为生物催化提供还原力,可实现光电驱动的绿色、可持续的生物催化转化过程.本文基于构成复合系统的功能组件,首先介绍复合系统中光电极的选择策略,随后从酶、微生物两类生物催化剂出发,分别综述了近年来的研究进展,最后展望了该研究领域的未来发展.

关键词：生物催化光电化学电池酶微生物光电极

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CRISPR相关转座元件的研究及应用进展

生物工程学报 2022年第12期38卷 4371-4384页

作者：宁书晴巫欣欣罗云孜天津大学化工学院、合成生物学前沿科学中心、系统生物工程教育部重点实验室天津300072

CRISPR-Cas的基因编辑能力引发了人们对该系统的研究热潮。除了实现基因的敲除和插入,CRISPR-Cas系统还可以被应用于基因簇重组、单碱基编辑和基因转录调控,推动了生物工程领域的发展。然而,有限的同源重组效率使CRISPR-Cas系统的应用... 详细信息

CRISPR-Cas的基因编辑能力引发了人们对该系统的研究热潮。除了实现基因的敲除和插入,CRISPR-Cas系统还可以被应用于基因簇重组、单碱基编辑和基因转录调控,推动了生物工程领域的发展。然而,有限的同源重组效率使CRISPR-Cas系统的应用受到了一定的限制。与CRISPR-Cas系统相比,移动遗传元件(mobile genetic elements,MGE)在转座酶的调控下,不需要依赖同源重组即可将指定DNA片段定向插入到细胞染色体中。近几年,人们发现了具有转座机制的CRISPR相关的转座元件,它可以介导DNA靶向整合,同时其出色的重编程能力为该领域的研究带来了新的发展。本文主要介绍近年来CRISPR-Cas系统相关转座元件的研究方向和应用进展,以及人工融合的dCas9-transposase系统的应用策略。文中还提出了CRISPR相关转座元件未来的应用前景和潜在挑战,为基因编辑工具的发展方向提供了参考意见。

关键词：转座元件 CRISPR-Cas系统 CRISPR相关转座元件基因编辑

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人工金属酶研究进展

中国生物工程杂志 2023年第10期43卷 72-84页

作者：刘小妍黄超群金雪芮罗云孜天津大学化工学院、教育部合成生物学前沿科学中心、系统生物工程教育部重点实验室天津300072

金属酶由金属辅因子和蛋白骨架构成。金属辅因子提供催化活性,是金属酶发挥功能的关键,而蛋白骨架为金属辅因子提供附着位点,同时提供手性环境。天然金属酶种类较多,可催化羟基化、环氧化等反应,其辅因子主要以金属离子或金属配体的形... 详细信息

金属酶由金属辅因子和蛋白骨架构成。金属辅因子提供催化活性,是金属酶发挥功能的关键,而蛋白骨架为金属辅因子提供附着位点,同时提供手性环境。天然金属酶种类较多,可催化羟基化、环氧化等反应,其辅因子主要以金属离子或金属配体的形式存在,所含金属元素以Fe、Cu、Zn居多,部分天然金属酶也含Mn等金属元素。然而,由于天然金属酶难以催化非天然底物,且部分金属酶体外催化效率低、自身稳定性较差,无法得以广泛应用。近年来研究发现,通过对起催化功能的金属辅因子和提供酶促反应微环境的蛋白骨架进行理性设计构建人工金属酶(artificial metalloenzymes,ArMs),可提高金属酶的催化效率或使其能够催化多种天然和非天然反应。此外,利用纳米技术修饰人工金属酶可以提高金属酶的稳定性和可调控性,为人工金属酶的优化提供了新思路。总结近年来人工金属酶领域取得的成果,着重介绍构建人工金属酶策略方面的研究进展,包括金属辅因子的改造、蛋白骨架的设计、基于纳米技术的修饰等,并展望了设计改造人工金属酶所面临的机遇和挑战,以期为人工金属酶的设计和应用提供参考。

关键词：人工金属酶辅因子蛋白骨架理性设计纳米技术

微生物异源合成咖啡酸及其酯类衍生物研究进展

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中国生物工程杂志 2020年第7期40卷 91-99页

作者：王震李霞元英进天津大学化工学院教育部合成生物学前沿科学中心系统生物工程教育部重点实验室天津300072

咖啡酸及其酯类衍生物如绿原酸、迷迭香酸和咖啡酸苯乙酯等具有天然抗氧化、抗肿瘤、抗病毒和抗炎等重要的药理活性,具有广阔的药用开发前景。从天然药物中提取或者化学合成咖啡酸及其酯类衍生物,存在含量低、提取效率不高、催化成本高... 详细信息

咖啡酸及其酯类衍生物如绿原酸、迷迭香酸和咖啡酸苯乙酯等具有天然抗氧化、抗肿瘤、抗病毒和抗炎等重要的药理活性,具有广阔的药用开发前景。从天然药物中提取或者化学合成咖啡酸及其酯类衍生物,存在含量低、提取效率不高、催化成本高昂以及环境污染等问题。随着咖啡酸及其酯类衍生物合成途径解析和合成生物学的快速发展,微生物异源合成咖啡酸及其酯类衍生物的研究已逐渐展开。对微生物异源合成咖啡酸及其酯类衍生物合成途径的最新进展以及代谢工程策略进行了综述,并讨论了目前存在的问题和未来的发展趋势。

关键词：咖啡酸咖啡酸酯类衍生物合成生物学