2014工業(yè)生物技術(shù)?？蜓?/h1>
2014-03-13 13:35:23朱敦明田朝光
生物工程學(xué)報 2014年1期 關(guān)鍵詞：生物
朱敦明，田朝光
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，天津 300308
工業(yè)生物技術(shù)是以微生物或酶為催化劑進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，大規(guī)模生產(chǎn)人類所需要的化學(xué)品、醫(yī)藥、能源、材料等的新興學(xué)科，是解決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機的有效手段。發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)、推動生物制造產(chǎn)業(yè)，是我國實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略途徑。為了增強工業(yè)生物技術(shù)集成創(chuàng)新能力與成果轉(zhuǎn)化能力，推進我國工業(yè)生物技術(shù)和生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，繼自2007年起在天津、湖州、青島、成都等地已成功舉辦 6屆以后，由中國科學(xué)院生命科學(xué)與生物技術(shù)局、科技部中國生物技術(shù)發(fā)展中心、國家發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)司、中國生物工程學(xué)會聯(lián)合天津市科學(xué)技術(shù)委員會主辦，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所承辦，以“促進學(xué)科交叉，推動產(chǎn)業(yè)成長”為主題的第七屆中國工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展高峰論壇于2013年5月10日至12日在天津召開。
本次論壇邀請了 9位國際專家、國內(nèi)管理部門、戰(zhàn)略科學(xué)家及行業(yè)龍頭企業(yè)的專家作大會主題報告。聚焦工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，在工業(yè)合成生物學(xué)、工業(yè)生物與計算科學(xué)、生物煉制與生物能源、生物基材料、生物催化工程、工業(yè)蛋白質(zhì)科學(xué)、微生物資源與環(huán)境生物技術(shù)等方向，組織13個分會，近90個分會報告和 110多個墻報展講。這次論壇的參會人員達到 400多人，為我國工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域的專家、學(xué)者、金融界和企業(yè)界人士提供一個高水平的交流平臺?！渡锕こ虒W(xué)報》曾多次與該論壇合作出版專刊，集中反映有關(guān)生物能源、發(fā)酵生物產(chǎn)品、生物基化學(xué)品、生物煉制等方面的最新研究成果，得到了讀者和同行專家的一致好評。為了傳播本次論壇的成果，促進工業(yè)生物技術(shù)研究領(lǐng)域的交流和發(fā)展，《生物工程學(xué)報》與此次論壇組委會共同推出一期主題為“工業(yè)生物技術(shù)”的?？?。
隨著基因組測序技術(shù)、組學(xué)技術(shù)及分析技術(shù)等的快速發(fā)展，生物學(xué)已經(jīng)進入了“大數(shù)據(jù)”時代，計算科學(xué)的介入，進行高效率、高精度的生物信息學(xué)分析以及生物生理過程的計算模擬逐漸成為生命科學(xué)和生物技術(shù)的一個核心部分。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所寧康等介紹了一個全新的在線元基因組分析系統(tǒng)—Meta-Mesh，它包括元基因組數(shù)據(jù)庫和分析平臺，可以對元基因組樣本進行系統(tǒng)、有效的分析，實現(xiàn)樣本的群落結(jié)構(gòu)比較和精確搜索，準(zhǔn)確有效地識別類似的群落結(jié)構(gòu)的樣本，開啟了研究微生物群落功能多樣性的新思路。