摘要:

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摘要:随着生物化工技术的不断发展成熟,通过改造微生物已可以实现二氧化碳、甲烷等温室气体的固定、转化和利用,而电子传递及能量供给对微生物固碳效率起着决定性的作用。本文首先分析了好氧性嗜甲烷菌、化能自养微生物等天然微生物细胞内外的直接、间接电子传递系统。在此基础上,围绕微生物固碳细胞工厂的构建,进一步介绍了基于光能、电能的人工电子供给策略及其对固碳过程中代谢通量、合成路径和供能效率的影响。最后针对微生物固碳的关键共性技术难点,简要展望了可行性的解决方案及相关应用前景。

摘要:微塑料(microplastics,MPs)被发现广泛存在于海洋、陆地以及大气等生态系统中。城市污水中的大量微塑料被污水处理厂截留在活性污泥中,但仍有不计其数的微塑料颗粒“逃脱”污水处理厂,排放到自然环境中。与此同时,污水处理过程中绝大部分微塑料会转移到污泥中,伴随着活性污泥的利用过程进入土壤环境,形成微塑料的二次污染。文中基于对国内外文献的调研,对环境中微塑料的来源、分布及危害进行了概述,对活性污泥工艺过程中微塑料的处理情况以及活性污泥中残留微塑料的处理方式进行了梳理;展望了生物技术及合成生物学在活性污泥核心菌群遗传改造,赋予核心菌群微塑料降解能力方面的应用;以期为优化污水处理厂MP的降解提供参考。

摘要:抗生素的不合理使用导致细菌耐药问题日趋严峻,给人类健康造成巨大威胁。学者们对抗生素抗性菌和抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)在多种环境介质中的环境行为开展了大量研究。气溶胶作为ARGs的潜在储存库,是抗生素抗性基因在环境中的重要传播途径之一。目前缺乏对其来源、传播、人类接触和健康风险系统性的梳理。本文针对人类生活功能场所、养殖场、城市污水处理厂和医院等4类气溶胶研究的典型场所,重点综述了上述4类典型场所中气溶胶ARGs的来源、传播途径及对人体的暴露和对健康的危害,为气溶胶中ARGs的预防和控制提供参考。

摘要:真菌为了适应在生长侵染食品、饲料等农产品的过程中所面临的各种环境胁迫的考验,包括热胁迫、氧化胁迫、渗透压胁迫、紫外胁迫等,进化出一套高渗透性甘油促分裂原活化蛋白激酶(high osmolarity glycerol mitogen-activated protein kinase,HOG-MAPK)途径。该途径对真菌的生长发育、真菌毒素的产生和致病性都具有重要影响。HOG-MAPK途径共有两个分支,其中SLN1分支相比另一分支(SHO1分支)具有较为敏感的渗透压胁迫感应能力,能在高渗压和高盐浓度下进行渗透压胁迫反应。SHO1分支参与多种信号感应传导,比如氧化胁迫、热胁迫等。本文综述了真菌HOG-MAPK途径中关键基因sln1、sho1、ste11、ssk2、pbs2和hog1在应对渗透压胁迫、氧化胁迫等不同环境胁迫时所发挥的功能,说明HOG-MAPK途径可以响应多种环境信号,并参与调控黄曲霉、赭曲霉等致病真菌的生长和黄曲霉毒素(aflatoxin)、赭曲霉毒素(ochratoxin)等真菌毒素的产生。在不同环境胁迫下,HOG-MAPK途径对真菌毒素调控机制的研究可为食品和饲料等农产品真菌毒素的防控提供理论基础和指导方向。

摘要:CRISPR-Cas9技术是一种高效、精准的基因编辑工具,该技术的建立推动基因组编辑进入快速发展阶段。目前应用最广泛的Cas9蛋白是来源于酿脓链球菌(Streptococcuspyogenes)的SpyCas9,该蛋白作为“基因剪刀”在哺乳动物、植物等真核生物中应用较为广泛且成熟,但是该蛋白在一些乳酸菌中的应用仍然受到多种因素的限制。乳酸菌基因组上已发现多种类型的CRISPR系统,也蕴含着多种未表征的Cas蛋白,利用乳酸菌内源CRISPR-Cas系统,结合外源导入的向导RNA和同源修复模板,也可实现对乳酸菌基因组的编辑。这种基于内源CRISPR-Cas系统实现基因编辑的方式,具有打靶载体相对较小易转化、无外源Cas9蛋白对宿主细胞产生毒性等优势,相比于CRISPR-SpyCas9更适合于乳酸菌基因组进行编辑,可能是一些乳酸菌未来开展基因组编辑的主要手段,本文重点对此部分内容进行了综述。

