工業(yè)生物技術?？蜓?/h1>
2011-02-22 07:11:06蔡真李寅
生物工程學報 2011年7期
蔡真，李寅
中國科學院微生物研究所，北京 100101
進入 21世紀以來，礦石資源和能源的不斷減少、環(huán)境污染的日益嚴重，給傳統(tǒng)的化石經(jīng)濟帶來了巨大沖擊，各國均在探索新的社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展模式。在此背景下，工業(yè)生物技術因其資源可再生、環(huán)境友好、過程簡單且高效專一等特點，一經(jīng)提出便備受關注，被普遍認為是可以解決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機的有效手段。為此，美國、日本和歐洲的一些發(fā)達國家已制定了在今后幾十年中用生物過程逐步取代化學過程的戰(zhàn)略計劃。針對我國經(jīng)濟高速發(fā)展、人均資源嚴重短缺、環(huán)境污染非常嚴重的具體國情，大力發(fā)展工業(yè)生物技術，更是實現(xiàn)我國社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。
工業(yè)生物技術從提出至今不過十多年的時間，但發(fā)展卻非常迅速。就全球而言，現(xiàn)代生物技術已經(jīng)滲透到包括醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源、化工、環(huán)保等幾乎所有的工業(yè)領域，并扮演著極為重要的角色。生物技術在環(huán)境、材料、信息等領域的應用也在不斷擴大和加強。我國工業(yè)生物技術科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，部分產(chǎn)業(yè)的規(guī)模在世界上已占有舉足輕重的地位。然而技術水平低、市場競爭力弱仍是制約我國工業(yè)生物技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。在這樣的背景下，《生物工程學報》策劃并組織出版本期“工業(yè)生物技術”?？?，集中介紹國內(nèi)該領域專家學者在基因工程、代謝工程與合成生物學、生理工程、發(fā)酵工程與生化工程、生物催化與生物轉化等方面的最新研究成果。
在基因工程研究領域中，開發(fā)新功能的酶/活性多肽、提高蛋白質的異源表達量、酶編碼基因的鑒定及酶活性的快速檢測等依然是研究熱點和重點。江南大學陳衛(wèi)等[1]通過基因搜索工具篩選出一種新的 IIa類細菌素，并通過融合表達實現(xiàn)了該細菌素在大腸桿菌中的高效可溶表達。為了實現(xiàn)目標蛋白在畢赤酵母中的規(guī)?；苽?，江南大學許正宏等[2]用雙質粒共表達體系將一種潛在的糖尿病治療藥物——人胰高血糖素樣肽-1-人血清白蛋白融合蛋白在畢赤酵母中的表達量提高了 50%。值得一提的是，研究者還開發(fā)了利用硝酸纖維素膜固定菌落分泌的蛋白，再利用將濾膜與抗體雜交顯色的免疫斑點法，可以同時篩選幾百個轉化子中目標蛋白的表達量，提高了篩選的效率和準確度，為其他類似研究提供了借鑒。河北大學張利平等[3]用重疊延伸PCR的方法獲得三孢布拉霉CarRA蛋白的編碼基因，并在大腸桿菌體內(nèi)構建了該酶的活性檢測方法，可以通過顏色互補，方便快速地檢測出該酶的番茄紅素環(huán)化酶功能活性和八氫番茄紅素合成酶功能活性。
發(fā)酵工業(yè)是工業(yè)生物技術的核心產(chǎn)業(yè)。目前，已有超過500種產(chǎn)品 (覆蓋50個行業(yè)) 是通過大規(guī)模的微生物發(fā)酵生產(chǎn)的[4]。目前我國發(fā)酵工業(yè)正以每年20%的速度快速發(fā)展，預計到2015年，我國發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)值將超過1萬億人民幣。針對不同發(fā)酵產(chǎn)品，許多研究者分別從代謝工程、合成生物學、生理工程、發(fā)酵工程、生化工程等角度，開展了創(chuàng)新的研究工作。
