摘要:微生物化学品工厂以工程化设计理念，通过最优合成途径设计、生化网络重构、新元件创制及与途径-细胞-环境适配，重塑自然生产线，实现化学品的精准、定量、高效合成。作为一种颠覆性化学品生产新模式，微生物化学品工厂对构建工业经济发展的可再生原料路线、推进物质财富的绿色增长具有重大意义，成为发达国家科技竞争和产业发展的重点。为了集中展现微生物化学品工厂领域取得的最新进展，并促进生物制造产业的快速进步，《生物工程学报》特组织出版“微生物化学品工厂”专刊，汇集了国内科研工作者在材料单体、医药中间体、功能食品配料、有机酸生物合成以及非粮原料开发利用方面的最新研究成果，为微生物化学品工厂的高质量发展提供借鉴与指导。

摘要:1,3-丙二醇(1,3-propanediol, 1,3-PDO)是一种具有广泛应用价值的二元醇化合物，可用于制造多种医药中间体、食品和化妆品，也是合成纤维材料聚对苯二甲酸丙二醇酯的关键单体。微生物转化葡萄糖等可再生原料合成1,3-PDO因具有环境友好、高效节能、安全可持续等优点，已实现产业化，是微生物化学品工厂设计与应用的成功案例。但是，粮食紧缺和气候变化等问题正在推动化学品生物制造的原料朝着非粮化、低成本、可持续的方向转变。微生物转化C3原料甘油合成1,3-PDO的研究已较为深入。近年来，以能量密度更高的甲醇等C1原料合成1,3-PDO也受到广泛关注，多条新的人工合成途径被创建并成功验证，为1,3-PDO可持续生物合成奠定了基础。本文重点从C6-C3-C1原料体系转变的角度综述了1,3-PDO的微生物合成研究进展，对不同原料体系下提升1,3-PDO合成效率的代谢途径改造策略进行了讨论，并对C1原料合成1,3-PDO的发展前景进行了展望。

摘要:1,3-丙二醇是生产聚对苯二甲酸丙二醇酯(polytrimethylene terephthalate, PTT)的重要单体，目前主要通过微生物发酵法生产，但这种方法生产效率低下，限制了1,3-丙二醇的高效生物制造。为解决这一问题，本研究首先利用常压室温等离子(atmospheric room temperature plasma, ARTP)诱变技术，经过高通量筛选，成功获得了一株具有较高渗透压耐受性的菌株，其1,3-丙二醇产量达87 g/L。在此基础上，进一步筛选出了适合克雷伯氏菌的基因表达元件，并通过代谢工程改造，阻断冗余代谢支路(敲除ldhA、budA、aldA基因)，同时强化合成路径(过表达dhaB、yqhD基因)，使得改造后的工程克雷伯氏菌的1,3-丙二醇产量提升至107 g/L。最终，在5 L发酵罐中，通过优化发酵过程参数，最优工程菌株KP-FMME-6的1,3-丙二醇产量达到118 g/L，甘油转化率为42%，生产强度达到2.46 g/(h·L)。本研究为1,3-丙二醇的工业化生产提供了有效的借鉴和参考。

摘要:尸胺是聚酰胺生产中的关键C5单体。由于细胞内5ʹ-磷酸吡哆醛(pyridoxal 5′-phosphate, PLP)再生效率有限，导致目前发酵法生产尸胺效率较低。本研究选择一株实验室保藏的赖氨酸高产大肠杆菌LY-4为研究对象，首先通过引入尸胺合成关键酶-赖氨酸脱羧酶(lysine decarboxylase, LDC)，成功构建了菌株L01，摇瓶发酵尸胺产量达1.07 g/L；随后开发了一种双代谢通路强化策略，协同增强内源和异源PLP合成模块，从而改善胞内PLP的合成，最优菌株L11摇瓶生产尸胺产量提升至9.23 g/L；最后在5 L发酵罐中对菌株L11生产尸胺的发酵工艺进行优化。工程菌株经48 h分批补料发酵，尸胺产量、得率、生产强度分别为54.43 g/L、0.22 g/g和1.13 g/(L·h)，具备一定的应用潜力。本研究可为构建包括尸胺在内的多种生物胺类细胞工厂提供理论依据和技术基础。

