生物技术通报

代谢物生物传感器：微生物细胞工厂构建中的合成生物学工具

周益康，吴亦楠，王天民，郑翔，邢新会，张翀

2017, 33(1): 1-11. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.001

摘要 ( 295 )

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代谢物生物传感器作为重要的合成生物学工具，能够感应细胞内代谢物浓度的变化，转化为特定信号输出，在微生物细胞工厂的构建中显现出巨大的应用潜力。其主要组成部分通常包括生物识别元件和信号输出元件，前者来源于自然界中丰富的调控元件，如转录因子、核糖开关等，有着不同的响应机理，后者可以为荧光信号、生长优势、特定代谢通路的开闭等，取决于应用所需。着重介绍了近年来代谢物生物传感器在微生物细胞工厂构建中的应用实例，主要包括目标化合物菌株的高通量筛选、选择、胞内代谢动态调控和非遗传异质性选择，同时也着重讨论了代谢物生物传感器的性能对于应用的影响和在实际应用中可能面临的机遇与挑战。

合成生物学的关键技术及应用

杨菊，邓禹

2017, 33(1): 12-23. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.002

摘要 ( 424 )

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合成生物学是以工程化设计思路，构建标准化的元器件和模块，改造已存在的天然系统或者从头合成全新的人工生命体系。人们利用基因重组技术和基因定位编辑来实现对生命系统的特殊编程并执行特殊的功能;模块化处理代谢途径，优化元器件间的组合搭配，以最优的模式来实现化学品的合成。目前合成生物学已在能源、化工、医药等行业取得了重大进展，合成生物学将给人们的生活带来重大改变也将继续是科学家们研究和关注的热点。就目前合成生物学涉及的基因组编辑和模块化表达等关键技术及应用进行综述。

生物合成芳香族氨基酸及其衍生物的研究进展

申晓林，袁其朋

2017, 33(1): 24-34. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.003

摘要 ( 274 )

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现代生物化工主要以廉价可再生资源为底物生产高附加值的精细化学品、大宗化学品、药品及营养品。合成生物学研究是生物化工领域的重要发展方向和支撑体系之一，是在功能基因组学、计算生物学和系统生物学等基础上，将工程化理念应用在生物学中，定向创造新型生物产品和生物过程整体优化的新的研究方向。合成生物学发展十几年以来，创造出了很多强有力的工具被应用于微生物、植物及动物的研究。以微生物生产芳香族氨基酸及其衍生物为主要内容，系统的综述合成生物学在以微生物生产高附加值产物方面的研究进展。

合成生物学在天然产物研究中的应用

王丽苹，罗云孜

2017, 33(1): 35-47. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.004

摘要 ( 346 )

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天然产物作为临床用药的重要组成部分和新药发现的重要来源，已经成为医药领域不可或缺的成员之一。但是传统的天然产物筛选方法在一定程度上制约了新型天然产物的开发，鉴别与改造天然产物的生物合成路径为全新天然产物的发现提供了思路。近年来，生物信息学和合成生物学技术的蓬勃发展为天然产物的探索与改造带来了新的曙光。归纳总结了合成生物学技术相关的基因重组策略和基因簇调控方法，并讨论了其在天然产物研究中的应用及存在的问题。

天然产物合成生物学体系的优化策略

匡雪君，邹丽秋，孙超，陈士林

2017, 33(1): 48-57. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.005

摘要 ( 230 )

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天然产物是新药研发的重要源泉。天然产物合成生物学通过设计、重构目标化合物的高效生物合成途径，借助宿主改造，利用发酵生产目标化合物，可以有效弥补有机合成化学在复杂天然产物类药物生产方面的不足。虽然合成生物学已经取得了一些进展，但是通过合成生物学技术使目标产物的产量达到工业化生产水平依然是一项非常具有挑战性的任务。综述了天然产物合成生物学体系的优化策略，通过综合运用单个元件、外源代谢途径、底盘系统和发酵条件的优化技术，可以实现生物合成系统的最优化，最大化目标产物的产量，为来源稀缺的复杂天然产物的开发提供持续、稳定、经济的原料供给，推动天然产物类新药的研发。

合成生物学开关在代谢工程中的应用

庞庆霄，梁泉峰，祁庆生

2017, 33(1): 58-64. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.006

摘要 ( 217 )