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬紅武實驗室基于以往發(fā)表的相關(guān)途徑動力學(xué)模型和測量的酶動力學(xué)數(shù)據(jù)，開發(fā)了大腸桿菌蘇氨酸合成途徑的動力學(xué)模型。模型穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果表明前體物質(zhì)、能量和還原力是蘇氨酸合成的主要限制因素，通過過表達這些反應(yīng)的酶可以有效增加蘇氨酸合成反應(yīng)的通量，為高效細胞工廠的理性設(shè)計提供指導(dǎo)。
構(gòu)建高效的微生物細胞工廠是工業(yè)生物技術(shù)的核心之一，生物質(zhì)在細胞工廠內(nèi)可以被轉(zhuǎn)化為生物能源、大宗化學(xué)品和高價值精細化學(xué)品，從而取代基于石油的化工制造。7-脫氫膽甾醇 (7-DHC)是膽甾相液晶材料的重要前體物，利用合成生物技術(shù)生產(chǎn) 7-脫氫膽甾醇的挑戰(zhàn)性在于獲得合成功能模塊與底盤細胞的適配關(guān)系。天津大學(xué)元英進實驗室從更換不同調(diào)控強度的啟動子和不同改造的酵母底盤兩方面，對二者的適配性進行研究，發(fā)現(xiàn)TDH3p調(diào)控的功能模塊與底盤細胞SyBE_000956具備較好的適配性，使 7-脫氫膽甾醇的產(chǎn)量得到提高，為后續(xù)的適配性研究提供了理性設(shè)計的依據(jù)。雖然甲烷作為天然氣和沼氣的主要成分不但是高價值燃料資源，也是一碳化工的重要原料，但是目前基于甲烷的生物催化轉(zhuǎn)化合成高附加值產(chǎn)品的成功研究還沒有報道過。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)楊松等利用RNA-seq、LC-MS技術(shù)并結(jié)合13C標(biāo)記策略，深入探討了甲烷氧化菌Methylomicrobium alcaliphilum 20Z細胞的轉(zhuǎn)錄物和代謝物兩個層次特征，闡明EMP途徑才是M. alcaliphilum 20Z進行甲烷同化的關(guān)鍵通路，這不但改變對Gammaproteobacteria甲烷氧化菌甲烷同化模式的傳統(tǒng)認(rèn)知，而且為甲烷高效生物催化轉(zhuǎn)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。
隨著微生物細胞廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物、生物活性物質(zhì)和工業(yè)酶等產(chǎn)品，如何通過工程菌的遺傳改造、實施針對性的發(fā)酵控制策略來提高發(fā)酵生產(chǎn)效率，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵研究的熱點與難點。絲狀真菌被廣泛應(yīng)用于包括纖維素酶在內(nèi)的工業(yè)酶的生產(chǎn)，在液體深層發(fā)酵中，絲狀真菌菌絲形態(tài)直接影響發(fā)酵液的流變特性，進而與目標(biāo)酶蛋白產(chǎn)量存在著重要的關(guān)聯(lián)。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所田朝光實驗室為了挖掘深層發(fā)酵中對絲狀真菌發(fā)酵產(chǎn)酶性能具有重要影響的形態(tài)發(fā)育相關(guān)基因，以粗糙脈孢菌Neurospora crassa單基因突變體庫中的95株形態(tài)突變株為研究對象，在結(jié)晶纖維素為碳源的條件下進行篩選，對這些突變株的內(nèi)切-1,4-β-葡聚糖酶酶活、β-葡萄糖苷酶酶活、發(fā)酵液粘度和菌絲干重進行測定，并觀察發(fā)酵液中突變株的菌絲形態(tài)。結(jié)果表明，與野生型菌株相比，突變株SZY11、SZY63、SZY69和SZY87發(fā)酵液中蛋白濃度顯著性提高。突變株SZY11和SZY43發(fā)酵液菌絲體主要形態(tài)為菌球狀，其發(fā)酵液粘度分別降低 75%和 50%，突變株SZY87在發(fā)酵液中呈長絲狀，發(fā)酵液粘度顯著升高至少 2倍。這些與產(chǎn)酶水平相關(guān)的形態(tài)、粘度基因的獲得將有助于絲狀真菌纖維素酶等工業(yè)酶高產(chǎn)工程菌株的理性構(gòu)建。