摘要:工业微生物及其产品广泛用于工业、农业、医药等诸多领域，相关产业在国民经济中具有举足轻重的地位。高效的菌株是提高生产效率的核心，而先进发酵技术和仪器平台对充分开发菌株代谢潜能也很重要。近年来，工业微生物领域的研究取得了快速进展，人工智能、高效基因组编辑技术和合成生物学技术逐渐广泛使用，相关产业应用也在不断扩展。为进一步促进工业微生物在生物制造等领域的应用，《生物工程学报》特组织出版专刊，从微生物菌株的多样性和生理代谢、菌株改造技术、发酵过程优化和放大，高通量微液滴培养装备开发以及工业微生物应用等方面，分别阐述目前的研究进展，并展望未来的发展趋势，为促进工业微生物及生物制造等产业的发展奠定基础。

摘要:酵母是一类包括酿酒酵母和非常规酵母在内的多种单细胞真菌的总称，其中酿酒酵母是应用较多的重要工业微生物，广泛应用于生物医药、食品、轻工和生物燃料生产等不同生物制造领域。近年来，研究者从不同生态环境中分离了大量的酵母菌株，鉴定了多个新种，也发现了抗逆性不同以及具有多种活性产物合成能力的菌株，证明天然酵母资源具有丰富的生物多样性和功能多样性。利用基因组挖掘以及转录组、蛋白组等多组学分析研究，可进一步开发利用酵母遗传多样性，获得酶和调节蛋白的基因以及启动子等遗传元件改造酵母菌株。除了利用酵母的天然遗传多样性，还可通过诱变、驯化、代谢工程改造及合成生物学等技术产生具有多种非天然多样性的菌株。此外，对天然遗传元件也可以进行突变和定向进化，所产生的新遗传元件可用于有效提升菌株的性能。开发利用酵母的生物多样性，对构建高效酵母细胞工厂，生产生物酶、疫苗以及多种活性天然产物等产品具有重要意义。文中对酵母生物多样性的研究现状进行综述，并对未来高效开发利用酵母菌株资源和遗传资源的研究进行了展望。文中所总结的研究方法和思路也可为研究其他工业微生物的多样性及进行高效菌株的选育提供参考。

摘要:作为来源广泛、储量丰富的有机碳一气体，甲烷被认为是下一代工业生物技术中最具潜力的碳原料之一。嗜甲烷菌能够利用其体内的甲烷单加氧化酶，将甲烷作为唯一的碳源和能源进行生长和代谢，这为温室气体减排及其开发利用提供了新的策略。目前，嗜甲烷菌生物催化体系的相关研究已开展多年，随着系统生物学和合成生物学的快速发展，利用代谢工程合理改造嗜甲烷菌代谢途径以提高甲烷转化效率，已经实现了生物转化甲烷制备多种大宗化学品和生物燃料。本文详细讨论并介绍了嗜甲烷菌催化氧化甲烷的相关代谢途径、高效细胞工厂构建及部分化学品生物合成的最新研究进展，并对甲烷生物转化未来的发展方向和面临的技术挑战进行了讨论和展望。

摘要:谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum作为一般被认为具有生物安全性的一种模式工业微生物，不仅在发酵工业中成功用于大规模生产氨基酸，而且具有合成多种新型化学品的潜力。谷氨酸棒杆菌菌株在生产化合物时，经常会受到各种逆境条件的胁迫，从而降低细胞活力和生产性能。合成生物学的发展为提高谷氨酸棒杆菌的鲁棒性提供了新的技术手段。本文总结了谷氨酸棒杆菌应对发酵过程中各种胁迫的耐受机制。同时，重点介绍提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性和耐受性的合成生物学新策略，包括挖掘新的抗逆元件、改造转录调控因子、利用适应性进化策略挖掘抗逆功能模块等。最后，从生物传感器、转录调控因子的筛选和设计、多种调控元件利用等方面对提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性进行了展望。