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在代谢工程研究领域中合成生物学开关主要用于调控基因的表达。传统的代谢工程改造主要通过敲除和过表达来改变特定基因的表达量。但基因敲除通常会导致菌体生长的下降。因此，我们需要适时的关闭和激活特定基因的表达。合成生物学开关就是解决这一问题的关键工具。目前，在代谢工程中常用的合成生物学开关有光控开关、温度诱导开关、拨动开关和核糖开关。其中，拨动开关和核糖开关在动态调节基因表达上拥有更大优势。介绍了代谢工程中常用的几种合成生物学开关，以及它们在代谢工程的应用。

萜类化合物的合成生物学研究进展

孙丽超，李淑英，王凤忠，辛凤姣

2017, 33(1): 64-75. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.007

摘要 ( 843 )

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萜类化合物是种类最多的一类天然产物，具有抗癌、抗过敏等多种生物活性，在食品、日化、医疗等领域受到广泛关注，展现了巨大的应用潜力和广阔的市场前景。近年来，研究人员采用功能基因组学和代谢组学技术对不同萜类的合成途径进行了深入研究，为萜类的合成生物学研究提供了大量的数据支撑。目前，已经通过合成生物学方法构建出萜类高产的酵母工程菌株，实现了多种目标产物的高效生产，有效提高了萜类的总体生产水平。因此，采用合成生物学策略合成萜类化合物，有望成为植物源萜类生产的有效技术手段。首先介绍了合成生物学概念，进而总结了植物源萜类的重要功能和应用领域，并简述了不同萜类的合成途径，归纳了现有的萜类生产方式，然后深入探讨了萜类生物合成的设计策略，最后以几种常见的萜类为例，详细论述了不同萜类的合成生物学的研究进展。

微生物系统定向进化与合成生物学应用研究进展

郭园，赵仲麟

2017, 33(1): 76-82. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.008

摘要 ( 255 )

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当前，生物技术应用常常需要对多基因性状进行复杂的工程化改造，然而复杂表型的遗传基础背景的缺乏限制了人们进行理性设计的能力。人们利用合成生物学工具可以对复杂表型在系统水平进行工程化改造，通过定向进化策略推动整个生物系统的进化，在不知道目标性状的遗传基础的情况下仍可以获得人们所期望的表型。合成生物学的发展加速了生物的定向进化过程，利用其可以对生物系统中复杂性状进行工程化改造。对当前合成生物学在微生物系统中复杂性状定向进化的研究进展进行综述。

基于液滴微流控技术的超高通量筛选体系及其在合成生物学中的应用

马富强，杨广宇

2017, 33(1): 83-92. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.009

摘要 ( 313 )

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构建高效的合成生物学体系经常需要进行大量的筛选工作来优化人工体系的运行效率。液滴微流控（droplet microfluidics）技术将常规筛选体系微型化，在只有皮升（pL）级体积、大小均一的反应器中对酶反应或目标代谢产物进行单细胞水平的检测和筛选，筛选速度可高达108克隆/d，从而极大地提升了人们对催化元件乃至工程菌株优化的能力。综述了液滴微流控技术在合成生物学应用中的技术背景，重点阐述了目标酶反应及产物检测的荧光信号偶联策略，进一步介绍了液滴微流控技术在酶催化元件以及代谢通路的筛选改造方面的研究进展，并展望了该领域的发展趋势。

生物质转化工程酿酒酵母的研究进展

刘贺，朱家庆，纵秋瑾，李炳志，元英进

2017, 33(1): 93-98. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.018

摘要 ( 210 )

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石油、煤炭等非再生资源的供给日益紧张，人类迫切需要对可再生资源的利用进一步开发。以生物质为原料生产纤维素乙醇具有原料可再生，成本低廉的显著优点。酿酒酵母菌株因其易于进行基因操作，并具有较高的抑制剂耐受性，被广泛用于发酵生产纤维素乙醇。酿酒酵母作为生物质转化工程菌，在如何提升菌株对抑制剂的耐受性和木糖转化效率等方面仍具有很大的挑战。综述了在生物质转化利用上酿酒酵母工程化的研究进展。