在代謝工程方面，宿主中目標產(chǎn)物代謝途徑中還原力NAD(H) 或NADP(H) 的不平衡問題，嚴重制約了目標產(chǎn)物的大量生產(chǎn)。為了解決此問題，中國科學院微生物研究所李寅和周杰等[5]阻斷了藍藻Synechocystis sp. PCC 6803中聚羥基丁酸酯PHB合酶編碼基因，在不影響細胞生長的情況下，減少了副產(chǎn)物PHB的合成，提高了細胞內(nèi)NADPH的水平，構建了一個改變碳流向并具有充足還原力的工程藍藻，為藍藻產(chǎn)化學品奠定了基礎。南京工業(yè)大學姜岷等[6]則針對大腸桿菌利用葡萄糖生產(chǎn)丁二酸時NADH的供給問題，在宿主中過量表達依賴NAD+的蘋果酸脫氫酶，使重組菌恢復了厭氧條件下代謝葡萄糖的能力。同時為了減少副產(chǎn)物形成，研究者還敲除了大腸桿菌中乳酸脫氫酶和丙酮酸-甲酸裂解酶的編碼基因，阻斷了丁二酸合成的代謝支路。最終采取兩階段發(fā)酵時，丁二酸濃度和得率分別達到15 g/L和1 g/g葡萄糖，生產(chǎn)強度為1 g/(L·h)。
除了改變代謝途徑中還原力不平衡的問題以外，提高代謝途徑中限速酶的表達量也是加強整個代謝途徑、提高目標產(chǎn)量的有力方法。在這一方面，江南大學饒志明和許正宏等[7]，在研究來源于鈍齒棒桿菌的 N-乙酰鳥氨酸轉氨酶的酶學性質的基礎上，在鈍齒棒桿菌中過表達該基因，將其精氨酸產(chǎn)量提高了15%。另外，在非天然宿主中構建目標產(chǎn)物代謝途徑以及加強天然宿主利用非天然底物的能力這兩個方面也取得了一定的進展。江南大學石貴陽和張梁等[8]從自然樣品中篩選分離得到一株能在pH 2.5 (乳酸調(diào)節(jié)) 的培養(yǎng)基中生長且不利用乳酸的酵母，通過在其中表達來源于米根霉 As3.819的乳酸脫氫酶編碼基因并初步優(yōu)化其培養(yǎng)條件，可使乳酸產(chǎn)量達到40 g/L以上。大連理工大學袁文杰和白鳳武等[9]，從馬克斯克魯維酵母中擴增出菊粉酶編碼基因，并導入釀酒酵母工業(yè)菌株中，以200 g/L粗菊芋粉生料進行乙醇發(fā)酵時，重組菌株的發(fā)酵終點乙醇濃度可達55 g/L，糖醇轉化率為0.495，達到理論值的 96.9%，為非糧作物菊芋生產(chǎn)燃料乙醇奠定了良好基礎。
始于 21世紀初的合成生物學的核心是通過設計和構建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)，來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。主要技術包括DNA的合成，來自多種微生物中基因及代謝途徑的組裝，多基因的精密調(diào)控等。為了構建抗瘧疾藥青蒿素前體——紫穗槐-4,11-二烯的人工合成途徑，軍事醫(yī)學科學院方宏清等[10]在大腸桿菌中引入人工合成的紫穗槐-4,11-二烯合酶基因，利用大腸桿菌內(nèi)源的法尼基焦磷酸，成功獲得了紫穗槐-4,11-二烯。另外，還通過引入糞腸球菌的甲羥戊酸途徑來增加前體供給，并過表達代謝途徑中3個限速酶，最終使搖瓶中紫穗槐-4,11-二烯產(chǎn)量達到235 mg/L，為高效合成紫穗槐-4,11-二烯奠定了基礎。
以上代謝工程和合成生物學均是以提高目標產(chǎn)物產(chǎn)量為主要目標。但是要想實現(xiàn)實際的工業(yè)應用，除了提高目標產(chǎn)物的合成能力外，菌株的工業(yè)適應性 (包括抵抗生產(chǎn)過程中pH、溫度、滲透壓等環(huán)境條件的波動，對產(chǎn)物或底物抑制不敏感，菌株在發(fā)酵過程中的穩(wěn)定性等) 也同樣非常重要，生理工程的概念應運而生[11]。為了提高工業(yè)釀酒酵母在乙醇發(fā)酵中抗溫度脅迫的能力，中國科學院微生物研究所何秀萍和張博潤等[12]先用傳統(tǒng)的化學誘變劑(硫酸二乙酯) 處理酵母細胞，再提取優(yōu)勢突變株的DNA，經(jīng)上述誘變劑處理后重新導入親本細胞，最終獲得重組菌株的最高生長溫度比原始菌株提高了3 ℃，在30 ℃~40 ℃范圍內(nèi)具有良好的糖醇轉化率和乙醇產(chǎn)量，發(fā)酵200 g/L葡萄糖能夠產(chǎn)生83.8~91.2 g/L乙醇。這一結合了化學誘變和基因組DNA誘變的方法，也可為改造其他宿主的其他生理功能提供借鑒思路。