青蒿素作為最有效的抗瘧疾藥物，構(gòu)建高效微生物細胞工廠合成其前體紫槐二烯及青蒿酸受到了廣泛的關(guān)注。華東理工大學(xué)張嗣良等和中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所王勇等從引入異源MEP途徑基因構(gòu)建紫槐二烯異源合成工程菌株和菌株高密度發(fā)酵過程的糖流加控制策略兩個方面入手，嘗試最大限度地釋放Escherichia coli 內(nèi)源MEP途徑合成青蒿素前體—紫槐二烯的潛力，使紫槐二烯的產(chǎn)量達到6.1 g/L，為開發(fā)基于MEP途徑的萜類異源合成工程菌株及其發(fā)酵工藝奠定了基礎(chǔ)。氧化葡萄糖桿菌Gluconobacter oxydans可以將葡萄糖氧化成葡萄糖酸，并進一步氧化成2-酮基-葡萄糖酸 (2KGA)和5-酮基-葡萄糖酸 (5KGA)，其中5KGA在催化劑的作用下能夠轉(zhuǎn)化為L(+)-酒石酸。天津科技大學(xué)賈士儒課題組以僅生成5KGA 的氧化葡萄糖桿菌 Gluconobacter oxydans HGI-1為出發(fā)菌株，研究不同碳源 (蔗糖、乳糖、麥芽糖、淀粉、葡萄糖)和有機氮源(酵母浸粉、魚粉、玉米漿、黃豆餅粉、棉籽餅粉)對 5KGA產(chǎn)量的影響。選擇玉米漿作有機氮源，在 5 L發(fā)酵罐中進行分批發(fā)酵放大試驗時，5KGA的產(chǎn)量為93.80 g/L，轉(zhuǎn)化率與文獻水平相當(dāng)，但以玉米漿作氮源降低了生產(chǎn)成本，更有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)不僅能夠以可再生碳資源替代化石資源，而且也是以清潔生物加工方式替代傳統(tǒng)化學(xué)加工方式的有效途徑。近年來生物技術(shù)的高度發(fā)展，生物酶制劑的生產(chǎn)水平不斷提高，促進了工業(yè)酶在化工、紡織、造紙、食品、制藥、環(huán)境等領(lǐng)域中的應(yīng)用，從而以生物技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)過程，降低資源、能源消耗與污染物排放，實現(xiàn)節(jié)能減排與產(chǎn)業(yè)提升。華南理工大學(xué)林影重點介紹在生物制漿、生物漂白、廢紙生物脫墨、酶法紙漿改善性能及樹脂生物控制等工藝中酶的選用、復(fù)配和應(yīng)用技術(shù)及原理，以及酶制劑的應(yīng)用效率及其對制漿造紙中節(jié)能減排和綠色環(huán)保的意義。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫媛霞實驗室報道了利用 D-阿洛酮糖 3-差向異構(gòu)酶 (D-psicose 3-epimerase, DPE)和 L-鼠李糖異構(gòu)酶(L-rhamnose isomerase, L-RhI)雙酶偶聯(lián)反應(yīng)，催化 D-果糖生成 D-阿洛酮糖和 D-阿洛糖等功能性稀少糖的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。
野生型生物催化劑對于其天然底物通常具有較好的反應(yīng)活性和選擇性，但在實際應(yīng)用時多數(shù)情況下是非天然底物，這就要求對野生型生物催化劑進行改造，以提高其對非天然底物的反應(yīng)活性、穩(wěn)定性和選擇性。江南大學(xué)陳堅等對來源于軟化類芽胞桿菌 Paenibacillus maceras的環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶(Cyclodextrin glycosyltransferase, CGT酶)的+1亞位點附近的3個氨基酸殘基Leu194、Ala230和His233分別進行定點飽和突變和復(fù)合突變，得到突變體L194N/A230D/H233E以麥芽糊精為糖基供體催化合成 2-O-D-吡喃葡糖基-L-抗壞血酸(AA-2G)的效率比野生型CGT酶提高了62.5%。杭州師范大學(xué)陳振明實驗室通過對來源于黑曲霉的單胺氧化酶MAO的一個突變酶進行CASTing的半理性定向進化，獲得了一個對消旋美西律有一定活性的突變體A-1 (F210V/L213C)。以此突變體為出發(fā)點，進行隨機突變和篩選，獲得一個新的突變體(T162A)，其酶活提高了89%，表征對映體選擇性的 E值也有較大幅度的提高。