摘要:乙醇酸是一种重要的化工产品，广泛应用于化妆品、清洁剂及纺织品等各个领域。目前，微生物法生产乙醇酸存在菌株遗传稳定性差、产率低、成本高的缺点，而全细胞催化生产乙醇酸大多需要添加价格相对昂贵的山梨醇作为碳源，限制了其工业化生产。为了开发一种适用于工业化应用的乙醇酸生产方法，本研究以乙二醇为底物进行全细胞催化筛选乙醇酸生产菌株，获得了一株产乙醇酸的红酵母。随后对该菌株进行了紫外诱变，并通过高通量筛选得到了正突变株RMGly-20，摇瓶优化后该菌株的乙醇酸产量为17.8 g/L，比原始菌株提高了10.1倍。以葡萄糖为碳源，经5 L发酵罐补料分批培养，菌株RMGly-20可生产61.1 g/L乙醇酸，初步实现了可利用廉价碳源且遗传稳定的乙醇酸菌株的选育，为生物法合成乙醇酸提供了新宿主，有利于进一步推进乙醇酸的工业化生产。

摘要:胸苷作为抗艾滋病药物(叠氮胸苷和司他夫定)的关键前体物，在医药行业具有很大的应用潜力。本研究以野生型大肠杆菌(Escherichia coli) MG1655为底盘微生物，采用系统代谢工程策略重构大肠杆菌中胸苷合成途径，构建了一株高效合成胸苷的工程菌株。首先，依次敲除deoA、tdk、udp、rihA、rihB、rihC基因，以阻断胸苷的分解途径和补救途径；随后，引入来源于枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) F126的嘧啶核苷操纵子基因，以增强前体物尿苷酸合成途径代谢通量；最后，依次优化胸苷合成途径中尿苷酸激酶、核糖核苷二磷酸还原酶、胸苷酸合酶和5′-核苷酸酶的表达，以强化尿苷至胸苷合成途径代谢通量。所构建的THY6-2工程菌株在5 L分批补料发酵试验中胸苷产量为11.10 g/L、转化率为0.04 g/g葡萄糖、生产强度为0.23 g/(L‧h)。本研究构建了以葡萄糖为唯一碳源且不携带质粒的高效合成胸苷工程菌株，为其他嘧啶核苷类产品的研发提供了借鉴。

摘要:靛蓝(indigo)作为一种水溶性非偶氮类着色剂，广泛应用于纺织、食品、制药等工业领域。目前靛蓝主要采用化学法合成，存在环境污染、安全隐患等问题，亟须寻找更安全、更绿色的合成方法。本研究利用大肠杆菌(Escherichia coli)来源的色氨酸酶(tryptophanase, EcTnaA)和噬甲基菌(Methylophaga aminisulfidivorans)来源的黄素依赖性单加氧酶(flavin-dependent monooxygenase, MaFMO)构建双酶级联路径，以L-色氨酸为底物合成靛蓝，导入E. coli中获得重组菌株EM-IND01。通过对限速酶MaFMO进行蛋白质工程改造，获得了有益突变体MaFMO^D197E，比酶活和k_cat/K_m比野生型分别提高了2.36倍和1.34倍；将其引入菌株EM-IND01中获得重组菌株EM-IND02，并进行发酵条件优化，在5 L发酵罐中靛蓝产量为(1 288.59±7.50) mg/L，转化率为0.86 mg/mg L-色氨酸，生产强度为26.85 mg/(L·h)。本研究通过蛋白质工程改造，获得MaFMO活性提高的突变体，为靛蓝的工业化生产奠定了基础。

摘要:熊果苷是一种氢醌衍生的糖苷化合物，根据糖苷键的构型不同又分为β-熊果苷和α-熊果苷。熊果苷作为安全稳定的美白剂被广泛应用于化妆品领域，同时还具有抗氧化、抗菌、抗炎症、抗肿瘤等药理活性。植物提取法生产熊果苷存在植物生长周期长、提取工艺复杂、产率低等问题，而化学合成法合成熊果苷具有反应条件严苛、立体选择性差、收率低等缺点。近年来，生物合成法因其反应条件简单温和、生产过程经济环保等优势，逐渐成为合成熊果苷的热门研究方向。本文总结了4种熊果苷生物合成方式的最新研究进展，包括植物转化法、酶催化法、全细胞催化法以及微生物发酵法，讨论了这几种生物合成方式的优势与不足，并展望了其未来发展方向。