除了前述基因工程、代謝工程、合成生物學、生理工程這些工業(yè)生物技術的上游研究以外，針對發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)酵工程以及針對酶的生化工程這類中、下游研究同樣重要。在發(fā)酵工程方面，江南大學吳敬等[13]優(yōu)化了大腸桿菌表達嗜熱子囊菌角質酶的發(fā)酵條件，最終使3 L發(fā)酵罐中角質酶酶活達到 506 U/mL，是迄今國內(nèi)外報道細菌來源角質酶的最高水平。集美大學蔡慧農(nóng)等[14]優(yōu)化了7 L罐中法夫酵母產(chǎn)蝦青素的pH值調(diào)控方式及補料培養(yǎng)基成分對發(fā)酵的影響，最終在 1 m3罐中試補料發(fā)酵時，蝦青素和總類胡蘿卜素的體積產(chǎn)率分別達到279.96 mg/L和618.01 mg/L。而在生化工程方面，四川大學廖學品等[15]用三價鐵改性膠原纖維，在固定過氧化氫酶時表現(xiàn)出了優(yōu)良的固定化載體性能。
生物催化與生物轉化是用具有催化能力的全細胞或酶將原料轉化為目標產(chǎn)品，被 經(jīng)濟合作與發(fā)展組織 (OECD) 定位為構建和環(huán)境協(xié)調(diào)的產(chǎn)業(yè)體系的關鍵技術。在這一方面，江南大學石貴陽等[16]在枯草芽胞桿菌中表達羰基還原酶，實現(xiàn)了用全細胞催化底物 1-苯基-2-甲氨基丙酮生成 d-偽麻黃堿。由于該酶促反應需要NADH，所以研究者把該反應置于枯草芽胞桿菌中進行，并利用細胞內(nèi)源的葡萄糖脫氫酶完成輔酶再生。最終在葡萄糖存在的情況下，該重組枯草芽胞桿菌生成d-偽麻黃堿的產(chǎn)量為97.5 mg/L，底物摩爾轉化率為24.1%。為了研究溫度在β-1,3-葡聚糖酶分解酵母β-葡聚糖時的作用，山東大學盧雪梅等[17]采用分體模塊設計，研制了一種新型的溫度梯度產(chǎn)生裝置，可以快速、精準、連續(xù)地實現(xiàn)多個溫度的控制。研究結果不但能為寡糖生產(chǎn)提供精確的溫度控制參數(shù)，也為其他需要精確連續(xù)控溫的實驗提供了方便。通過分子定向進化，改善和提高酶的性能，一直是這一領域的研究熱點。暨南大學姚冬生等[18]采用易錯PCR的方法，獲得了耐高溫和在酸、堿條件下均穩(wěn)定的黃曲霉毒素解毒酶突變體，為提高體外直接降解黃曲霉毒素的效率奠定了基礎。
最后，在生物技術與方法方面，衛(wèi)生部抗生素生物工程重點實驗室武臨專等[19]開發(fā)了一種快速檢測抗生素洋橄欖葉素的化學方法，主要包括TLC硅膠板分離、NaOH溶液顯色、HPLC和LC-MS分析。同時，還可以利用該抗生素生物合成基因簇中的tgd基因的PCR檢測與序列分析，對該抗生素的生產(chǎn)菌進行快速檢測。
希望本期?？転閲鴥?nèi)從事相關領域的研究者提供借鑒和參考，促進我國工業(yè)生物技術進一步發(fā)展。
REFERENCES
[1] Xie Y, Chen HQ, Zhang QX, et al. Expression and characterization of a new class IIa bacteriocin. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 976?982.謝燕, 陳海琴, 張秋香, 等. 一種新型IIa類細菌素的克隆表達和活性鑒定. 生物工程學報, 2011, 27(7): 976?982.