分子對接和分子動力學(xué)研究表明T162A突變在保持活性中心殘基構(gòu)象的基礎(chǔ)上，使得底物通道氨基酸的二級結(jié)構(gòu)由A-1的loop-helix結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆母呷嵝詌oop結(jié)構(gòu)，從而為底物的高效結(jié)合與催化創(chuàng)造了條件。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所宋詼實驗室從我國云南騰沖地區(qū)輪馬熱泉的淤泥中篩選分離獲得了一株產(chǎn)生耐熱普魯蘭酶的厭氧芽胞桿菌 Anoxybacillus，并從中克隆獲得了耐熱普魯蘭酶的編碼基因，該酶是目前文獻報道中比活力最高的耐熱普魯蘭酶。晶體結(jié)構(gòu)分析顯示該酶具有 a-淀粉酶家族中典型的結(jié)構(gòu)，在N端具有一個特殊的底物結(jié)合域，該結(jié)構(gòu)域的缺失導(dǎo)致比活力和底物結(jié)合力都有相應(yīng)降低。該普魯蘭酶編碼基因在枯草芽胞桿菌中高效表達，胞外酶活可達42 U/mL，與野生菌種相比，表達活力提高40倍以上，表明該普魯蘭酶具有很好的應(yīng)用前景。浙江工業(yè)大學(xué)鄭裕國實驗室經(jīng)過前期大量篩選，獲得了能夠高效立體選擇性水解 2-羧乙基-3-氰基-5-甲基-己酸乙酯(CNDE)的摩氏摩根菌 Morgarella morganii ZJB-09203，他們在此?？袌蟮懒藢. morganii ZJB-09203產(chǎn)生的酯水解酶進行分離純化和酶學(xué)性質(zhì)研究，為該酶催化合成普瑞巴林手性中間體的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
在生物催化劑的發(fā)現(xiàn)和改造過程中，成功的關(guān)鍵常常在于合適的高效篩選方法?；谝旱挝⒘骺匦酒臋z測和篩選系統(tǒng)，是近幾年發(fā)展起來的具有通量高、成本低等顯著特點的高通量篩選系統(tǒng)。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所王欽宏實驗室自行安裝建立了液滴微流控芯片系統(tǒng)，對重要氨基酸 (谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)分別進行了微液滴包埋實驗，研究了包埋微液滴的重要特性參數(shù) (如穩(wěn)定性、擴散性等)，探索了包埋微液滴對氨基酸檢測分選的應(yīng)用。該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、均一地生成微液滴，微液滴大小可根據(jù)需要控制在20?50 μm之間，微液滴間無交叉污染，包埋氨基酸的微液滴的檢測篩選速度大約為每分鐘600個，為高通量分析和篩選產(chǎn)氨基酸的微生物奠定了基礎(chǔ)。江南大學(xué)許正宏和史勁松研究組結(jié)合酮康唑抗性篩選法，采用亞硝基胍和低能氮離子注入復(fù)合誘變方法篩選得到一株催化去氫表雄酮 (DHEA)雙羥化生成 3β,7α,15α-三羥基雄甾-5-烯-17-酮的菌株亞麻刺盤孢Colletotrichum lini突變株，在底物DHEA投料濃度為10 g/L時產(chǎn)物摩爾得率達到34.2%，較出發(fā)菌株提高了46.2%。
猜你喜歡
生物多樣性天天愛科學(xué)(2022年9期)2022-09-15 01:12:54 生物多樣性天天愛科學(xué)(2022年4期)2022-05-23 12:41:48 上上生物當(dāng)代水產(chǎn)(2022年3期)2022-04-26 14:26:56 發(fā)現(xiàn)不明生物科學(xué)大眾(2021年9期)2021-07-16 07:02:54 史上“最黑暗”的生物軍事文摘(2020年20期)2020-11-28 11:42:50 第12話 完美生物航空世界(2020年10期)2020-01-19 14:36:20 最初的生物小學(xué)科學(xué)(學(xué)生版)(2018年3期)2018-04-18 12:34:19 自然生物被直銷知識經(jīng)濟·中國直銷(2017年10期)2017-11-07 02:39:52 清晨生物初歷直銷知識經(jīng)濟·中國直銷(2017年3期)2017-04-16 03:08:01 生物的多樣性文學(xué)少年(有聲彩繪)(2017年2期)2017-03-06 08:10:54