摘要:合成生物学通过改造天然系统或创造生物元件、模块和系统赋予生命体新的功能,为农业、能源、制造业及医学进步带来了巨大推动力。对元件、模块或系统的精准、定量及高效调控将对合成生命系统的控制至关重要。细菌小RNA是一类长度在50–300 bp且通常不具备翻译能力的功能小分子,在环境胁迫响应、代谢变化适应和细菌毒力控制过程中发挥着不可替代的调控作用。近年来,基于天然小RNA设计构建的人工小RNA调控元件的工作日益丰富,实现了对目的基因甚至通路的有效抑制或激活。人工小RNA分子小、灵活性高,可程序化且易于设计,几乎不会对宿主细胞造成代谢负担,因此在合成生物学中具备广泛应用前景。为促进对人工小RNA的机理理解及应用拓展,本文围绕若干人工小RNA调控元件进行了系统介绍及比较;此外,总结了其在合成生物学中的代表性应用;最后,对其未来优化方向进行了讨论。

摘要:由于温室气体的大量排放和对化石燃料的高度依赖,航空业的可持续发展得到了全世界的关注。生物航煤被认为是一种有前景的传统航空燃料替代品。本文概述了制备生物航煤的代表性工艺技术路线、发展现状以及生物航煤产业发展所面临的机遇和挑战。迄今为止,已经有多种生物航煤制备工艺得到美国材料实验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)认证。其中,酯和脂肪酸加氢是目前最为成熟、可以实现完全商业化的路径。考虑到技术经济性和成熟度,短期内,费托合成是比较有发展前景的工艺。

摘要:木质素是自然界中储量仅次于纤维素的木质纤维素资源,也是唯一的天然芳香族聚合物,其衍生的高值化产品可以应用于多个领域。木质素的高效高值高质生产是木质纤维素生物炼制的关键所在,但木质素大分子结构复杂多变、反应的活性差、官能团冗杂,制备出性能稳定的高分子材料有一定的难度。随着木质素改性的研究越来越深入,木质素复合水凝胶的应用也受到了极大的关注。本文从木质素的基本结构组成与反应特性出发,简要概括了木质素复合水凝胶的制备方法;具体介绍了木质素复合水凝胶的应用现状,包括生物传感器、控制释放材料、环境响应材料、吸附材料、电极材料以及其他材料的应用;综述了木质素复合水凝胶的最新研究与应用进展,并对木质素制备复合水凝胶的发展前景进行了评述。

摘要:蛋白质交联在食品、化工和医药等领域发挥重要的作用。利用酶催化蛋白质交联是一种可替代物理和化学交联的高效经济的方法。然而,目前仍缺乏详细的酶促蛋白质交联分子层面的解析。本文综述了酶催化的蛋白质交联反应机制及其对蛋白质结构的影响,以及在食品、化工和医药领域的应用,并展望了酶促交联的发展。

摘要:生物电化学系统能促进微生物与电极间的相互作用,从而改变微生物的代谢状态。本工作为研究运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)在电环境中的代谢表现,在外接3V电源的H型电化学发酵装置中测试了其发酵效能。结果表明,相比于无电压的对照,阳极甘油产量上升24%,阴极葡萄糖消耗上升16%,产物乙醇和琥珀酸的产量也分别上升13%和8%。转录组分析表明,代谢物的显著改变归因于电环境导致的有机酸代谢、氧化还原平衡、电子传递等通路的改变。从表达差异显著的基因中挑选了代表胞内氧化还原平衡、生物膜形成和电子传递的3个基因ZMO1060(编码超氧化物歧化酶)、ZMO0401(编码二鸟苷酸磷酸二酯酶)和ZMO1819(编码固氮蛋白)进行验证,结果表明过表达ZMO1060和ZMO1819能够更显著地改变生物电化学系统中Z.mobilis的代谢。本工作为应用生物电化学系统调控微生物代谢物生产提供了参考。