1.3 統(tǒng)計分析方法 利用DPS 7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對28個紅小豆的主要農(nóng)藝性狀分別進行遺傳變異、相關性和主成分分析[9]。
[2] Wang H, Dou WF, Zhang XM, et al. High-level expression of fusion protein GGH in Pichia pastoris GS115 by constructing a double plasmid co-expression system. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 983?989.王慧, 竇文芳, 張曉梅, 等. 應用雙質粒共表達體系提高融合蛋白GGH在畢赤酵母GS115中的表達量. 生物工程學報, 2011, 27(7): 983?989.
[3] Tang H, Shi N, Yu M, et al. Cloning of Blakeslea trispora carRA gene by PCR-driven overlap extension and construction of an activity detection system. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 990?997.湯暉, 石楠, 于淼, 等. 重疊延伸 PCR克隆三孢布拉霉carRA基因及其功能活性檢測系統(tǒng)的構建. 生物工程學報, 2011, 27(7): 990?997.
[4] Cherry JR, Fidantsef AL. Directed evolution of industrial enzymes: an update. Curr Opin Biotechnol, 2003, 14: 438?443.
[5] Xie J, Zhou J, Zhang HF, et al. Increasing reductant NADPH content via metabolic engineering of PHB synthesis pathway in Synechocystis sp. PCC 6803. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 998?1004.解鵑, 周杰, 張海峰, 等. 阻斷集胞藻6803 PHB合成途徑提高胞內(nèi)NADPH含量. 生物工程學報, 2011, 27(7): 998?1004.
[6] Liang LY, Ma JF, Liu RM, et al. Effect of overexpression of malate dehydrogenase on succinic acid production in Escherichia coli NZN111. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1005?1012.梁麗亞, 馬江鋒, 劉嶸明, 等. 過量表達蘋果酸脫氫酶對大腸桿菌 NZN111產(chǎn)丁二酸的影響. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1005?1012.
[7] Xu MJ, Zhang X, Rao ZM, et al. Cloning, expression and characterization of N-Acetylornithine aminotransferase from Corynebacterium crenatum and its effects on L-arginine fermentation. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1013?1023.徐美娟, 張顯, 饒志明, 等. 鈍齒棒桿菌 N-乙酰鳥氨酸轉氨酶的克隆表達分析及其重組菌的精氨酸發(fā)酵. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1013?1023.
[8] Zhang Q, Zhang L, Ding ZY, et al. Metabolic engineering of wild acid-resistant yeast for L-lactic acid production. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1024?1031.張勤, 張梁, 丁重陽, 等. 代謝工程改造野生耐酸酵母生產(chǎn)L-乳酸. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1024?1031.
[10] Wu T, Wu SM, Yin Q, et al. Biosynthesis of amorpha-4,11-diene, a precursor of the antimalarial agent artemisinin, in Escherichia coli through introducing mevalonate pathway. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1040?1048.吳濤, 吳勝明, 殷晴, 等. 在大腸桿菌內(nèi)引入甲羥戊酸途徑高效合成抗瘧藥青蒿素前體——紫穗槐-4,11-二烯.生物工程學報, 2011, 27(7): 1040?1048.
[11] Zhang YP, Zhu Y, Zhu Y, et al. The importance of engineering physiological functionalities into microbes. Trends Biotechnol, 2009, 27(12): 664?672.
[12] Liu XY, He XP, Lu Y, et al. Improvement of thermal adaptability and fermentation of industrial ethanologenic yeast by genomic DNA mutagenesis-based genetic recombination. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1049?1056.劉秀穎, 何秀萍, 盧瑩, 等. 基于基因組DNA誘變的遺傳重組改造乙醇工業(yè)酵母的耐熱性及發(fā)酵性能. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1049?1056.
[13] Zhang Y, Chen S, Wu D, et al. Preparation of recombinant cutinase and its application in surface modification of poly (ethylene terephthalate). Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1057?1064.張瑤, 陳晟, 吳丹, 等. 重組角質酶的發(fā)酵制備及其對滌綸纖維的表面改性. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1057?1064.
[14] Ni H, Hong QL, Xiao AF, et al. Characterization and evaluation of an astaxanthin over-producing Phaffia rhodozyma. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1065?1075.倪輝, 洪清林, 肖安風, 等. 一株法夫酵母蝦青素高產(chǎn)菌株的生產(chǎn)性能. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1065?1075.