朱敦明，田朝光
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，天津 300308
工業(yè)生物技術(shù)是以微生物或酶為催化劑進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，大規(guī)模生產(chǎn)人類所需要的化學(xué)品、醫(yī)藥、能源、材料等的新興學(xué)科，是解決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機的有效手段。發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)、推動生物制造產(chǎn)業(yè)，是我國實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略途徑。為了增強工業(yè)生物技術(shù)集成創(chuàng)新能力與成果轉(zhuǎn)化能力，推進我國工業(yè)生物技術(shù)和生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，繼自2007年起在天津、湖州、青島、成都等地已成功舉辦 6屆以后，由中國科學(xué)院生命科學(xué)與生物技術(shù)局、科技部中國生物技術(shù)發(fā)展中心、國家發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)司、中國生物工程學(xué)會聯(lián)合天津市科學(xué)技術(shù)委員會主辦，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所承辦，以“促進學(xué)科交叉，推動產(chǎn)業(yè)成長”為主題的第七屆中國工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展高峰論壇于2013年5月10日至12日在天津召開。
本次論壇邀請了 9位國際專家、國內(nèi)管理部門、戰(zhàn)略科學(xué)家及行業(yè)龍頭企業(yè)的專家作大會主題報告。聚焦工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，在工業(yè)合成生物學(xué)、工業(yè)生物與計算科學(xué)、生物煉制與生物能源、生物基材料、生物催化工程、工業(yè)蛋白質(zhì)科學(xué)、微生物資源與環(huán)境生物技術(shù)等方向，組織13個分會，近90個分會報告和 110多個墻報展講。這次論壇的參會人員達到 400多人，為我國工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域的專家、學(xué)者、金融界和企業(yè)界人士提供一個高水平的交流平臺?！渡锕こ虒W(xué)報》曾多次與該論壇合作出版專刊，集中反映有關(guān)生物能源、發(fā)酵生物產(chǎn)品、生物基化學(xué)品、生物煉制等方面的最新研究成果，得到了讀者和同行專家的一致好評。為了傳播本次論壇的成果，促進工業(yè)生物技術(shù)研究領(lǐng)域的交流和發(fā)展，《生物工程學(xué)報》與此次論壇組委會共同推出一期主題為“工業(yè)生物技術(shù)”的?？?。
隨著基因組測序技術(shù)、組學(xué)技術(shù)及分析技術(shù)等的快速發(fā)展，生物學(xué)已經(jīng)進入了“大數(shù)據(jù)”時代，計算科學(xué)的介入，進行高效率、高精度的生物信息學(xué)分析以及生物生理過程的計算模擬逐漸成為生命科學(xué)和生物技術(shù)的一個核心部分。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所寧康等介紹了一個全新的在線元基因組分析系統(tǒng)—Meta-Mesh，它包括元基因組數(shù)據(jù)庫和分析平臺，可以對元基因組樣本進行系統(tǒng)、有效的分析，實現(xiàn)樣本的群落結(jié)構(gòu)比較和精確搜索，準(zhǔn)確有效地識別類似的群落結(jié)構(gòu)的樣本，開啟了研究微生物群落功能多樣性的新思路。