摘要:L-抗坏血酸2-葡糖苷(L-ascorbic acid 2-glucoside,AA-2G)是L-抗坏血酸(L-ascorbic acid,L-AA)的衍生物,相比L-AA,其稳定性极好,并且容易被人体利用。α-葡糖苷酶(alpha glucosidase,AG)是最早发现可以产生AA-2G的酶,但合成效率很低。本研究的目的是通过系统评价来源于黑曲霉、粳稻以及大鼠的AG合成AA-2G的活性,为进一步分子改良提高AG合成AA-2G功能筛选候选AG出发酶。人工合成黑曲霉、粳稻以及大鼠来源的AG基因,构建重组工程菌,表达和纯化3种重组酶(AAG,JrAG,RAG),并对它们产生AA-2G的条件进行优化,在最适反应条件下,比较这3种酶的活力、合成AA-2G的产量和转糖率等。研究结果显示,JrAG的比活力为1.9 U/mg、生成AA-2G的量为2 577.2 mg/L、转糖苷率为7.6%;AAG的比活力为1.0 U/mg、生成AA-2G的量为153.10 mg/L、转糖苷率为0.5%;RAG的比活力为0.4 U/mg、生成AA-2G的量为861.0 mg/L、转糖苷率为2.5%;在这3种来源的AG重组酶中,JrAG的比活力和转糖率最高。JrAG具有较高转麦芽糖合成AA-2G的活性,是进一步分子改良提高合成AA-2G产量的良好出发酶,本研究结果也可为开展AG在AA-2G合成的相关研究提供参考。

摘要:纳他霉素是一种天然、广谱、高效的多烯大环内酯类还原性抗真菌剂,广泛应用于食品真菌污染的防治和临床真菌感染的治疗。纳他霉素胞外转运效率可能是限制褐黄孢链霉菌(Streptomyces gilvosporeus)发酵高产纳他霉素的重要因素。通过生物信息学及分子对接技术分析纳他霉素胞外转运蛋白SgnA/B,发现SgnA和SgnB两个异源二聚体组成的ABC转运蛋白是内向开口构象的转运蛋白,且2个结合位点与纳他霉素结合能力有强弱差异,更有利于纳他霉素的胞外转运。本研究以纳他霉素生产菌株——褐黄孢链霉菌F607为出发菌株,构建了sgnA/B基因超表达菌株F-EX,以分析sgnA/B基因超表达对纳他霉素合成及胞外转运的影响。研究发现,纳他霉素对数合成期的F-EX菌株不仅提高了纳他霉素胞外/胞内比,其120 h发酵总产量也提高了12.5%,达到7.38 g/L。最后,通过转录组测序发现,sgnA/B基因超表达除提高纳他霉素胞外转运效率外,还影响了与多种氨基酸、丙酸盐、糖、五碳化合物代谢和TCA循环相关基因的表达。研究表明,强化纳他霉素胞外转运有利于纳他霉素的合成,是提高褐黄孢链霉菌纳他霉素产量的有效策略,并为纳他霉素工业生产提供了一株具有良好应用前景的菌株。

摘要:D-甘露醇(D-mannitol)作为合成抗肿瘤药和免疫刺激剂的重要前体被广泛应用于制药和医疗等行业,酶法合成D-甘露醇反应成本昂贵无法满足工业化生产。本研究首先筛选关键酶获得较优性能的甘露醇脱氢酶LpMDH和用于辅因子NADH再生的葡萄糖脱氢酶BaGDH,在大肠杆菌(Escherichia coli) BL21(DE3)中共表达,实现了基于双酶级联反应催化底物D-果糖合成D-甘露醇,D-甘露醇的初步摩尔转化率为59.7%。针对双酶级联催化反应中辅酶再生用酶与催化用酶表达量不协调的问题,通过增加Bagdh拷贝量来提高辅因子循环能力,获得了双酶催化速率平衡的重组大肠杆菌E.coli BL21/pETDuet-Lpmdh-Bagdh-Bagdh。进一步对重组菌的全细胞转化条件进行优化,确定了最适转化条件为反应温度30℃,初始pH值6.5,菌体量OD₆₀₀=30,底物D-果糖100.0 g/L,辅底物葡萄糖与底物1︰1摩尔当量。于最优转化条件下5 L发酵罐转化24 h,D-甘露醇的最高产量为81.9g/L,摩尔转化率为81.9%。本研究提供了一种绿色、高效生物催化生产D-甘露醇的方法,为实现其规模化生产奠定了基础,同时也对其他相关稀有糖醇的研究具有指导意义。

摘要:丙二酸是一种重要的有机二元羧酸,其应用价值遍及化工、医药、食品等领域。本文以大肠杆菌为底盘细胞,过表达了ppc、aspC、panD、pa0132、yneI和pyc基因,成功构建了丙二酸合成重组菌株大肠杆菌BL21(TPP)。该菌株在摇瓶发酵条件下,丙二酸产量达到0.61 g/L。在5 L发酵罐水平,采用间歇补料的方式丙二酸的积累量达3.32 g/L。本研究应用了融合蛋白技术,将ppc和aspC、pa0132和yneI分别进行融合表达,构建了工程菌BL21(SCR)。在摇瓶发酵水平,该菌株丙二酸的积累量达到了0.83 g/L,较出发菌株BL21(TPP)提高了36%。在5 L发酵罐中,工程菌BL21(SCR)的丙二酸产量最高达5.61 g/L,较出发菌株BL21(TPP)提高了69%。本研究实现了丙二酸在大肠杆菌中的生物合成,为构建丙二酸合成的细胞工厂提供了理论依据和技术基础,同时也对其他二元羧酸的生物合成具有启发和指导意义。