[15] Chen S, Song N, Liao XP, et al. Immobilization of catalase on Fe (III) modified collagen fiber. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1076?1081.陳爽, 宋娜, 廖學品, 等. 以 Fe(III) 改性膠原纖維為載體固定過氧化氫酶. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1076?1081.
[16] Peng YH, Zhang L, Ding ZY, et al. Asymmetric biosynthesis of d-pseudoephedrine by recombinant Bacillus subtilis. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1082?1091.彭艷紅, 張梁, 丁重陽, 等. 重組枯草芽胞桿菌不對稱還原產(chǎn) d-偽麻黃堿. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1082?1091.
[17] Duan F, Lu XM, Duan YC, et al. Effect of continuous temperature change on hydrolytic products of yeast β-glucan by endo-β-1,3-glucanase. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1092?1099.段峰, 盧雪梅, 段永成, 等. 連續(xù)溫度變化對β-1,3-葡聚糖酶酶解酵母β-葡聚糖的影響. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1092?1099.
[18] Zhang S, Xing KK, Hu YD, et al. Directed evolution of aflatoxin detoxifzyme in vitro by error-prone PCR. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1100?1108.張賽, 邢克克, 胡亞冬, 等. 基于易錯 PCR的黃曲霉毒素解毒酶體外分子定向進化. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1100?1108.
[19] Li SF, Wu LZ, Chen FF, et al. Rapid identification of elaiophylin from Streptomyces hygroscopicus 17997, a geldanamycin producer. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1109?1114.李書芬, 武臨專, 陳菲菲, 等. 快速鑒定格爾德霉素產(chǎn)生菌——吸水鏈霉菌17997中的洋橄欖葉素. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1109?1114.
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發(fā)酵工業(yè)是工業(yè)生物技術的核心產(chǎn)業(yè)。目前，已有超過500種產(chǎn)品 (覆蓋50個行業(yè)) 是通過大規(guī)模的微生物發(fā)酵生產(chǎn)的[4]。目前我國發(fā)酵工業(yè)正以每年20%的速度快速發(fā)展，預計到2015年，我國發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)值將超過1萬億人民幣。針對不同發(fā)酵產(chǎn)品，許多研究者分別從代謝工程、合成生物學、生理工程、發(fā)酵工程、生化工程等角度，開展了創(chuàng)新的研究工作。
在代謝工程方面，宿主中目標產(chǎn)物代謝途徑中還原力NAD(H) 或NADP(H) 的不平衡問題，嚴重制約了目標產(chǎn)物的大量生產(chǎn)。為了解決此問題，中國科學院微生物研究所李寅和周杰等[5]阻斷了藍藻Synechocystis sp. PCC 6803中聚羥基丁酸酯PHB合酶編碼基因，在不影響細胞生長的情況下，減少了副產(chǎn)物PHB的合成，提高了細胞內(nèi)NADPH的水平，構建了一個改變碳流向并具有充足還原力的工程藍藻，為藍藻產(chǎn)化學品奠定了基礎。南京工業(yè)大學姜岷等[6]則針對大腸桿菌利用葡萄糖生產(chǎn)丁二酸時NADH的供給問題，在宿主中過量表達依賴NAD+的蘋果酸脫氫酶，使重組菌恢復了厭氧條件下代謝葡萄糖的能力。同時為了減少副產(chǎn)物形成，研究者還敲除了大腸桿菌中乳酸脫氫酶和丙酮酸-甲酸裂解酶的編碼基因，阻斷了丁二酸合成的代謝支路。最終采取兩階段發(fā)酵時，丁二酸濃度和得率分別達到15 g/L和1 g/g葡萄糖，生產(chǎn)強度為1 g/(L·h)。