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬紅武實驗室基于以往發(fā)表的相關(guān)途徑動力學(xué)模型和測量的酶動力學(xué)數(shù)據(jù)，開發(fā)了大腸桿菌蘇氨酸合成途徑的動力學(xué)模型。模型穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果表明前體物質(zhì)、能量和還原力是蘇氨酸合成的主要限制因素，通過過表達這些反應(yīng)的酶可以有效增加蘇氨酸合成反應(yīng)的通量，為高效細胞工廠的理性設(shè)計提供指導(dǎo)。
構(gòu)建高效的微生物細胞工廠是工業(yè)生物技術(shù)的核心之一，生物質(zhì)在細胞工廠內(nèi)可以被轉(zhuǎn)化為生物能源、大宗化學(xué)品和高價值精細化學(xué)品，從而取代基于石油的化工制造。7-脫氫膽甾醇 (7-DHC)是膽甾相液晶材料的重要前體物，利用合成生物技術(shù)生產(chǎn) 7-脫氫膽甾醇的挑戰(zhàn)性在于獲得合成功能模塊與底盤細胞的適配關(guān)系。天津大學(xué)元英進實驗室從更換不同調(diào)控強度的啟動子和不同改造的酵母底盤兩方面，對二者的適配性進行研究，發(fā)現(xiàn)TDH3p調(diào)控的功能模塊與底盤細胞SyBE_000956具備較好的適配性，使 7-脫氫膽甾醇的產(chǎn)量得到提高，為后續(xù)的適配性研究提供了理性設(shè)計的依據(jù)。雖然甲烷作為天然氣和沼氣的主要成分不但是高價值燃料資源，也是一碳化工的重要原料，但是目前基于甲烷的生物催化轉(zhuǎn)化合成高附加值產(chǎn)品的成功研究還沒有報道過。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)楊松等利用RNA-seq、LC-MS技術(shù)并結(jié)合13C標(biāo)記策略，深入探討了甲烷氧化菌Methylomicrobium alcaliphilum 20Z細胞的轉(zhuǎn)錄物和代謝物兩個層次特征，闡明EMP途徑才是M. alcaliphilum 20Z進行甲烷同化的關(guān)鍵通路，這不但改變對Gammaproteobacteria甲烷氧化菌甲烷同化模式的傳統(tǒng)認(rèn)知，而且為甲烷高效生物催化轉(zhuǎn)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。
隨著微生物細胞廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物、生物活性物質(zhì)和工業(yè)酶等產(chǎn)品，如何通過工程菌的遺傳改造、實施針對性的發(fā)酵控制策略來提高發(fā)酵生產(chǎn)效率，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵研究的熱點與難點。絲狀真菌被廣泛應(yīng)用于包括纖維素酶在內(nèi)的工業(yè)酶的生產(chǎn)，在液體深層發(fā)酵中，絲狀真菌菌絲形態(tài)直接影響發(fā)酵液的流變特性，進而與目標(biāo)酶蛋白產(chǎn)量存在著重要的關(guān)聯(lián)。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所田朝光實驗室為了挖掘深層發(fā)酵中對絲狀真菌發(fā)酵產(chǎn)酶性能具有重要影響的形態(tài)發(fā)育相關(guān)基因，以粗糙脈孢菌Neurospora crassa單基因突變體庫中的95株形態(tài)突變株為研究對象，在結(jié)晶纖維素為碳源的條件下進行篩選，對這些突變株的內(nèi)切-1,4-β-葡聚糖酶酶活、β-葡萄糖苷酶酶活、發(fā)酵液粘度和菌絲干重進行測定，并觀察發(fā)酵液中突變株的菌絲形態(tài)。結(jié)果表明，與野生型菌株相比，突變株SZY11、SZY63、SZY69和SZY87發(fā)酵液中蛋白濃度顯著性提高。突變株SZY11和SZY43發(fā)酵液菌絲體主要形態(tài)為菌球狀，其發(fā)酵液粘度分別降低 75%和 50%，突變株SZY87在發(fā)酵液中呈長絲狀，發(fā)酵液粘度顯著升高至少 2倍。這些與產(chǎn)酶水平相關(guān)的形態(tài)、粘度基因的獲得將有助于絲狀真菌纖維素酶等工業(yè)酶高產(chǎn)工程菌株的理性構(gòu)建。