摘要:萜类化合物以其结构与功能的多样性而闻名，在食品、化妆品、洗涤用品中广泛应用。微生物合成是萜类化合物绿色可持续生产的方式之一，近年来备受关注。然而，参与萜类物质合成的天然酶存在催化活性低、特异性差、稳定性不足等问题，限制了萜类化合物的微生物生产效率。酶工程是酶蛋白结构及功能改造优化的重要手段。近年来研究人员通过使用不同的酶工程策略，使萜类合成相关酶的活性、选择性、稳定性得到了明显提升，为萜类化合物的可持续生产提供有力支持。本文综述了近年来微生物合成萜类物质关键酶改造的工程策略，包括提高酶活性、稳定性、改变特异性以及多酶协同促进传质等；同时展望了酶工程技术在萜类微生物合成中面临的挑战及未来发展方向。

摘要:随着医美产业的蓬勃发展，使用功能性护肤产品成为主要趋势。医美产品功能的发挥，主要取决于其活性成分的功效。这些活性成分主要包括蛋白质和肽类、多糖类、酚酸类、萜烯类、维生素类、氨基酸类等，涉及修复、补水、美白、抗紫外和抗衰等功能。早年间这些活性成分主要通过生物提取和化学合成的方式获得。随着生物制造技术的发展，微生物合成医美活性成分已被广泛研究和应用。本文对通过微生物合成生物技术合成胶原蛋白、肽类、透明质酸、多酚类、萜烯类和维生素等天然产物的研究进行了总结，并对其合成途径、代谢调控以及未来的发展进行了综述，为后续微生物合成医美活性成分提供参考。

摘要:L-赖氨酸作为一种必需氨基酸，广泛应用于饲料、食品、医药等领域。针对大肠杆菌(Escherichia coli)发酵生产L-赖氨酸存在底物利用效率差、糖酸转化率低等问题，本研究通过敲除全局调控因子基因mlc，异源表达来源于麦芽糖磷酸转移酶基因malAP，提高菌株对二糖、三糖的利用效率，得到菌株E. coli XC3，其L-赖氨酸产量、产率和生产强度分别提高到160.00 g/L、63.78%和4.44 g/(L·h)；在此基础上，在菌株E. coli XC3中过表达谷氨酸脱氢酶基因gdhA、来源于枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)硝酸盐还原酶基因BsnasBC和来源于E. coli的亚硝酸盐还原酶基因EcnirBD，构建硝酸盐同化路径，获得工程菌E. coli XC4，其L-赖氨酸产量、产率和生产强度分别提高到188.00 g/L、69.44%和5.22 g/(L·h)，进一步通过优化残糖浓度和碳氮比，在5 L发酵罐中将L-赖氨酸产量、产率和生产强度分别提高到204.00 g/L、72.32%、5.67 g/(L·h)，比出发菌株XC1分别提高了40.69%、20.03%、40.69%。本研究通过强化菌株的底物利用途径，构建了L-赖氨酸高产菌株，为L-赖氨酸的工业化生产奠定了坚实基础。

摘要:维生素是维持生物体正常生理功能所必需的一类有机物质，大部分维生素无法由人体合成，少部分维生素只能有限地合成，无法满足自身需求，因而需要通过摄入含维生素的食物或药品来满足自身需要。近年来，维生素被广泛应用于医药、食品或饲料添加剂、化妆品等行业中，人们对维生素的需求也不断增加。维生素的合成方法可分为化学合成法与生物合成法两大类，相较于化学法，生物法合成维生素具有环境友好、安全性高、成本低廉等优势，因此研究生物合成维生素的方法具有一定应用价值。本文综述了近年来水溶性维生素生产领域中生物合成法的研究进展，总结了水溶性维生素(B族维生素、维生素C)生物合成的研究成果，并对生物合成水溶性维生素的发展进行了展望。

摘要:维生素是人体正常生命活动所必需的一种有机物质，近年来维生素的应用场景不断扩展，除食品、畜牧业领域外，在医药、美妆等行业也有广泛应用，因此全球市场对维生素的需求不断增长。随着近几年合成生物学的快速发展，在现有的维生素生产方法中生物合成法因具有环保、安全、效率高等优点，逐渐被行业研究者所关注。为了进一步实现低碳、节能、减排以及我国“碳达峰”和“碳中和”的目标，建立和实现生物合成维生素的方法具有较大的应用价值。本文综述了近年来生物合成在维生素生产领域的研究进展，详细阐述了脂溶性维生素(维生素A、维生素D、维生素E和维生素K)的生物合成研究现状。