除了改變代謝途徑中還原力不平衡的問題以外，提高代謝途徑中限速酶的表達量也是加強整個代謝途徑、提高目標產(chǎn)量的有力方法。在這一方面，江南大學饒志明和許正宏等[7]，在研究來源于鈍齒棒桿菌的 N-乙酰鳥氨酸轉氨酶的酶學性質的基礎上，在鈍齒棒桿菌中過表達該基因，將其精氨酸產(chǎn)量提高了15%。另外，在非天然宿主中構建目標產(chǎn)物代謝途徑以及加強天然宿主利用非天然底物的能力這兩個方面也取得了一定的進展。江南大學石貴陽和張梁等[8]從自然樣品中篩選分離得到一株能在pH 2.5 (乳酸調(diào)節(jié)) 的培養(yǎng)基中生長且不利用乳酸的酵母，通過在其中表達來源于米根霉 As3.819的乳酸脫氫酶編碼基因并初步優(yōu)化其培養(yǎng)條件，可使乳酸產(chǎn)量達到40 g/L以上。大連理工大學袁文杰和白鳳武等[9]，從馬克斯克魯維酵母中擴增出菊粉酶編碼基因，并導入釀酒酵母工業(yè)菌株中，以200 g/L粗菊芋粉生料進行乙醇發(fā)酵時，重組菌株的發(fā)酵終點乙醇濃度可達55 g/L，糖醇轉化率為0.495，達到理論值的 96.9%，為非糧作物菊芋生產(chǎn)燃料乙醇奠定了良好基礎。
始于 21世紀初的合成生物學的核心是通過設計和構建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)，來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。主要技術包括DNA的合成，來自多種微生物中基因及代謝途徑的組裝，多基因的精密調(diào)控等。為了構建抗瘧疾藥青蒿素前體——紫穗槐-4,11-二烯的人工合成途徑，軍事醫(yī)學科學院方宏清等[10]在大腸桿菌中引入人工合成的紫穗槐-4,11-二烯合酶基因，利用大腸桿菌內(nèi)源的法尼基焦磷酸，成功獲得了紫穗槐-4,11-二烯。另外，還通過引入糞腸球菌的甲羥戊酸途徑來增加前體供給，并過表達代謝途徑中3個限速酶，最終使搖瓶中紫穗槐-4,11-二烯產(chǎn)量達到235 mg/L，為高效合成紫穗槐-4,11-二烯奠定了基礎。
以上代謝工程和合成生物學均是以提高目標產(chǎn)物產(chǎn)量為主要目標。但是要想實現(xiàn)實際的工業(yè)應用，除了提高目標產(chǎn)物的合成能力外，菌株的工業(yè)適應性 (包括抵抗生產(chǎn)過程中pH、溫度、滲透壓等環(huán)境條件的波動，對產(chǎn)物或底物抑制不敏感，菌株在發(fā)酵過程中的穩(wěn)定性等) 也同樣非常重要，生理工程的概念應運而生[11]。為了提高工業(yè)釀酒酵母在乙醇發(fā)酵中抗溫度脅迫的能力，中國科學院微生物研究所何秀萍和張博潤等[12]先用傳統(tǒng)的化學誘變劑(硫酸二乙酯) 處理酵母細胞，再提取優(yōu)勢突變株的DNA，經(jīng)上述誘變劑處理后重新導入親本細胞，最終獲得重組菌株的最高生長溫度比原始菌株提高了3 ℃，在30 ℃~40 ℃范圍內(nèi)具有良好的糖醇轉化率和乙醇產(chǎn)量，發(fā)酵200 g/L葡萄糖能夠產(chǎn)生83.8~91.2 g/L乙醇。這一結合了化學誘變和基因組DNA誘變的方法，也可為改造其他宿主的其他生理功能提供借鑒思路。
除了前述基因工程、代謝工程、合成生物學、生理工程這些工業(yè)生物技術的上游研究以外，針對發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)酵工程以及針對酶的生化工程這類中、下游研究同樣重要。在發(fā)酵工程方面，江南大學吳敬等[13]優(yōu)化了大腸桿菌表達嗜熱子囊菌角質酶的發(fā)酵條件，最終使3 L發(fā)酵罐中角質酶酶活達到 506 U/mL，是迄今國內(nèi)外報道細菌來源角質酶的最高水平。集美大學蔡慧農(nóng)等[14]優(yōu)化了7 L罐中法夫酵母產(chǎn)蝦青素的pH值調(diào)控方式及補料培養(yǎng)基成分對發(fā)酵的影響，最終在 1 m3罐中試補料發(fā)酵時，蝦青素和總類胡蘿卜素的體積產(chǎn)率分別達到279.96 mg/L和618.01 mg/L。而在生化工程方面，四川大學廖學品等[15]用三價鐵改性膠原纖維，在固定過氧化氫酶時表現(xiàn)出了優(yōu)良的固定化載體性能。