青蒿素作為最有效的抗瘧疾藥物，構(gòu)建高效微生物細胞工廠合成其前體紫槐二烯及青蒿酸受到了廣泛的關(guān)注。華東理工大學(xué)張嗣良等和中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所王勇等從引入異源MEP途徑基因構(gòu)建紫槐二烯異源合成工程菌株和菌株高密度發(fā)酵過程的糖流加控制策略兩個方面入手，嘗試最大限度地釋放Escherichia coli 內(nèi)源MEP途徑合成青蒿素前體—紫槐二烯的潛力，使紫槐二烯的產(chǎn)量達到6.1 g/L，為開發(fā)基于MEP途徑的萜類異源合成工程菌株及其發(fā)酵工藝奠定了基礎(chǔ)。氧化葡萄糖桿菌Gluconobacter oxydans可以將葡萄糖氧化成葡萄糖酸，并進一步氧化成2-酮基-葡萄糖酸 (2KGA)和5-酮基-葡萄糖酸 (5KGA)，其中5KGA在催化劑的作用下能夠轉(zhuǎn)化為L(+)-酒石酸。天津科技大學(xué)賈士儒課題組以僅生成5KGA 的氧化葡萄糖桿菌 Gluconobacter oxydans HGI-1為出發(fā)菌株，研究不同碳源 (蔗糖、乳糖、麥芽糖、淀粉、葡萄糖)和有機氮源(酵母浸粉、魚粉、玉米漿、黃豆餅粉、棉籽餅粉)對 5KGA產(chǎn)量的影響。選擇玉米漿作有機氮源，在 5 L發(fā)酵罐中進行分批發(fā)酵放大試驗時，5KGA的產(chǎn)量為93.80 g/L，轉(zhuǎn)化率與文獻水平相當(dāng)，但以玉米漿作氮源降低了生產(chǎn)成本，更有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)不僅能夠以可再生碳資源替代化石資源，而且也是以清潔生物加工方式替代傳統(tǒng)化學(xué)加工方式的有效途徑。近年來生物技術(shù)的高度發(fā)展，生物酶制劑的生產(chǎn)水平不斷提高，促進了工業(yè)酶在化工、紡織、造紙、食品、制藥、環(huán)境等領(lǐng)域中的應(yīng)用，從而以生物技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)過程，降低資源、能源消耗與污染物排放，實現(xiàn)節(jié)能減排與產(chǎn)業(yè)提升。華南理工大學(xué)林影重點介紹在生物制漿、生物漂白、廢紙生物脫墨、酶法紙漿改善性能及樹脂生物控制等工藝中酶的選用、復(fù)配和應(yīng)用技術(shù)及原理，以及酶制劑的應(yīng)用效率及其對制漿造紙中節(jié)能減排和綠色環(huán)保的意義。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫媛霞實驗室報道了利用 D-阿洛酮糖 3-差向異構(gòu)酶 (D-psicose 3-epimerase, DPE)和 L-鼠李糖異構(gòu)酶(L-rhamnose isomerase, L-RhI)雙酶偶聯(lián)反應(yīng)，催化 D-果糖生成 D-阿洛酮糖和 D-阿洛糖等功能性稀少糖的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。
野生型生物催化劑對于其天然底物通常具有較好的反應(yīng)活性和選擇性，但在實際應(yīng)用時多數(shù)情況下是非天然底物，這就要求對野生型生物催化劑進行改造，以提高其對非天然底物的反應(yīng)活性、穩(wěn)定性和選擇性。江南大學(xué)陳堅等對來源于軟化類芽胞桿菌 Paenibacillus maceras的環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶(Cyclodextrin glycosyltransferase, CGT酶)的+1亞位點附近的3個氨基酸殘基Leu194、Ala230和His233分別進行定點飽和突變和復(fù)合突變，得到突變體L194N/A230D/H233E以麥芽糊精為糖基供體催化合成 2-O-D-吡喃葡糖基-L-抗壞血酸(AA-2G)的效率比野生型CGT酶提高了62.5%。杭州師范大學(xué)陳振明實驗室通過對來源于黑曲霉的單胺氧化酶MAO的一個突變酶進行CASTing的半理性定向進化，獲得了一個對消旋美西律有一定活性的突變體A-1 (F210V/L213C)。以此突變體為出發(fā)點，進行隨機突變和篩選，獲得一個新的突變體(T162A)，其酶活提高了89%，表征對映體選擇性的 E值也有較大幅度的提高。