摘要:维生素作为生命活动中不可或缺的有机化合物，其生物合成途径依赖于生物体内复杂而精细的代谢网络。这一网络不仅涉及多种酶的协同作用，还包括多条代谢途径的交叉与整合。虽然在代谢工程和催化机制研究方面已取得了一些成果，但大量关键酶缺乏详细的酶学属性研究，这一现状限制了维生素生产效率的提升，同时也阻碍了对维生素合成机制的深入理解与优化。这不仅制约了维生素的工业化应用，也限制了相关生物技术的发展。本文综述了维生素合成途径酶领域的研究进展，详细阐述了13种维生素合成途径酶的研究现状，包括它们的代谢特性、动力学性质以及在生物工程中的应用，同时探讨了不同维生素代谢途径间以及与糖酵解途径合成酶的酶学性质差异，揭示了维生素合成途径中催化效率和底物亲和力的特点。此外，本文还探讨了深度学习方法在推进维生素酶学性质研究方面的潜力和应用前景，为维生素生产和优化提供了新的思路。

摘要:酪醇是一种天然酚类化合物，具有抗氧化、抗炎症等多种生物活性，是羟基酪醇和红景天苷等高价值天然产物的重要前体物质。近年来酪醇及其衍生物的绿色高效合成受到广泛关注，利用代谢工程改造微生物构建细胞工厂具有成本低且绿色环保等优点，成为最具潜力的产业化方式。本文介绍了酪醇的生物合成路径，主要针对大肠杆菌和酿酒酵母从头合成酪醇路径中的调控节点进行解析，综述了大肠杆菌和酿酒酵母合成酪醇的研究进展，并对其衍生物-羟基酪醇和红景天苷的代谢工程研究进展进行介绍，为构建酪醇及其衍生物高产工程菌株提供参考。

摘要:d-甘露醇是一种六碳糖醇，是自然界中含量最丰富的多元醇之一，具有抗氧化保护、调节渗透压和不可代谢等特性，已广泛应用于功能性食品和制药行业中。目前工业化生产d-甘露醇的主要方法为化学加氢法。d-甘露醇也可由微生物代谢或者微生物催化生成，相比化学加氢法，生物法合成甘露醇不产生副产物山梨醇，且具有条件温和、专一性强、转化率高的优点。其中微生物发酵法的微生物菌种和发酵原料来源广泛易得，产物易于分离。微生物催化法采用多酶偶联的反应策略，利用工程菌产酶进行全细胞催化，同时引入辅因子循环途径使得昂贵的辅因子得到补充，可以在温和的条件下利用廉价底物获得较高的产率且没有副产物生成。然而，限制利用微生物法进行工业化生产d-甘露醇的一个主要因素是成本昂贵，包括发酵培养基和底物成本高、耗费时间长等。本文综述了微生物法生产d-甘露醇的方法，包括使用的高产发酵菌株及其发酵工艺、低成本底物的利用、全细胞催化法工程菌株开发策略以及高生产率的工艺调控等。生物法合成甘露醇不仅对促进产业升级、实现绿色制造具有重要意义，同时也为开发新型生物基产品、满足日益增长的市场需求提供了有力支持。随着技术创新和产业链的不断完善，未来其有望成为甘露醇生产的主要方式之一。

摘要:丁二酸(又称琥珀酸)是一种重要的C4平台化合物，可作为1,4-丁二醇、四氢呋喃以及生物可降解塑料聚丁二酸丁二醇酯(polybutylene succinate, PBS)的生产原料。与传统的以顺酐为原料的石化基路线相比，采用微生物发酵法生产丁二酸不仅具有更高的经济可持续性，同时也展现出更佳的环境友好性。酵母具有良好的耐酸性，能够实现丁二酸的低pH发酵，从而大幅降低产物提取成本。因此，通过代谢工程改造构建高产丁二酸酵母菌株受到越来越多的关注。本文系统介绍了丁二酸的应用价值及其市场规模，总结了微生物中参与丁二酸合成的途径及其关键酶，详细阐述了利用酵母细胞工厂合成丁二酸的最新研究进展，同时还展示了酵母工程菌株以甘油、乙酸、木质纤维素水解液等非粮原料为底物进行丁二酸合成的现状，最后对基于酵母细胞工厂的低pH丁二酸生物制造进行了展望。