生物催化與生物轉化是用具有催化能力的全細胞或酶將原料轉化為目標產(chǎn)品，被 經(jīng)濟合作與發(fā)展組織 (OECD) 定位為構建和環(huán)境協(xié)調(diào)的產(chǎn)業(yè)體系的關鍵技術。在這一方面，江南大學石貴陽等[16]在枯草芽胞桿菌中表達羰基還原酶，實現(xiàn)了用全細胞催化底物 1-苯基-2-甲氨基丙酮生成 d-偽麻黃堿。由于該酶促反應需要NADH，所以研究者把該反應置于枯草芽胞桿菌中進行，并利用細胞內(nèi)源的葡萄糖脫氫酶完成輔酶再生。最終在葡萄糖存在的情況下，該重組枯草芽胞桿菌生成d-偽麻黃堿的產(chǎn)量為97.5 mg/L，底物摩爾轉化率為24.1%。為了研究溫度在β-1,3-葡聚糖酶分解酵母β-葡聚糖時的作用，山東大學盧雪梅等[17]采用分體模塊設計，研制了一種新型的溫度梯度產(chǎn)生裝置，可以快速、精準、連續(xù)地實現(xiàn)多個溫度的控制。研究結果不但能為寡糖生產(chǎn)提供精確的溫度控制參數(shù)，也為其他需要精確連續(xù)控溫的實驗提供了方便。通過分子定向進化，改善和提高酶的性能，一直是這一領域的研究熱點。暨南大學姚冬生等[18]采用易錯PCR的方法，獲得了耐高溫和在酸、堿條件下均穩(wěn)定的黃曲霉毒素解毒酶突變體，為提高體外直接降解黃曲霉毒素的效率奠定了基礎。
最后，在生物技術與方法方面，衛(wèi)生部抗生素生物工程重點實驗室武臨專等[19]開發(fā)了一種快速檢測抗生素洋橄欖葉素的化學方法，主要包括TLC硅膠板分離、NaOH溶液顯色、HPLC和LC-MS分析。同時，還可以利用該抗生素生物合成基因簇中的tgd基因的PCR檢測與序列分析，對該抗生素的生產(chǎn)菌進行快速檢測。
希望本期?？転閲鴥?nèi)從事相關領域的研究者提供借鑒和參考，促進我國工業(yè)生物技術進一步發(fā)展。
REFERENCES
[1] Xie Y, Chen HQ, Zhang QX, et al. Expression and characterization of a new class IIa bacteriocin. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 976?982.謝燕, 陳海琴, 張秋香, 等. 一種新型IIa類細菌素的克隆表達和活性鑒定. 生物工程學報, 2011, 27(7): 976?982.
1.3 統(tǒng)計分析方法 利用DPS 7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對28個紅小豆的主要農(nóng)藝性狀分別進行遺傳變異、相關性和主成分分析[9]。
[2] Wang H, Dou WF, Zhang XM, et al. High-level expression of fusion protein GGH in Pichia pastoris GS115 by constructing a double plasmid co-expression system. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 983?989.王慧, 竇文芳, 張曉梅, 等. 應用雙質粒共表達體系提高融合蛋白GGH在畢赤酵母GS115中的表達量. 生物工程學報, 2011, 27(7): 983?989.
[3] Tang H, Shi N, Yu M, et al. Cloning of Blakeslea trispora carRA gene by PCR-driven overlap extension and construction of an activity detection system. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 990?997.湯暉, 石楠, 于淼, 等. 重疊延伸 PCR克隆三孢布拉霉carRA基因及其功能活性檢測系統(tǒng)的構建. 生物工程學報, 2011, 27(7): 990?997.
[4] Cherry JR, Fidantsef AL. Directed evolution of industrial enzymes: an update. Curr Opin Biotechnol, 2003, 14: 438?443.
[5] Xie J, Zhou J, Zhang HF, et al. Increasing reductant NADPH content via metabolic engineering of PHB synthesis pathway in Synechocystis sp. PCC 6803. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 998?1004.解鵑, 周杰, 張海峰, 等. 阻斷集胞藻6803 PHB合成途徑提高胞內(nèi)NADPH含量. 生物工程學報, 2011, 27(7): 998?1004.
[6] Liang LY, Ma JF, Liu RM, et al. Effect of overexpression of malate dehydrogenase on succinic acid production in Escherichia coli NZN111. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1005?1012.梁麗亞, 馬江鋒, 劉嶸明, 等. 過量表達蘋果酸脫氫酶對大腸桿菌 NZN111產(chǎn)丁二酸的影響. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1005?1012.
