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合成生物学
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合成生物学/Journal Synthetic Biology JournalCSCDCSTPCD北大核心
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    生物高纯精草:高光学纯L-草铵膦生物制造的创新与发展

    程峰邹树平徐建妙汤恒...
    1404-1418页
    查看更多>>摘要：草铵膦是全球三大除草剂之一,具有广谱、高活性、非选择性等特点,市场前景被广泛看好.然而,草铵膦具有两种对映异构体(D型和L型),其除草活性主要来自于其中的L型对映体(L-草铵膦).因此,高光学纯L-草铵膦高效合成至关重要.本文作者团队者研究团队在中国"生物农药之父"沈寅初院士的指导下,开展生物合成L-草铵膦的科学研究和产业化实践长达二十余年,涵盖合成路线重构、生物无机胺化技术建立、生物催化剂创制、产物分离纯化、反应装备、过程智能化控制等方面,开发了"生物高纯精草生产技术"(BioHPP®),建成了万吨级L-草铵膦数字智能化生产线,利用智能传感器和执行器,实现超千个控制点的实时数据采集、传输、分析和反馈调节,全自动化参数采集与控制生产效率提高50％,劳动强度降低70％以上,实现了万吨级L-草铵膦的生物智能制造.本文在研究团队长期积累的基础上,总结和分析了 D,L-草铵膦主流生产工艺路线,详述了创新生物制造技术、合成生物技术构筑L-草铵膦关键合成体系的原理和方法,从底物合成与选择、生物催化剂类型、氨基供体使用、分离纯化等方面比较了这些路线的各自特点及实现产业化的关键要点.可以预见,在合成生物技术的助力下,未来将有越来越多的高光学纯度手性农药通过生物制造实现大规模生产.

    D,L-草铵膦L-草铵膦生物催化酶手性氨基酸合成生物制造

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    基于极端微生物的生物制造

    邵明威孙思勉杨时茂陈国强...
    1419-1436页
    查看更多>>摘要：以微生物或酶为基础的生物制造,正以其绿色、环保、可持续等优势逐渐替代以化石燃料为原料的传统化工生产模式.然而,传统工业生物技术存在易染菌、设备复杂、难以连续发酵等劣势.相较而言,"下一代工业生物技术"(NGIB)利用以嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸碱菌等极端微生物作为底盘细胞,使用廉价底物生产多种高附加值产品,具有开放、无需灭菌、连续发酵等优点.本文介绍了嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸碱菌极端微生物的定义以及在高盐、高温、极度酸碱等极端环境下快速生长的特性.随后总结了目前极端微生物的基因工程手段例如启动子工程、以CRISPR为代表的基因编辑技术、命运共同体策略、稳定质粒载体等,代谢工程手段例如增加碳源前体、敲除旁路代谢、减少副产物、提高转运等,以及极端微生物生产的多种产品例如PHA、蛋白质、氨基酸及小分子衍生物等.同时概括了目前在极端微生物底盘细胞改造过程中仍存在的问题,如缺乏多种优秀的质粒载体、质粒转化效率低、缺乏高效基因编辑技术以及其他非嗜盐菌生长发酵周期较长等,并提出了相应的解决策略.最后展望了如何充分利用不同类型极端微生物的特性生产优势产品,推动下一代工业生物技术的发展与完善,实现绿色、环保、可持续的生物制造.

    极端微生物嗜盐菌下一代工业生物技术生物制造聚羟基丁酸基因工程代谢工程合成生物学无灭菌发酵非粮生物原料

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    体外生物转化(ivBT):生物制造的新前沿

    石婷宋展宋世怡张以恒...
    1437-1460页
    查看更多>>摘要：人类社会的重大挑战(如粮食安全、能源安全、气候变化与双碳目标等)驱动全社会寻求创新型技术解决方案.体外生物转化(invitro biotransformation,ivBT)是介于微生物发酵与酶催化之间的新质生物制造平台,多酶分子机器是其超限生物催化剂.它基于大道至简原则,利用多个天然酶、人工酶以及(仿生/天然)辅酶等重构生化途径,摆脱生物体生存局限(如细胞复制、基础代谢、复杂调控和能量供给等),超越细胞合成极限,实现重要生物转化与超限能量转换,尤其是生产低值大宗产品与新能源产品等.工业生物制造的三个平台技术分别是基于细胞工厂的发酵、基于酶分子的生物催化与基于多酶分子机器的ivBT.本综述对ivBT给出明确定义,阐明其多酶途径设计原则与产业化技术研发路径,比较该平台与现有生物制造平台相似性与不同点,介绍多个代表性案例,以及讨论其未来的机会与挑战.ivBT技术发展采用设计-构建-判决-优化的线性策略,开发能够满足国家需求的超高效多酶分子机器.利用ivBT有望形成超过30万亿元生物产品的工业生物制造,助力实现人类社会的多项重要需求,如粮食安全、新型能源体系等.人造淀粉不仅可以帮助中国端牢粮食饭碗,而且将是一个全新且安全的高密度储氢载体(比压缩氢气高2.5倍)与高能储电介质(比锂电池高10倍).