摘要:微生物油脂是未来燃料和食品用油的重要潜在资源。近年来，随着系统生物学技术的快速发展，从全局角度理解产油微生物生理代谢及脂质积累的特征成为研究热点。组学技术作为系统生物学研究的重要工具被广泛用于揭示产油微生物脂质高效生产的机制研究中，这为产油微生物理性遗传改造和发酵过程控制提供了基础。文中对组学技术在产油微生物中的应用概况进行了综述，介绍了产油微生物组学分析常用的样品前处理及数据分析方法，综述了包括基因组、转录组、蛋白 (修饰) 组及代谢 (脂质) 组等在内的多种组学技术，以及组学数据基础上的数学模型在揭示产油微生物脂质高效生产机制中的研究，并对未来发展和应用进行了展望。

摘要:基因组规模代谢网络 (Genome-scale metabolic network model，GSMM) 是工业微生物菌株定向改造过程中一种极为重要的指导性工具，有助于研究者快速获取特定性状的工业微生物，因此越来越受到人们的关注。文中回顾了GSMM的发展历程，总结并评述了GSMM的构建方法，以4种重要工业微生物 (枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis、大肠杆菌Escherichia coli、谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum和酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae)为例，阐述了GSMM在工业微生物中的发展与应用。此外，还对GSMM未来的发展趋势进行了展望。

摘要:工业微生物底盘细胞的开发将为工业生物技术的发展提供优良的细胞工厂，有利于实现环境保护及经济可持续发展。基于合成生物学“设计-构建-测试-学习” (Design-Build-Test-Learn，DBTL) 策略，对底盘细胞进行多维度的理性或半理性改造是实现“建物致知”以及“建物致用”目标的重要手段。文中简述了合成生物学DBTL策略中各步骤相关的重要技术方法；概述了部分重要模式微生物底盘细胞的策略与研究进展；重点比较介绍了工业生物技术领域具有特殊生理功能、利用一碳化合物及高效生产平台化合物的部分非模式细菌；同时也提出了实现优良、安全合成微生物细胞工厂构建与应用的策略。这些方法策略包括依靠合成生物学技术方法，综合模式与非模式微生物优势，开发应用经济、高效的高通量智能装备，建立分子组学与表型组学研究平台，推动多层次系统生物学与表型组学大数据的解析、整合、模拟与可视化，以及建立高质量的数字细胞模型和基因组优化的底盘细胞，推动高效、优良工业细胞工厂的理性设计、构建与应用。

摘要:基于转录因子的代谢物生物传感器在代谢工程和合成生物学中发挥着重要的作用。生物传感器感应代谢物浓度信号，将其转换为特定信号输出，具有灵敏度高、特异性强、分析速度快等特点，被广泛应用于目标代谢物的响应。文中介绍了基于转录因子生物传感器的作用原理，以及近年来在微生物细胞中的应用实例和应用方面面临的挑战，主要包括目标代谢物浓度的检测、高通量筛选、自适应实验室进化选择和动态控制，同时为了克服应用中的挑战，也着重介绍了基于转录因子生物传感器的性能调节策略，主要包括传统调节和计算机辅助的调节策略，讨论了生物传感器在实际应用中可能面临的机遇与挑战，并对其发展趋势进行了展望。

摘要:枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis是微生物生理生化机理研究的模式菌株，也是工业应用生产小分子化合物、大宗化学品、工业酶、药物及保健品等生物制剂的良好底盘细胞。近些年，研究枯草芽孢杆菌的合成生物技术和代谢工程方法日新月异，为利用其作为底盘细胞生产目标产品提供了良好的工具和理论参考。文中综述了利用枯草芽孢杆菌为细胞工厂，在代谢改造中通过调节全局调控因子，基因组精简及优化，多位点、多维调控，自身生物传感动态调控，膜蛋白工程等方法，系统调控优化菌株；在蛋白质试剂生产改造中，通过优化基因启动子、蛋白质信号肽、菌株自身蛋白质分泌元件，构建无化学诱导剂表达系统等方法，优化生产菌株。另外，文中对未来进一步针对优化枯草芽孢杆菌进行工业生产中需要注意和重点关注的问题、方向进行展望。