摘要:胆绿素作为一种重要的保护细胞的抗氧化剂,其传统生产方法主要由胆红素的化学氧化产生,但过程复杂、纯度不高。本研究提出了一种高效、绿色、安全的生产胆绿素的方法。通过比较,筛选得到了破伤风梭状芽孢杆菌(Clostridium tetani)来源的血红素加氧酶(heme oxygenase,HO)基因,并成功构建具备转化血红素合成胆绿素能力的重组大肠杆菌(Escherichiacoli) BL21/pETDuet-hoCt。在pH 7.0、35℃、100 mg/L底物浓度条件下胆绿素产量为32.9 mg/L。为提高还原力,构建了基于谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase,GdhA)的NADPH辅酶再生系统,获得重组菌E.coli BL21/pETDuet-gdhAEc-hoCt,胆绿素产量为71.5 mg/L。此外,通过引入膜表面展示系统,构建重组菌E.coli BL21/pETDuet-gdhAEc-blc/hoCt,缩短转化时间的同时,胆绿素产量进一步得到提高,达到76.3 mg/L,是目前生物法合成胆绿素的最高研究报道。本研究为胆绿素的绿色生产奠定了良好的基础。

摘要:硫酸软骨素(chondroitin sulfate,CS)是一种线性多糖,广泛应用于医疗和保健等领域。相比于传统动物组织提取法,微生物合成硫酸软骨素具有可控、易规模化放大等优势。为实现硫酸软骨素A (CSA)的高效合成,本研究首先通过整合软骨素合酶编码基因kfoC、kfoA以及UDP-葡萄糖脱氢酶编码基因tuaD至毕赤酵母GS115基因组中,构建了以甘油为唯一碳源发酵生产软骨素的毕赤酵母工程菌株。通过进一步优化软骨素合成途径,软骨素分批补料发酵水平达到2.6 g/L。在进一步整合表达软骨素-4-O-磺基转移酶的基础上,本研究通过向生产软骨素毕赤酵母工程菌株破碎液中添加3'-磷酸腺苷-5'-磷酰硫酸和软骨素-4-O-磺基转移酶,成功建立了CSA的一锅法生物合成体系。通过优化,最终实现0-40%不同磺酸化水平CSA的可控合成。本研究中CSA的一锅法生物合成体系操作简便、易放大,更适用于工业化大规模生产。本研究结果也为肝素等其他糖胺聚糖的合成提供了思路。

摘要:不同灵敏度与响应强度的启动子在基因表达调控与代谢工程改造中应用广泛。为筛选不同诱导表达强度的启动子元件,本研究以麦芽糖诱导启动子P_glvc为对象,通过易错PCR方法对麦芽糖诱导型启动子进行突变获得启动子突变体库,然后基于四环素筛选的细胞生长偶联方法对突变体进行高效筛选,获得了不同响应范围和强度的启动子突变体,最终得到的诱导型启动子突变体(MT2、MT3、MT4、MT6)对麦芽糖诱导剂的响应范围从0–3 g/L扩展至0–15 g/L,其中最高诱导表达强度菌株(MT8)较原始启动子菌株的绿色荧光蛋白表达水平提高约3.15倍,有利于进一步拓展梯度强度启动子在枯草芽孢杆菌代谢工程和合成生物学中的应用。

摘要:利用微生物对抗生素类污染物进行生物降解是目前的研究热点之一。寻找能高效降解抗生素的微生物是该类研究的重要前提。本研究以莫能菌素为唯一碳源,从莫能菌素污染的鸡粪中分离出一株能高效降解莫能菌素的菌株DM-1。根据菌落形态学特征、生理生化特性和16S r RNA基因系统发育分析,对该菌株进行种属鉴定;利用柱后衍生化法的高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)检测DM-1对莫能菌素的降解效率;并对DM-1的降解条件进行了优化。结果表明,筛选到的莫能菌素降解菌DM-1为不动杆菌属(Acinetobacter)的细菌,命名为鲍曼不动杆菌DM-1(Acinetobacter baumannii DM-1);该菌株在10 mg/L莫能菌素的无机盐液体培养基中,避光培养28 d后,莫能菌素的降解率为87.51%,对照组仅为8.57%;菌株DM-1对莫能菌素降解的最优条件为:p H 7.0、温度30℃,最适初始添加莫能菌素浓度为50 mg/L;本研究结果表明菌株DM-1在莫能菌素污染环境的生物修复方面具有良好的应用前景。