    体外合成生物学工业生物制造体外生物转化多酶分子机器粮食安全

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    体外多酶分子机器产氢应用中的氢酶研究

    李怡霏陈艾孙俊松张以恒...
    1461-1484页
    查看更多>>摘要：氢酶是生物制氢和氢能利用的最关键酶,它是一类广泛分布的对氧敏感的多亚基金属复合酶.体外多酶分子机器是体外生物转化技术中的高效酶生物催化系统,利用该分子机器生产氢气是一种新型高效的绿氢生产技术,它突破微生物产氢的Thauer极限,将葡萄糖产氢的转化率提高至接近化学理论值(1 mol葡萄糖裂解水生产12 mol氢气),代表着生物产氢的未来方向.氢酶的制备及催化性能是限制多酶分子机器产氢技术广泛应用的主要瓶颈;氧气不仅抑制氢酶的活性,也是氢酶转录翻译及翻译后加工的重要影响因素.体外多酶分子机器对氢酶的耐氧性能、热稳定性及高周转性能等参数提出高要求.本文结合氢酶在多酶分子机器制氢应用中的技术障碍,针对迫切的基础科学问题,分别从氢酶分类、结构功能、重组表达技术进展、(仿生)辅酶的适配等方面对其进行了相关的总结,并初步对氧的抑制机制、微生物重组表达氢酶以及产氢人工电子传递链的优化等难点问题的研究进行了跟踪,期待能够为氢酶在体外合成生物学的应用提供参考.

    氢酶生物产氢体外多酶分子机器仿生辅酶人工电子传递链

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    氢化酶固定化研究进展

    雷航彬何宁李斐煊董玲玲...
    1485-1497页
    查看更多>>摘要：氢化酶催化氢气向质子和电子的可逆转化,具有广阔的工业应用前景.但游离的氢化酶存在着对氧气敏感、传递电子速率慢等缺点.本文综述了碳材料、金属及半导体、高分子和金属-有机框架材料(MOF)固定化氢化酶.碳材料具有价格低廉、比表面积大等优势.金属及半导体有着良好的导电性能和优异的催化性能.高分子材料具有良好的生物相容性和机械性能,可以提高氢化酶的稳定性和对氧气的耐受性.MOF比表面积大,可设计调控,为理化性质不同的氢化酶提供了广泛的载体选择.复合材料固定化氢化酶可以结合不同材料的优势,拓宽固定化氢化酶的应用场景.固定化氢化酶可用于氢气的高效生产与应用以及生物不对称加氢制备手性化合物,为转变能源结构、实现绿色转型、解决环境问题提供了可选方案.

    氢化酶固定化生物电催化碳材料半导体材料高分子材料金属-有机框架(MOF)

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    过氧化物酶的重组表达和应用研究进展

    李庚申晓林孙新晓王佳...
    1498-1517页
    查看更多>>摘要：过氧化物酶作为一类自然界中广泛分布的酶,参与了生物体的先天免疫防疫、植物微生物抗氧化应激、真菌木质素降解、植物细胞壁代谢及伤口愈合等重要生命过程.随着测序、基因编辑、重组蛋白表达和高通量筛选技术的飞速发展,越来越多的过氧化物酶被发现、表征和重组表达.这些种类丰富、数量庞大及催化性能卓越的过氧化物酶,在众多领域的应用研究中受到广泛关注.近年来过氧化物酶在重组表达上取得了显著进展,进一步促进了其在应用研究领域的开发.本文从系统进化分类及功能角度对过氧化物酶进行了简要概述,对近年来过氧化物酶在大肠杆菌、酵母和丝状真菌中重组表达研究进展及其在环境修复、化合物检测的应用研究成果进行系统综述,重点介绍了过氧化物酶应用于生物合成高附加值化合物方面的最新研究进展,并对其目前在该领域应用研究中存在的底物和产物非专一性问题及辅因子H202细胞毒性问题进行讨论.过氧化物酶在医学检测、环境保护和生物合成等领域中的应用潜力巨大.然而,当前的技术和应用仍面临一些挑战,比如过氧化物酶在复杂环境中的稳定性和活性差、酶制剂生产成本高及专一性差问题.未来,通过结合蛋白质工程、合成生物学和固定化技术等多学科的最新进展,可以有效解决这些挑战,推动过氧化物酶在各个领域的广泛应用.

    过氧化物酶蛋白重组表达污染物降解化合物检测生物合成

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    仿生分区室固定化多酶体系

    董玲玲李斐煊雷航彬宋启迪...
    1518-1529页
    查看更多>>摘要：仿生分区室固定化多酶偶联是体外合成生物学的前沿技术,目的是实现多酶分区室固定化和反应的时空分离.与简单共固定化不同,仿生分区室固定化技术通过控制酶在载体上的空间分布,形成底物通道促进中间产物传递,并提高串联或偶联反应的系统稳定性、产率和产物纯度.本文综述了近年来仿生分区室固定化多酶体系的进展,包括金属有机框架(MOF)、聚合物囊泡和聚合物胶囊等固定化策略.MOF具有结构可控、功能易调控等优点,采用分级多孔、MOF-on-MOF和多种MOF组合等仿生策略构建分区室微反应器,可实现高效的体外多酶偶联催化反应.聚合物囊泡的膜结构可模拟天然磷脂双分子层,将多个小囊泡包封到大囊泡形成"囊泡中囊泡"模仿细胞器分区室固定化酶.聚合物胶囊是通过模板法形成的核壳纳米球体结构,结构稳定性优异,进一步通过层层自组装能够形成多层核壳结构实现分区室固定化.将来,微流控等技术与仿生分区室固定化多酶技术融合,将促进体外合成生物学和绿色生物制造等领域的发展.

    多酶偶联仿生分区室固定化酶金属有机框架聚合物囊泡聚合物胶囊

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