分子對接和分子動力學(xué)研究表明T162A突變在保持活性中心殘基構(gòu)象的基礎(chǔ)上，使得底物通道氨基酸的二級結(jié)構(gòu)由A-1的loop-helix結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆母呷嵝詌oop結(jié)構(gòu)，從而為底物的高效結(jié)合與催化創(chuàng)造了條件。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所宋詼實驗室從我國云南騰沖地區(qū)輪馬熱泉的淤泥中篩選分離獲得了一株產(chǎn)生耐熱普魯蘭酶的厭氧芽胞桿菌 Anoxybacillus，并從中克隆獲得了耐熱普魯蘭酶的編碼基因，該酶是目前文獻報道中比活力最高的耐熱普魯蘭酶。晶體結(jié)構(gòu)分析顯示該酶具有 a-淀粉酶家族中典型的結(jié)構(gòu)，在N端具有一個特殊的底物結(jié)合域，該結(jié)構(gòu)域的缺失導(dǎo)致比活力和底物結(jié)合力都有相應(yīng)降低。該普魯蘭酶編碼基因在枯草芽胞桿菌中高效表達，胞外酶活可達42 U/mL，與野生菌種相比，表達活力提高40倍以上，表明該普魯蘭酶具有很好的應(yīng)用前景。浙江工業(yè)大學(xué)鄭裕國實驗室經(jīng)過前期大量篩選，獲得了能夠高效立體選擇性水解 2-羧乙基-3-氰基-5-甲基-己酸乙酯(CNDE)的摩氏摩根菌 Morgarella morganii ZJB-09203，他們在此?？袌蟮懒藢. morganii ZJB-09203產(chǎn)生的酯水解酶進行分離純化和酶學(xué)性質(zhì)研究，為該酶催化合成普瑞巴林手性中間體的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
在生物催化劑的發(fā)現(xiàn)和改造過程中，成功的關(guān)鍵常常在于合適的高效篩選方法?；谝旱挝⒘骺匦酒臋z測和篩選系統(tǒng)，是近幾年發(fā)展起來的具有通量高、成本低等顯著特點的高通量篩選系統(tǒng)。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所王欽宏實驗室自行安裝建立了液滴微流控芯片系統(tǒng)，對重要氨基酸 (谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)分別進行了微液滴包埋實驗，研究了包埋微液滴的重要特性參數(shù) (如穩(wěn)定性、擴散性等)，探索了包埋微液滴對氨基酸檢測分選的應(yīng)用。該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、均一地生成微液滴，微液滴大小可根據(jù)需要控制在20?50 μm之間，微液滴間無交叉污染，包埋氨基酸的微液滴的檢測篩選速度大約為每分鐘600個，為高通量分析和篩選產(chǎn)氨基酸的微生物奠定了基礎(chǔ)。江南大學(xué)許正宏和史勁松研究組結(jié)合酮康唑抗性篩選法，采用亞硝基胍和低能氮離子注入復(fù)合誘變方法篩選得到一株催化去氫表雄酮 (DHEA)雙羥化生成 3β,7α,15α-三羥基雄甾-5-烯-17-酮的菌株亞麻刺盤孢Colletotrichum lini突變株，在底物DHEA投料濃度為10 g/L時產(chǎn)物摩爾得率達到34.2%，較出發(fā)菌株提高了46.2%。
猜你喜歡
天天愛科學(xué)(2022年9期)2022-09-15 01:12:54
天天愛科學(xué)(2022年4期)2022-05-23 12:41:48
當(dāng)代水產(chǎn)(2022年3期)2022-04-26 14:26:56
科學(xué)大眾(2021年9期)2021-07-16 07:02:54
軍事文摘(2020年20期)2020-11-28 11:42:50
航空世界(2020年10期)2020-01-19 14:36:20
小學(xué)科學(xué)(學(xué)生版)(2018年3期)2018-04-18 12:34:19
知識經(jīng)濟·中國直銷(2017年10期)2017-11-07 02:39:52
知識經(jīng)濟·中國直銷(2017年3期)2017-04-16 03:08:01
文學(xué)少年(有聲彩繪)(2017年2期)2017-03-06 08:10:54