[7] Xu MJ, Zhang X, Rao ZM, et al. Cloning, expression and characterization of N-Acetylornithine aminotransferase from Corynebacterium crenatum and its effects on L-arginine fermentation. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1013?1023.徐美娟, 張顯, 饒志明, 等. 鈍齒棒桿菌 N-乙酰鳥氨酸轉氨酶的克隆表達分析及其重組菌的精氨酸發(fā)酵. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1013?1023.
[8] Zhang Q, Zhang L, Ding ZY, et al. Metabolic engineering of wild acid-resistant yeast for L-lactic acid production. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1024?1031.張勤, 張梁, 丁重陽, 等. 代謝工程改造野生耐酸酵母生產(chǎn)L-乳酸. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1024?1031.
[10] Wu T, Wu SM, Yin Q, et al. Biosynthesis of amorpha-4,11-diene, a precursor of the antimalarial agent artemisinin, in Escherichia coli through introducing mevalonate pathway. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1040?1048.吳濤, 吳勝明, 殷晴, 等. 在大腸桿菌內(nèi)引入甲羥戊酸途徑高效合成抗瘧藥青蒿素前體——紫穗槐-4,11-二烯.生物工程學報, 2011, 27(7): 1040?1048.
[11] Zhang YP, Zhu Y, Zhu Y, et al. The importance of engineering physiological functionalities into microbes. Trends Biotechnol, 2009, 27(12): 664?672.
[12] Liu XY, He XP, Lu Y, et al. Improvement of thermal adaptability and fermentation of industrial ethanologenic yeast by genomic DNA mutagenesis-based genetic recombination. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1049?1056.劉秀穎, 何秀萍, 盧瑩, 等. 基于基因組DNA誘變的遺傳重組改造乙醇工業(yè)酵母的耐熱性及發(fā)酵性能. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1049?1056.
[13] Zhang Y, Chen S, Wu D, et al. Preparation of recombinant cutinase and its application in surface modification of poly (ethylene terephthalate). Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1057?1064.張瑤, 陳晟, 吳丹, 等. 重組角質酶的發(fā)酵制備及其對滌綸纖維的表面改性. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1057?1064.
[14] Ni H, Hong QL, Xiao AF, et al. Characterization and evaluation of an astaxanthin over-producing Phaffia rhodozyma. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1065?1075.倪輝, 洪清林, 肖安風, 等. 一株法夫酵母蝦青素高產(chǎn)菌株的生產(chǎn)性能. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1065?1075.
[15] Chen S, Song N, Liao XP, et al. Immobilization of catalase on Fe (III) modified collagen fiber. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1076?1081.陳爽, 宋娜, 廖學品, 等. 以 Fe(III) 改性膠原纖維為載體固定過氧化氫酶. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1076?1081.
[16] Peng YH, Zhang L, Ding ZY, et al. Asymmetric biosynthesis of d-pseudoephedrine by recombinant Bacillus subtilis. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1082?1091.彭艷紅, 張梁, 丁重陽, 等. 重組枯草芽胞桿菌不對稱還原產(chǎn) d-偽麻黃堿. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1082?1091.
[17] Duan F, Lu XM, Duan YC, et al. Effect of continuous temperature change on hydrolytic products of yeast β-glucan by endo-β-1,3-glucanase. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1092?1099.段峰, 盧雪梅, 段永成, 等. 連續(xù)溫度變化對β-1,3-葡聚糖酶酶解酵母β-葡聚糖的影響. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1092?1099.
[18] Zhang S, Xing KK, Hu YD, et al. Directed evolution of aflatoxin detoxifzyme in vitro by error-prone PCR. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1100?1108.張賽, 邢克克, 胡亞冬, 等. 基于易錯 PCR的黃曲霉毒素解毒酶體外分子定向進化. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1100?1108.
[19] Li SF, Wu LZ, Chen FF, et al. Rapid identification of elaiophylin from Streptomyces hygroscopicus 17997, a geldanamycin producer. Chin J Biotech, 2011, 27(7): 1109?1114.李書芬, 武臨專, 陳菲菲, 等. 快速鑒定格爾德霉素產(chǎn)生菌——吸水鏈霉菌17997中的洋橄欖葉素. 生物工程學報, 2011, 27(7): 1109?1114.
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