摘要:为实现乳铁蛋白N叶的大规模制备,本研究对表达乳铁蛋白N叶的工程菌枯草芽孢杆菌pMA0911-D60Y/Y92D进行了发酵工艺的优化。确定了最佳的培养条件:以葡萄糖为最佳碳源,以胰蛋白胨为最佳氮源,在pH 7.0、温度28℃、发酵25.5 h条件下诱导表达目的蛋白,目的蛋白的IOD值高达68.03%。在10L发酵罐上对重组菌株的发酵条件进行优化,获得如下的最佳发酵工艺,即采用300 r/min转速,0-7 h时,在pH 7.5、30℃条件下培养菌体;7-25 h时,在pH 7.0、28℃条件下诱导表达目的蛋白。发酵结束后,收集细胞并破碎后取上清液用HisTrapHP亲和层析及Superdex^TM200(10/300GL)亲和层析法对细胞上清液进行纯化至均一条带,获得了纯度>94%的重组乳铁蛋白N叶,1 L菌体能制备23.5 mg纯蛋白。本研究为重组牛乳铁蛋白N-叶的高效制备奠定了基础。

摘要:作为一门理论性与应用性都很强的课程,“合成生物学”对生物工程领域创新性人才培养发挥着至关重要的作用。为此,华中农业大学开设了“合成生物学”课程。首先,以“重基础知识、抓创新实践、追前沿进展”为理念,通过组建高水平的“合成生物学”教学团队,并不断调整优化课程内容,形成了新颖合理的课程体系。其次,在教学过程中,及时将高水平学术期刊及时事热点新闻报道中有关合成生物学的案例引入课堂教学中,丰富了教学内容,提高了学生的学习兴趣。再次,以前沿热点案例为切入点,通过以“学”为中心的授课模式,引导学生深入探讨,提高了学生的思辨思维与创新能力。本课程取得了很好的教学效果,并有效促进了创新型人才培养,在此与同行交流,以期能为“合成生物学”及相关课程的教学改革提供一些新的启发与思考。

摘要:微生物涉及人类生活的方方面面,微生物学是各类高校为生命科学、医学、药学、农业、林业、食品等有关专业开设的本科生必修专业基础课。在国际化和一流学科发展趋势下,全英文授课具有重要意义并越来越受到重视。本文旨在探讨在如今面向人类生命健康、强调学科交叉的时代,如何结合本学校专业优势,开展微生物学英文教学的课程改革,将微生物学与医药、农业、环境、健康等充分结合,力争做到以学促研、以学促教,打造出具有本学校特色的微生物学全英文课程,将有关实践探索与微生物学教学工作者进行交流。

摘要:人才培养是未来国家竞争的核心。“强基计划”是我国对基础学科拔尖创新人才培养模式的重要探索,是满足国家重大战略人才需求的重要举措。“强基计划”招收的学生,往往成绩优异、兴趣浓厚,这为相关学科的人才培养模式提出了新要求和新目标。其中,“强基计划”背景下的基础教学改革势在必行。超学科教育理念(science,technology,engineering,arts,mathematics,STEAM)作为一种跨学科的综合性教育理念,与“强基计划”的建设理念不谋而合。鉴于此,天津大学生命科学学院根据“强基计划”背景下生物学科人才培养目标,结合STEAM教育理念,以“生物学综合设计”课程为例,对生物学实验教学改革进行了探索与实践。

摘要:提升学生综合素质、着力发展学生的核心素养是普通高中学科课程标准提出的培养目标,这对教师的专业化发展和核心素养提出了新的要求。为适应高中课程改革和新高考改革,培养一批适教、乐教、善教的双学科复合型高中教师,教育部批复同意开展高素质复合型硕士层次高中教师培养试点。而如何通过学科课程培养师范生的双学科核心素养,是试点专业教学面临的挑战之一。本文紧扣试点专业“化学+生物科学”的培养目标,通过分析化学、生物学两个学科的核心素养,提出将双学科素养融合为物质观念、科学思维、探究实践和态度责任4个方面,促进教师和师范生对双学科核心素养的理解和实践,并以生物化学课程为例对如何培养师范生的双学科核心素养进行了探索、实践,以期为双学科复合型专业的其他课程建设提供借鉴。