摘要:衣康酸(itaconic acid, IA)是12种高附加值平台化合物之一，广泛应用于涂料、黏合剂、塑料、树脂和生物燃料等领域。本研究基于前期构建的工程化盐单胞菌TDZI-08，通过排查阻碍因素、优化碳源、氮源、诱导剂添加时间和表面活性剂添加量等，建立了一锅法催化柠檬酸合成衣康酸工艺。在5 L发酵罐中利用TDZI-08进行开放式不灭菌一锅法合成，最高产生了40.50 g/L衣康酸，催化阶段得率为0.68 g衣康酸/g柠檬酸，总得率为0.42 g衣康酸/g (柠檬酸+葡萄糖酸)。本研究探索出的一锅法合成体系工艺简单且无须灭菌和无菌操作，表明盐单胞菌具有较好的衣康酸工业化生产潜力。

摘要:丙酸是一种重要的C3平台化合物，在食品、药品和化工等领域应用广泛。以石油等化工产品为原料通过化学途径合成，环境污染严重且不可持续。近些年，利用微生物转化可再生资源生产丙酸受到了广泛关注。本文聚焦丙酸生物制造技术，首先综述了传统丙酸杆菌代谢工程改造和在大肠杆菌及酿酒酵母等异源宿主中重构丙酸合成途径的研究；其次重点讨论了基于合成生物学技术，通过对恶臭假单胞菌KT2440的途径设计和改造，实现其利用L-苏氨酸或生物基1,2-丙二醇为原料的高效生物催化合成高纯度丙酸的最新进展。

摘要:木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源。以木质纤维素为原料利用微生物细胞工厂合成高附加值化学品是实现绿色生物制造的关键。木糖是木质纤维素中含量仅次于葡萄糖的第二大可发酵糖，因此构建可高效代谢木糖的微生物细胞工厂对于实现木质纤维素的全利用具有重要意义。然而与葡萄糖相比，大多数微生物代谢木糖的效率较低，限制了木糖的应用。近年来，微生物代谢机制的深入理解和合成生物学技术的不断进步极大地提高了微生物代谢木糖的效率，拓展了木糖衍生产品的种类。本文综述了自然界存在的几条木糖代谢途径及其衍生的相关产品，总结了构建木糖和葡萄糖共利用菌株的策略，概括了利用木质纤维素水解产物合成目标产品的研究进展，并对相关技术瓶颈和未来发展方向进行了讨论与展望。

摘要:利用可再生生物质高效生产化学品是可持续生物制造的重要途径。木质纤维素来源广泛且可再生，被认为是极具潜力的第二代生物炼制原料，木质纤维素水解物中混合糖的高效共发酵被认为是降低产品成本的关键途径之一。然而，大多数微生物由于碳源阻遏效应会优先消耗葡萄糖而非木糖，严重制约了木质纤维素转化效率。因此，开发能够同时利用葡萄糖和木糖的微生物平台对工业规模生产至关重要。本文综述了基于代谢工程策略促进微生物高效共利用葡萄糖和木糖的关键方法和研究实例，包括葡萄糖抑制缓解、木糖跨膜转运途径改造、木糖代谢途径构建和定向进化等策略。

摘要:微生物细胞工厂的构建和优化是实现绿色生物制造的重要环节和关键技术。现阶段，过量二氧化碳(CO₂)排放和粮食短缺等问题已经引起了广泛关注，这促进了利用人工微生物将CO₂转化为粮食类化合物这一新兴研究方向的发展。该领域的研究不仅有助于实现“双碳”目标，也对维护粮食安全具有重大意义。本文主要围绕葡萄糖、糖类衍生物、单细胞蛋白的生物合成及人工碳固定途径的开发及应用等方面，对直接或者间接利用CO₂制备粮食类化合物的研究进展进行了综述和展望。

摘要:甲醇因具有生产工艺成熟、价格低廉和可再生等优点，被认为是下一代生物制造的核心原料之一。通过构建高效的微生物细胞工厂将甲醇转化为化学品已经成为绿色生物制造行业的研究热点。本文聚焦天然甲醇细胞工厂，对非天然甲醇细胞工厂和天然甲醇细胞工厂进行了比较，讨论了天然甲醇细胞工厂存在的关键问题和挑战，综述了近年来围绕这些问题对天然甲醇细胞工厂进行改造的研究进展，并进一步展望了可能的解决方案，为未来天然甲醇细胞工厂的改造提供了可行的研究策略。

摘要:

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