微生物合成腺苷蛋氨酸的研究进展

赵伟军，黄磊，徐志南

2017, 33(1): 99-105. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.010

摘要 ( 301 )

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腺苷蛋氨酸（SAM）是一种存在于所有细胞中的重要代谢产物，对肝病、抑郁症等疾病具有良好疗效，并且无任何副作用，市场需求巨大。目前，国内外学者对SAM的生物合成进行了广泛的研究，一方面在传统发酵法工业化生产SAM的基础上进一步改进发酵策略;另一方面通过代谢工程优化宿主菌代谢网络或者利用基因电路等巧妙筛选方法来进行理性化育种。综述了微生物高效生产SAM的研究进展，讨论了微生物高效生产SAM的意义及存在的问题，旨为提高SAM工业化生产效率提供指导性意义。

产丁醇梭菌基因改造的研究进展

张超，王义强，王启业，黄瑞春，米小琴

2017, 33(1): 106-113. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.011

摘要 ( 216 )

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产丁醇梭菌作为丁醇发酵的主要生产菌，近年来成为研究的热点，而丁醇作为新型可再生能源，其优势远大于乙醇，因此，对产丁醇梭菌的基因改造研究具有重大意义。从关键基因、糖酵解途径和丁醇耐受性的角度出发，介绍了近几年来对产丁醇梭菌基因改造的研究进展。讨论了目前研究存在的问题，并对如何提高丁醇产量提出一些见解，旨为广大研究者提供新的思路。

核糖开关及其在抗菌药物方面的研究进展

盛树悦，陈悦，张兴梅，石玉生

2017, 33(1): 114-119. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.012

摘要 ( 273 )

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核糖开关是一类与核酸、氨基酸、金属离子、糖类衍生物以及辅酶等特异性配体结合的RNA元件，它与配体结合后通过调控相应下游的基因表达起到控制细胞生命及活动的作用。目前核糖开关是基因调控方面的研究热点，应用于大量筛选工程菌株、构建新型生物传感器以及作为抗菌药作用的新靶点。综述了几种主要的核糖开关（如：嘌呤核糖开关、赖氨酸核糖开关、环二鸟苷酸核糖开关、glmS核糖开关、TPP核糖开关、FMN核糖开关等）在抗菌药物靶点方面的研究进展。

酿酒酵母人工杂合启动子与天然启动子活性比较

唐瑞琪，熊亮，白凤武，赵心清

2017, 33(1): 120-128. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.013

摘要 ( 256 )

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系统地比较了人工启动子PaTEF1与天然启动子PTEF1和PTDH3在不同条件下的活性差别，结果表明，人工启动子PaTEF1的活性并不是在任何条件下都高于天然启动子的活性，而与宿主、培养基以及细胞生长阶段有关。在3个宿主背景中，BY4741中PaTEF1的活性最高，而LX03中最低。在YPD100中，人工启动子PaTEF1活性分别为天然启动子PTEF1和PTDH3活性的1.4-4.6倍和0.9-2.0倍;而在YPE（5%和7%）中，PaTEF1活性与PTEF1和PTDH3活性之比在0.7-1.3以及0.8-1.3之间。在YPE中培养时，PaTEF1的活性为在YPD100中培养时的1.7-2.0倍，PTEF1和PTDH3的活性在YPE中为YPD100中培养时的2.7-7.1倍和1.3-3.4倍，启动子在YPE中的活性较YPD100中更高，但人工启动子的活性变化较天然启动子更小。此外，在不同遗传背景的菌株中，启动子活性从对数期早期到对数期中期和从对数期中期到稳定期的变化趋势不同。

缬草-4,7（11）-二烯在大肠杆菌中的生物合成

刘畅，殷华，庄以彬，刘涛

2017, 33(1): 129-134. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.014

摘要 ( 193 )

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缬草-4，7（11）-二烯是一种双环倍半萜烯类化合物，具有镇静、减缓压力、抗焦虑的作用，可用来治疗注意力缺陷多动症（ADHD）等精神疾病。旨在实现缬草-4，7（11）-二烯在大肠杆菌中的从头合成，通过在大肠杆菌BL21（DE3）过表达酵母源，甲羟戊酸途径中催化乙酰辅酶A合成焦磷酸法尼基（FPP）的8个相关基因及来源于缬草属植物（Valeriana officinalis）的缬草-4，7（11）-二烯合酶（VoTPS）基因;并采用水相和有机相双相发酵的方法，通过GC-MS在有机相中检测到了缬草-4，7（11）-二烯，实现了大肠杆菌中从头合成缬草-4，7（11）-二烯。并对IPTG浓度、蛋白诱导温度和选择不同的有机相等方面进行初步优化后，确定发酵条件为：蛋白诱导温度20℃、IPTG的浓度为0.1 mmol/L，有机相为正十二烷。

3,4-二羟基扁桃酸在大肠杆菌中的生物合成

李晓林，周威，庄以彬，路福平，殷华

2017, 33(1): 135-140. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.015

摘要 ( 298 )

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3，4-二羟基扁桃酸是许多药物和香料合成的重要中间体，具有较强的抗氧化和清除自由基的活性。旨在实现3，4-二羟基扁桃酸在大肠杆菌中的从头合成。通过在大肠杆菌MG1655/ΔA中过表达来源于天蓝色链霉菌（Streptomyces coelicolor）的对羟基扁桃酸合酶（HmaS）和大肠杆菌的羟化酶（HpaBC）基因，实现了以葡萄糖为原料生物合成3，4-二羟基扁桃酸;并经IPTG和蛋白诱导温度初步优化后，摇瓶发酵36 h 3，4-二羟基扁桃酸的产量达到240 mg/L。

sco1135基因对天蓝色链霉菌M145孢子形成及次级代谢产物合成的调控研究

马军霞，张佩佩，王世立，曹广祥

2017, 33(1): 141-147. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.016

摘要 ( 200 )

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旨在研究sco1135基因缺失突变对天蓝色链霉菌M145菌株形态及次级代谢的影响。通过PCR-targeting方法获得重组质粒pSJ1135，通过接合转移将其导入天蓝色链霉菌M145，获得sco1135基因缺失突变菌株△sco1135，并以pMS82为载体构建回补菌株△sco1135com，同时以pMS82为空载对照;随后对野生型菌株、突变菌株和回补菌株进行表型分析和抗生素定量观察。结果显示，表型分析及抗生素定量测定发现，在YBP培养基上△sco1135产孢明显延迟于野生型M145，放线紫红素（ACT）产量明显增加，突变株培养基中ACT产量是野生菌株培养基中的2-3倍;转录分析结果表明，48 h时突变株部分与产孢相关基因的转录水平较野生型降低了50%-75%，72 h时突变株部分与产ACT相关基因的转录水平较野生型提高13-20倍。sco1135基因参与调控M145的孢子形成及次级代谢产物ACT的产生。

谷氨酸棒状杆菌合成5-氨基乙酰丙酸的途径构建与发酵优化

饶德明，张良程，陈久洲，孙德虎，孙村民，郑小梅，郑平，刁爱坡

2017, 33(1): 148-156. doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.01.017

摘要 ( 276 )

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5-氨基乙酰丙酸（5-amino levulinic acid，ALA）是生物体内天然存在的一种非蛋白质氨基酸，在农业和医药等领域应用广泛。为了在谷氨酸棒状杆菌中建立ALA碳四合成途径并优化其发酵体系，首先在谷氨酸棒状杆菌中过表达沼泽红假单胞菌来源的ALA合成酶（ALAS），建立高效的ALA碳四合成途径，然后从不同发酵培养基的比较、诱导剂和底物甘氨酸的浓度以及初始接种量等不同方面对ALA摇瓶发酵工艺进行了优化。结果显示，过表达HemA的13032/pZWA1菌株 ALA产量达到1.41 g/L，是对照菌株的67.14倍。ALA的最优摇瓶发酵条件为以酵母粉为氮源的M9培养基，采用5%的接种量0.1 mmol/L IPTG进行HemA的诱导表达，体系中甘氨酸的浓度要控制在4 g/L，摇瓶中ALA产量可达到3.28 g/L，比优化前提高了132.62%。采用发酵优化的条件，在5 L发酵罐的放大发酵中ALA产量可达10.08 g/L，这是现有报道中谷氨酸棒状杆菌一步发酵合成ALA的最高产量。

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