摘要:毕赤酵母是当前应用最为广泛的重组蛋白表达系统之一，文中建立了一种快速筛选高效表达重组蛋白的毕赤酵母菌株的新方法。首先，对内质网转膜蛋白Sec63融合表达增强型绿色荧光蛋白EGFP的改造菌株GS115-E表达重组蛋白的能力进行检测；之后将携带不同拷贝数的植酸酶phy基因或木聚糖酶xyn基因的质粒转化进入GS115-E中，得到具有不同植酸酶或木聚糖酶表达水平的重组菌株，分别检测不同菌株的EGFP与重组蛋白的表达水平；最后，利用分选型流式细胞仪，根据绿色荧光值的高低对包含不同植酸酶表达水平的重组菌株的菌群进行分选。结果显示重组菌株中EGFP的荧光值与重组蛋白的活性表达水平之间具有良好的线性相关性(0.8<|R|<1)，且利用流式细胞仪可高效地从混合菌群中筛选得到高产菌株，所分选得到的高荧光菌株在摇瓶发酵120 h时植酸酶表达水平是低荧光菌株的4.09倍。本方法通过检测菌株的EGFP荧光值代替检测重组蛋白的表达水平和活性，从而实现高表达菌株的筛选，大大提高了其应用的便捷性及通用性。与流式细胞仪、液滴微流控等高通量筛选仪器或技术结合将进一步提高筛选的速度与通量，为筛选获得高效表达重组蛋白的毕赤酵母菌株提供了简便、快速的新途径。

摘要:酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae是代谢工程中最重要的宿主之一，先进的基因编辑技术已经被广泛应用于酿酒酵母细胞工厂的设计和构建。随着基因编辑技术的飞速发展，早期基于重组酶和同源重组的基因编辑技术逐渐被新型基因编辑系统所替代。文中对酿酒酵母基因编辑技术的原理和应用进行了总结，包括经典的酿酒酵母基因编辑技术，基于核酸内切酶的MegNs、ZFNs和TALENs等基因组编辑系统，最后介绍和讨论了基于CRISPR/Cas系统、异源代谢途径多拷贝整合和基因组规模基因编辑的最新研究进展，并对酿酒酵母基因编辑技术的应用前景和发展方向进行了展望。

摘要:甲醇酵母由于独特优点被认为是绿色生物制造的潜在宿主。特别是其天然甲醇利用性能有望建立甲醇生物转化路线，拓展生物炼制底物，具有重要经济价值和环保意义。文中综述了代谢工程改造甲醇酵母合成蛋白质和化学品的最新研究进展，并比较了其与模式生物酿酒酵母作为细胞工厂的优缺点。随后，分析了甲醇酵母代谢工程改造面临的挑战，并展望了潜在解决方案。随着基因操作工具开发和细胞代谢阐释，甲醇酵母将在未来绿色生物制造发挥越来越重要的作用。

摘要:黑曲霉Aspergillus niger是有机酸与酶制剂的重要工业生产菌株，以极端环境耐受性、高生产经济性、强发酵鲁棒性与高食品安全性等优势成为不可多得的细胞工厂。合成生物学与系统生物学的快速发展，不仅拉开了全面揭示黑曲霉细胞工厂高效运转机制的序幕，而且为高效黑曲霉细胞工厂的创建优化提供了新技术体系。作为新一代的基因组编辑技术，基于CRISPR/Cas系统的基因组编辑技术为黑曲霉基因组定向改造与基因表达调控带来了革命性突破。本文重点综述该技术在黑曲霉中的最新进展及其在黑曲霉基因编辑与表达调控中的应用，并对其未来发展方向进行展望。

摘要:液滴微流控由于可以快速生成大量微液滴，并实现单个液滴独立的控制，每个液滴都可以作为独立的单元进行微生物培养，因此在微生物的高通量培养方面具有独特的应用优势。然而现有研究多停留在实验室搭建和使用阶段，存在操作要求高、影响因素多、缺乏自动化集成技术等关键问题，制约了液滴微流控技术在微生物研究中的应用。文中以解决液滴微流控技术用于微生物培养的装备化问题为目标，系统研究了微流控各单元模块的结构与功能，通过对液滴的发生、培养、检测、分割、融合、分选等多种操作的开发与集成，成功研制出了小型一体化、全自动高通量的微生物微液滴培养 (Microbial Microdroplet Culture system，MMC) 装备系统，可用于微生物的生长曲线测定、适应性进化、单因素多水平分析及代谢物检测等，为面向微生物菌种高效选育的进化培养和筛选提供了高通量仪器平台。

摘要:当前，生物制造技术和产业是世界关注的热点。然而，生物过程优化与放大过程中普遍面临以下几个难题，包括：过程检测手段缺乏，难以满足关键指标参数的监控；细胞代谢认知匮乏，无法理性实现过程最优化调控；反应器环境差异大，导致逐级放大效率低下。文中针对以上亟待解决的关键问题，通过案例分析介绍发酵过程实时检测-动态调控-理性放大全链条关键技术创新。在未来，生物过程设计将以集成细胞生理学 (时空多尺度细胞代谢模型) 和流体动力学 (CFD模型) 的全生命周期模型为指导，推进计算机辅助设计与开发，加速生物过程实现大规模智能化生产，开启绿色生物制造新时代。

摘要:蓝细菌是当前合成生物学研究的热门底盘生物之一，是光合自养底盘微生物的典型代表。随着化石资源的逐渐枯竭和碳排放所导致的全球变暖问题的加剧，以CO2为碳源的蓝细菌细胞工厂的研究又迎来了一次新的浪潮。长期以来，人们对于蓝细菌细胞工厂的关注点主要是在生物能源的生产，比如液体燃料及氢气等。蓝细菌细胞工厂研究的主要瓶颈之一是其低效率导致的经济性问题。这一问题对于成本异常敏感的能源产品而言尤其突出。聚合物作为人类生产生活的重要基础，属于附加值较大的大宗化学品，对克服蓝细菌细胞工厂商业化所面临的经济性问题具有优势，近来得到了越来越多的关注。本文对蓝细菌的聚合物单体生产的相关研究进行了系统综述，阐述了各类单体的增产策略，并回顾了蓝细菌细胞工厂应用的相关技术，提出了蓝细菌合成生物学的应用领域所存在的问题并对未来的研究进行了展望。

摘要:开发高效、低毒、低残留的绿色农药是农药研发的发展趋势，其中微生物源农药抗生素占据了重要地位。随着基因组学、代谢工程、高通量筛选等技术的发展，新型微生物源农用抗生素的研究进入了新的阶段。文中简要总结了近10年来研发的新型微生物源农用抗生素的种类、农用抗生素产生菌株的高产育种与发酵研究策略等，为未来农用抗生素的研发提供参考。

摘要:木糖的有效利用是木质纤维素生产生物燃料或化学品经济性转化的基础。30年来，通过理性代谢改造和适应性进化等工程策略，显著提高了传统乙醇发酵微生物——酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae的木糖代谢能力。因此，近年来在酿酒酵母中利用木糖生产化学品的研究逐步展开。研究发现，酿酒酵母分别以木糖和葡萄糖为碳源时，其转录组和代谢组存在明显差异。与葡萄糖相比，木糖代谢过程中细胞整体呈现出Crabtree-negative代谢特征，如有限的糖酵解途径活性减少了丙酮酸到乙醇的代谢通量,以及增强的胞质乙酰辅酶A合成和呼吸能量代谢等，这都有利于以丙酮酸或乙酰辅酶A为前体的下游产物的有效合成。文中对酿酒酵母木糖代谢途径改造与优化、木糖代谢特征以及以木糖为碳源合成化学品的细胞工厂构建等方面进行了详细综述，并对木糖作为重要碳源在大宗化学品生物合成中存在的困难和挑战以及未来研究方向进行了总结与展望。

摘要:木质纤维素降解酶系的高效生产是实现植物生物质大规模生物炼制的重要支撑。就地生产木质纤维素降解酶，有助于降低其使用成本，提高技术经济效益。青霉是自然界常见的木质纤维素降解真菌，可以合成分泌种类多样、组分齐全的木质纤维素降解酶系，已被应用于纤维素酶制剂的工业生产。文中从就地生产降解酶，为木质纤维素生物炼制构建“糖平台”的角度，综述了青霉木质纤维素降解酶系的性质、菌株遗传改造及发酵工艺的研究进展。

摘要:

摘要: