摘要:

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摘要:生物制造正从实验室迈向工业化生产，但其产业属性存在认知模糊：是前沿生物技术，还是重资产制造产业？这一模糊导致预期错位、政策适配不足、企业发展承压。基于全球首个万吨级厌氧发酵生产l-丙氨酸的全链条产业化实践，本文提出“新化工”学术视角，将生物制造理解为依托合成生物学实现的化工产业范式重构。本文论证了生物制造遵循化工本质规律，阐释了“新化工”视角下生物制造的核心内涵，并从原料、过程、技术三个维度构建观察框架，系统分析生物制造面临的产业化挑战与推进策略。本文旨在弥合生物技术与化工产业的认知鸿沟，为生物制造这一未来产业提供易于理解的观察框架。正如“新能源”助力能源转型，“新化工”将帮助社会各界看清生物制造的本质与价值——它不仅关乎产业升级，更关乎人类可持续利用地球资源、在物质生产领域实现与自然和谐共生。

摘要:本期刊发一篇基于生物制造万吨级产业化实践提出“新化工”视角的观点文章。本文探讨了这一视角为何值得关注、能够带来哪些新的理解，以及为学术界提出了哪些值得深入讨论的问题。

摘要:面对全球人口增长带来的蛋白质供需矛盾以及传统农业生产模式的资源环境约束，发展高效、可持续的新型蛋白资源是践行大食物观、保障国家粮食安全和满足人民美好生活需要的重要方向。微生物蛋白，作为利用微生物细胞工厂生产菌体蛋白或特定功能蛋白的新型生物制造产品，因其生产效率高、原料适应性强而备受关注。本文系统综述了菌体蛋白及功能蛋白的最新研究进展与产业发展现状，分析了从菌种创制、工艺放大到产品应用开发的关键核心技术，以及在产业化进程中面临的成本结构、市场监管与消费者接受度等多重挑战。最后，展望了微生物蛋白在饲料替代、食品创新及医药和化妆品等高附加值领域的发展前景。本文为我国微生物蛋白产业的技术创新、产业布局与政策制定提供了系统性参考，助力产业高质量发展。

摘要:谷胱甘肽是一种含有巯基的三肽化合物，广泛存在于动物、植物和微生物中，具有抗氧化、解毒等功能，应用于医药、食品、化妆品、饲料等领域。近年来，随着绿色生物制造快速发展，谷胱甘肽产业化升级已经成为研究热点。本文阐述了谷胱甘肽的主要生理功能及应用领域，综述了谷胱甘肽的生物合成研究与产业化进展，探讨了提升发酵法与酶法合成产量的策略，阐述了谷胱甘肽生产的新技术、新工艺，梳理了谷胱甘肽产业化发展现状，并展望了谷胱甘肽生物合成的研究方向，为谷胱甘肽产业转型升级和绿色发展提供了新思路。

摘要:毕赤酵母( Komagataella phaffii)因其内源蛋白分泌背景低、外源蛋白分泌能力强、在复杂发酵条件下具备稳健的生长代谢特征，已成为重组蛋白和代谢产物生产的核心宿主之一。近年来，基因编辑技术与合成生物学工具的迅猛发展，显著提升了毕赤酵母在基因功能解析、代谢途径重构及动态调控方面的精确度与效率，持续强化了其作为细胞工厂的性能。在此背景下，毕赤酵母不仅在重组蛋白、工业酶及疫苗抗原的生产中占据重要地位，更在天然产物、生物医药分子及新型生物材料的合成中展现出巨大潜力。本文系统总结了毕赤酵母基因编辑技术的发展历程，涵盖了从传统重组方法到新型精准编辑工具的演进，重点梳理了CRISPR/Cas等技术在该体系中的应用进展、优化策略及工程化实践。同时，结合最新研究趋势，探讨了在提升编辑效率、实现复杂代谢通路快速组装以及推动工业化应用过程中面临的挑战与机遇，为毕赤酵母的理性工程化改造及其在合成生物学与生物制造领域的深入应用提供了理论参考。

摘要:生物催化因其高选择性、温和反应条件及环境友好特性，在精细化学品合成、生物能源转化和环境治理等领域展现出重要应用前景。然而，酶和微生物等生物催化剂在实际应用中普遍存在稳定性不足、易失活、难以回收及重复利用性差等问题，严重制约了其工业化进程。近年来，金属有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)凭借其高度有序的孔道结构、超高比表面积以及可设计的化学组成，逐渐成为构建高效生物催化体系的理想载体。MOFs不仅能够实现对生物催化剂的高效固定化，还可通过限域效应、微环境调控及协同催化作用显著提升催化性能。本文系统综述了MOFs在生物催化领域中的最新研究进展，重点总结了MOFs的结构优势、生物催化剂复合策略、限域效应对催化性能的影响机制以及其在生物传感、手性合成、生物燃料和环境修复等方面的典型应用，并对当前面临的挑战及未来发展方向进行了展望。本文为MOFs-生物催化复合体系的理性设计与性能优化提供了系统性的理论依据与研究思路，并为其在绿色制造与可持续生物过程中的工程化应用提供了参考。

摘要:目前，在光驱动化学合成领域，如何实现高效、稳定的太阳能转化仍是亟待解决的关键问题。通过模拟自然光合作用，利用太阳能可持续制备高附加值化工产品与清洁燃料已成为研究热点。其中，全细胞光敏化生物复合系统因结合了半导体材料优异的光捕获能力与细胞内生物催化剂的高度特异性，展现出实现太阳能向化学能高效转化的巨大潜力，成为跨学科探索的前沿方向之一。该系统的持续深入研究有望推动生物-非生物界面的重要突破，并为多学科交叉融合提供新的契机。本文系统阐述了全细胞生物复合系统的核心构成，并重点总结了其在二氧化碳还原、固氮、产氢及其他化学转化领域的研究进展。本文对于理解生物-非生物界面的光生电荷转移机制、指导高效光驱生物催化系统的理性设计具有重要参考价值，并为推动太阳能向化学能转化的实际应用提供了新思路。

摘要:蓝细菌作为一类原核光合微生物，因其可利用光能和二氧化碳进行自养生长，近年来在合成生物学与绿色生物制造领域受到广泛关注。构建高效、可控的基因表达调控系统是实现蓝细菌代谢工程精确调控与异源产物高效合成的关键环节。本文综述了近年来在蓝细菌中开发的诱导表达调控系统的研究进展，重点介绍了常用的化学诱导系统、光控表达系统及其在不同蓝细菌菌株中的适用性与调控特性。同时，比较了各类系统的诱导强度、背景表达水平、可扩展性，并探讨了当前系统在实际应用中存在的挑战，如调控泄露、系统稳定性和宿主特异性问题。最后，本文展望了通过合成生物学手段发展新型诱导表达系统、模块化调控回路以及环境响应型表达系统的发展趋势，为构建更为高效、可调且环境友好的蓝细菌表达调控系统提供了参考。

摘要:7-氨基头孢烷酸(7-aminocephalosporanic acid, 7-ACA)作为头孢类抗生素的关键中间体，其绿色高效合成技术已成为生物医药制造领域的研究热点。为揭示全球7-ACA生物合成技术的创新态势与竞争格局，本文基于Incopat专利数据库，采用专利计量与可视化分析方法，对1956-2024年的相关专利进行系统性梳理。结果表明，全球7-ACA生物合成技术研发历经3个阶段：1956-1987年为技术探索期，1988-2010年进入快速发展期，2011年后我国成为主要专利贡献者，进入格局重塑期。技术方向上，头孢菌素C酰化酶相关专利数量最多(73项)，其中“酶改造”为最活跃分支；菌种改造聚焦于顶头孢霉、酿酒酵母等多菌株平台构建。专利申请人分析显示，皇家帝斯曼集团(DSM)以历史布局见长，而中国科学院天津工业生物技术研究所、艾美科健株式会社、伊犁川宁生物技术股份有限公司等机构在有效专利与审中专利方面表现突出，展现出强劲的持续创新能力。专利布局方面，建议我国专利加强PCT (patent cooperation treaty)途径国际布局、构建组合式专利壁垒，并推动产学研协同创新，以提升我国在高端医药中间体领域的全球竞争力。本文为技术路线识别、专利布局、产业发展竞争、产学研协同方向把控等方面提供了参考，为我国7-ACA产业发展提供了重要专利情报，也为其他抗生素中间体研究提供了借鉴。

摘要:微藻是一类可持续、绿色高效的生物质资源，微藻生物技术具有巨大发展潜力，被广泛应用于食品、能源、环境和健康等领域。为了提高微藻的单位面积产量和产业的生产效率，选择合适的生产设施建设地点尤为重要。我国西南干热河谷地区日照时间长、气温高、气候干旱、平地少、山地多并且交通不便，传统农业发展受到自然和人文条件限制，但是这种气候地理条件适宜发展微藻生物技术产业。本文从气候、地理环境和经济社会等方面论述了干热河谷地区发展微藻生物技术产业的优势，总结了微藻生物技术在生产类胡萝卜素、处理畜禽养殖废水和生产人类未来食品等领域的应用前景，期望未来能够在干热河谷地区加强对微藻生物技术的研发、推广和应用，从而推动我国微藻生物技术产业升级发展，为人类社会实现可持续发展目标作出贡献。

摘要:对香豆酸是一种重要的活性天然产物，也是合成下游苯丙素类化合物的重要前体。与植物提取和化学合成方法相比，微生物合成对香豆酸具有环境友好、生产周期短且转化效率高的独特优势。链霉菌具有完整的莽草酸途径和丰富的芳香族氨基酸代谢网络，是生产对香豆酸的潜力底盘。本研究旨在通过异源表达不同来源的酪氨酸解氨酶基因，并结合发酵条件优化和前体添加策略，在天蓝色链霉菌中高效异源合成对香豆酸。以天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor) M145为底盘，异源表达了来源于棒状链霉菌(Streptomyces clavuligerus)的ScTAL和荚膜红细菌(Rhodobacter capsulatus)的RcTAL这2种酪氨酸解氨酶基因，成功实现了对香豆酸的异源生物合成。通过发酵培养基优化，使用TSB (糊精)培养基有效解决了菌丝体在发酵后期的自溶问题，平衡了菌株生长与产物合成，使对香豆酸产量达到25.07 mg/L。在此基础上，通过外源添加l-酪氨酸前体，进一步将菌株单细胞的对香豆酸生产能力提升至原来的1.53倍，摇瓶发酵产量达到27.27 mg/L。本研究证实了天蓝色链霉菌作为生产对香豆酸底盘的潜力，为在链霉菌中高效合成下游苯丙素类高值天然产物奠定了基础。

摘要:牛源酪蛋白巨肽(bovine casein macropeptide, bCMP)是κ-酪蛋白经凝乳酶水解生成的糖基化多肽，具有抗氧化、抗炎、调节肠道菌群等生物活性。为实现bCMP的高效异源表达，本研究构建了毕赤酵母表达系统，系统优化启动子、信号肽及诱导条件以提升其表达水平。首先在成功构建bCMP表达菌株并验证其能够正确表达的基础上，建立了bCMP与绿色荧光蛋白的融合表达系统，借助荧光强度监测目标蛋白表达，筛选到最适启动子pAOX1后，分析比较了信号肽α-factor、SCW、PHO1、SUC和Cel5A对融合蛋白分泌水平的影响，筛选获得促分泌表达效果最佳的α-factor。进一步通过易错PCR构建pAOX1人工合成启动子突变文库，结合流式细胞分选技术获得表达强度提升59%-160%的突变体pAOX1-1-6。最后，通过培养参数优化确定最佳条件为甲醇诱导浓度1.5%、诱导pH 7.5、初始OD₆₀₀ 4.0及26 ℃，表达量较初始条件提升240%。最终，在综合上述优化策略后，bCMP在毕赤酵母中的产量达到1.02 g/L。本研究不仅建立了bCMP的毕赤酵母异源表达体系，获得了一系列具有应用潜力的新型pAOX1启动子突变体，也为其他哺乳动物源功能蛋白在毕赤酵母中的高效异源表达提供了有效策略和关键调控元件。

摘要:2,5-呋喃二甲酸(2,5-furandicarboxylic acid, FDCA)作为最具代表性的平台化合物，可用于替代石油基的对苯二甲酸，在可降解塑料等领域有着广泛的应用前景。传统的热催化和电化学催化法生产FDCA存在催化剂稳定性差、需要强碱环境等问题；而生物催化反应条件温和，但截至目前相关研究较少，同时生物法转化率和生产强度相对较低。为探索FDCA的生物合成路径，提高生物催化剂的稳定性与FDCA的合成效率，构建绿色低碳的生产体系，本研究以2,5-二甲酰基呋喃(furan-2,5-dicarbaldehyde, DFF)为底物，筛选得到1株高产FDCA的乌鲁木齐奇异球菌(Deinococcus wulumuqiensis) DWCS-2，通过限制性因素分析和过程强化，在摇瓶水平成功将10 g/L DFF完全催化为12.5 g/L FDCA。随后将催化体系扩大至5 L发酵罐，通过分批次补加底物，FDCA产量最高达到18.8 g/L，转化率达到99%。本研究有利于进一步推进FDCA的生物法合成。

摘要:重组弹性蛋白因优异的生物相容性、可调控的机械性能及仿生微环境特性，在生物医药与食品领域具有广阔应用前景，但生产效率低下制约了其产业化。为解决这一问题，本研究通过多阶段优化策略，建立了稳定高效的规模化制备工艺。首先，对ure(80)进行密码子优化，产量提高至0.42 g/L。通过靶向截短分析，定位第50-59位氨基酸为限制表达的关键区域，进而对该区域进行二次密码子与mRNA结构优化，并结合核糖体结合位点(ribosome binding site, RBS)理性设计，构建高产工程菌株大肠杆菌(Escherichia coli) BL21(DE3)/pET-28a-80opt-R1，产量达0.62 g/L，较初始提高2倍。其次，采用无机盐培养基，通过响应面法优化碳源、氮源、微量元素及维生素B1等组分，同时优化诱导温度、时间、pH及IPTG浓度等发酵参数，使蛋白产量提升至3.5 g/L。经发酵罐放大，利用其优异的传质与控制能力，最终产量达5.0 g/L，较初始产量(0.3 g/L)提高16.7倍。细胞功能验证表明，增殖与黏附能力未受影响。本研究为重组弹性蛋白的规模化制备提供了可靠工艺，也为其他复杂蛋白的产业化提供了参考路径。

摘要:为探究外源氮源转运相关基因对解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)脂质合成的影响，挖掘氮源转运与油脂积累的关联机制，本研究将圆红冬孢酵母(Rhodosporidium toruloides)来源的2个硝酸还原酶基因及1个硝酸盐转运蛋白基因，整合至解脂耶氏酵母基因组中实现异源表达，系统探究了这类氮代谢相关基因对宿主菌株脂质合成能力的调控作用。结果表明，引入上述外源基因可显著提高脂质产量，其中异源表达硝酸盐转运蛋白的工程菌株Po1g-NT17表现最为突出：以硝酸铵为氮源时，其脂质含量达34.49%，较对照菌株提高28.22%。进一步的实时荧光定量PCR (real-time quantitative polymerase chain reaction, RT-qPCR)分析表明，该硝酸盐转运蛋白通过协同调控氮代谢与脂质合成通路发挥作用：一方面显著上调脂质合成关键基因(dga2, fas1/fas2, acc, acs, acl-β)，强化合成通量；另一方面下调脂质降解相关基因(faa1, mfe1, tgl3)，减少脂质降解。本研究揭示了氮代谢基因调控解脂耶氏酵母脂质生物合成的潜在分子机制，为通过改造氮代谢途径优化脂质合成提供了可行策略，也为微生物油脂的工业化生产提供了理论基础与技术支撑。

摘要:巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris) AOX1启动子通常依赖甲醇诱导，但甲醇在工业发酵中存在安全性和工艺复杂性等问题。山梨醇因安全性高、对AOX1启动子具有弱阻遏性等特点，成为替代甲醇进行诱导表达的潜力碳源。为降低AOX1启动子体系对甲醇的依赖，本研究以分泌表达软骨素水解酶的工程菌GS-aCe为模型，通过转录调控与碳源代谢协同改造，构建以山梨醇替代甲醇的AOX1启动子表达体系。结果表明，过表达转录激活因子Mit1后，工程菌GS-aCe-Mit1在山梨醇条件下可有效激活AOX1启动子，其酶活达到对照菌GS-aCe在甲醇条件下的91.6%，但生长和碳源利用受限。进一步共表达山梨醇脱氢酶(sorbitol dehydrogenase, SDH)和己糖激酶(hexokinase, HK)强化山梨醇同化代谢，构建的GS-aCe-Mit1-SH显著改善了生长性能。在1 L发酵罐中，其山梨醇消耗量和生物量较GS-aCe-Mit1分别提高82.0%和90.5%，最终生物量较甲醇诱导体系提高10.6%，酶活得率达到1.10×10? U/g，与甲醇诱导体系(1.14×10? U/g)相当，且未观察到山梨醇残留。本研究通过整合Mit1介导的AOX1转录激活与山梨醇同化代谢增强，实现了毕赤酵母在非甲醇条件下的高效外源蛋白表达，为AOX1启动子体系的安全碳源替代提供了实验依据。

摘要:l-缬氨酸具有广泛市场需求，目前工业生产l-缬氨酸方法主要是微生物发酵法。随着代谢工程策略的不断组合叠加，理性改造菌株代谢l-缬氨酸遇到瓶颈导致产量提升受限；非理性改造策略作为提升目标产物合成效率的一种补充策略被广泛应用于生物领域，然而非理性改造面临菌株突变文库庞大、传统高产菌株筛选方式耗时长、效率低等困境，因此需要一种快速高效筛选目标产物的工具缩短非理性改造菌株的周期。本研究基于一株经理性代谢工程改造的谷氨酸棒状杆菌l-缬氨酸生产菌SX-4，构建了一种与l-缬氨酸浓度呈正相关的生物传感器。通过更换不同强度的核糖体结合位点(ribosome binding site, RBS)序列优化响应精准度、拓宽响应范围；进一步利用常压室温等离子体诱变(atmospheric and room temperature plasma, ARTP)技术构建大量诱变菌株文库，并利用液滴微流控技术实现了l-缬氨酸高产菌株的高通量筛选。所获得的菌株A23于摇瓶培养48 h，l-缬氨酸产量为21.36 g/L，相较于出发菌株提升了46.5%。本研究为其他氨基酸非理性改造研究提供了理论基础与借鉴。

摘要:对抗生素生产菌而言，提高产物外排可以缓解产物对于生产菌的毒性，同时也是提高抗生素产量的重要工程策略。本研究旨在阐明红色糖多孢菌中红霉素外排转运系统的分子机制，并探索通过强化外排能力提升红霉素产量的工程改造策略。以红色糖多孢菌(Saccharopolyspora erythraea)中负责红霉素外排的ABC转运系统SACE_2701-2702为研究对象，对SACE_2701-2702蛋白的序列结构分析表明，此系统为典型的I型ABC转运系统，跨膜蛋白SACE_2702多富集在红色糖多孢菌的膜蛋白组分中。在红霉素低产野生型菌株S. erythraea NRRL23338及高产工业菌株Ser0中分别对该系统进行过表达，获得重组菌株Se-2702与S0-2702。摇瓶发酵7 d后，Se-2702红霉素效价为31.2 mg/L，较对照菌株提升168.0%，外排比例提高24.4%；S0-2702红霉素效价达926.9 mg/L，较对照菌株提升15.6%。外排系统的过表达显著增强了低产菌株对于高浓度红霉素的耐受能力，赋予了工程菌株在发酵后期的生长优势。本研究证明了定向增强SACE_2701-2702介导的红霉素主动外排可有效解除产物对于生产菌的毒性胁迫，且在不同的菌株遗传背景下均可实现红霉素产量的提升，为红霉素生产菌株的理性代谢工程改造提供了通用策略。

摘要:为了契合“双碳”目标下的CO₂资源化利用需求，采用培养基优化与发酵工艺调控提高伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii)乙酸产量和气体利用能力，是一种有效的工艺优化策略。本研究对实验室适应性进化(adaptive laboratory evolution, ALE)得到的A. woodii SL70菌株进行培养基优化及发酵工艺调控提高其产乙酸能力。首先，通过单因素实验和响应面优化的方法，确定了最佳培养条件为气体比例H₂:CO₂=70:30，NaCl 5 g/L，酵母浸粉4 g/L。进一步在10 L生物反应器中进行发酵工艺调控，将通气量由1 L/min提高至2 L/min，罐压由1.2 bar提升至1.5 bar，使乙酸含量从19.18 g/L提升至41.87 g/L (产量提升118.3%)，且生物量与产物合成的协同性及发酵稳定性显著改善。本研究为A. woodii的工业化应用提供了高效菌株的发酵培养基配方及发酵工艺参数，为CO₂定向转化为高附加值乙酸盐类产品提供了技术支撑。

摘要:酰胺键在蛋白质、药物、农用化学品的合成中起着至关重要的作用，尤其在制药领域具有重要意义，是许多药物的关键砌块单元，如阿法替尼(抗癌药物)、特立氟米特(用于多发性硬化症治疗)、乙酰布洛尔(用于高渗和心律失常治疗)和扑热息痛(解热镇痛剂)。然而，传统的化学合成方法通常需要严苛的反应条件(如高温、高压或强酸强碱环境)，并伴随较高的能源消耗和环境污染问题。相比之下，酶法合成酰胺具有条件温和、环境友好等优势，受到广泛关注。本研究旨在挖掘高活性和稳定性的祖先脂肪酶，并探究其酶学性质，实现酰胺键化合物的高效酶法合成。基于祖先序列重建(ancestral sequence reconstruction, ASR)的基因挖掘策略筛选祖先脂肪酶，并对其进行了酶学性质表征，构建酶促酰胺键合成反应体系。通过祖先序列重建获得了具有更高热稳定性的祖先酶ASR-1和ASR-7；通过底物谱表征发现ASR-1偏好催化合成芳香酰胺，ASR-6偏好脂肪酰胺的合成。对ASR-1进行了镍柱纯化和酶学性质表征，发现其最适反应pH值为7.5，使用Tris-HCl缓冲体系，最适反应温度为40 ℃。进一步系统优化了反应条件对酰胺合成的影响，最佳反应条件为10 mg/mL湿细胞、含水量≤10% (体积分数)、正十二烷为溶剂、底物胺为20 mmol/L、酰基供体为10 mmol/L，酰胺的收率为73.25%。本研究为开发高效、稳定的酰胺酶法合成工艺提供了新策略，展现了祖先脂肪酶在绿色生物制造中的良好应用前景。

摘要:手性酮类化合物的高效不对称合成是绿色生物制造的重要挑战。为解决天然仲胺酶稀缺及现有人工酶对酮类底物活化能力不足的问题，本研究基于乳酸乳球菌多药耐药调节因子(LmrR)蛋白骨架，通过二硫键共价修饰策略，将含有芳香仲胺中心的异吲哚啉(isoindoline, IIDN)引入其疏水空腔，构建了一种新型人工仲胺酶LmrR_V99C_IIDN。该酶能够通过烯胺催化机制活化不饱和烯酮底物，催化其与丙二酸二苄酯的不对称迈克尔加成反应。经过位点筛选与定向进化，获得最优突变体LmrR_V99C_N19Y_IIDN，其对环己烯酮的催化反应产率达73%，对映选择性为65%。底物拓展研究表明，该酶对环状烯酮(如环己烯酮、环戊烯酮)表现出良好催化活性与立体选择性，而对链状烯酮的催化效率较低。本研究为酮类化合物的不对称功能化提供了新型生物催化工具，并展示了非天然催化中心与蛋白质骨架协同调控反应选择性的潜力，为拓展人工酶在复杂手性分子合成中的应用奠定了基础。

摘要:二氢燕麦生物碱D (dihydroavenanthramide D, DHAvD)，是一种芳香族酰胺，具有消炎、止痒、抗氧化等功效，目前主要通过化学合成生产。脂肪酶能够催化酯或酸的氨解反应来合成一系列的酰胺化合物，但由于合成DHAvD的胺基供体存在邻位甲酸取代基，导致其酶促反应难度较大。针对这一挑战，本研究旨在挖掘具有邻位取代苯胺耐受性的新型脂肪酶，并建立合适的DHAvD酶促合成体系。本研究通过基因挖掘成功筛选得到一种来源于维蒂希氏根杆状菌(Rhizorhabdus wittichii)的脂肪酶RWL，该酶能够接受邻氨基苯甲酸(2-aminobenzoic acid, 2-AA)作为胺基供体在水相中与对羟基苯丙酸甲酯[methyl 3-(4-hydroxyphenyl)propionate, MHPP]或对羟基苯丙酸(p-hydroxyphenylpropionic acid, PHBPA)合成DHAvD。为促进合成反应的进行，建立了羧酸和酯这2种底物各自最佳的有机相反应体系(MHPP/正己烷、PHBPA/甲基叔丁基醚)，产率由0.1% (水相)提升至3.9%。在此基础上，结合分子对接指导的丙氨酸扫描突变及饱和突变对活性口袋进行改造，获得了合成活性提升1.55倍的最佳突变体H245S，产率进一步提升至6.1%。本研究首次实现了DHAvD的酶促合成，并系统研究了其酶学性质，这为后续的工作奠定了基础，也为其他脂肪酶的研究提供了理论和技术参考。

摘要:异麦芽酮糖具有抑制脂肪累积、改善肠内菌群平衡、预防糖尿病等优良的生理功能，在食品工业领域广泛应用。目前，主要通过蔗糖异构酶催化生产异麦芽酮糖。这种生产方式酶转化蔗糖效率低、产物分离提取步骤繁琐、副产物占比多等问题，已成为异麦芽酮糖的工业化生产发展道路上的阻碍。因此，探索以高效经济的方式生产异麦芽酮糖已经成为当下的一个研究热点。本研究结合定点突变和表面展示这2种技术，对克雷伯氏菌(Klebsiella sp.) LX3来源的蔗糖异构酶的关键位点进行突变，以来自解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)的细胞壁蛋白Pir1作为锚定蛋白，将蔗糖异构酶突变体展示于酵母表面，构建蔗糖异构酶突变体全细胞催化剂，同时对其启动子进行优化提高其展示效率，并对突变体酶学性质、转化产物、循环使用稳定性、展示效率进行分析。组合突变体PR424A&S431A’的酶活力最高达到2 296.9 U/g细胞干重(dry cell weight, DCW)，平均荧光强度为1 246，分别是P_hp4d启动子调控下的1.64、2.13倍。对各突变体全细胞催化剂的酶学性质、转化产物及循环使用稳定性进行分析，结果表明各突变体全细胞催化剂的酶学性质与野生型相比均未发生变化；产物转化率较野生型相比均有所提高，其中，突变体PR424A&S431A转化产物中异麦芽酮糖含量提高了5.14%；循环使用次数与野生型相比一致，均为20个循环，具有较好的循环使用稳定性。本研究深入分析了蔗糖异构酶突变体全细胞催化剂的性质和应用潜力，同时也为异麦芽酮糖的工业化生产探索了新的思路和方法，具有重要的理论价值和实际应用意义。

摘要:尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphosphate-glucose, UDPG)是合成糖苷类化合物的关键糖基供体，蔗糖合酶(sucrose synthase, SuSy)可催化蔗糖与尿苷二磷酸(uridine diphosphate, UDP)高效合成UDPG。然而，野生型蔗糖合酶热稳定性的不足直接影响了UDPG的生产效率。为提升拟南芥(Arabidopsis thaliana)来源蔗糖合酶AtSuSy的热稳定性，本研究通过理性设计获得突变体M5 (G744A/N619P/N776H/N192P/N131P)。该突变体在50 ℃和55 ℃下的半衰期分别达到679.4 min和110.0 min，较野生型分别提高15.8倍和8.5倍。此外，其半失活温度(T₅₀)较野生型升高4.5 ℃，比酶活达野生型的1.7倍。进一步采用双酶级联分批补料策略，实现了红景天苷的高效合成，产量达23.8 g/L，较野生型提高78.9%，为糖苷类化合物的高效制备提供了一种有效的酶催化策略。

摘要:烟酰胺核糖(nicotinamide riboside, NR)是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD?)的重要前体分子，因其具有抗衰老活性及多种药理活性而受到广泛关注。为了开发一种高效、可持续且环境友好的合成方法，本研究基于模块化代谢工程策略，构建了一株以烟酰胺为底物高效合成NR的工程菌株。首先，通过敲除rihA等6个基因，阻断了NR及其关键中间体的降解途径；其次，引入关键酶BaPrs^L135I和NR转运蛋白MdtL，显著提高了NR的积累与外排能力；随后敲除pncA优化了烟酰胺利用效率；进一步通过解除purR介导的反馈调控并增强磷酸戊糖途径，有效提高前体物质的供给能力。在上述多模块协同优化的基础上引入毒素-抗毒素系统，在无抗生素添加的条件下，工程菌株NK22在摇瓶发酵36 h时NR产量达到3.84 g/L；在5 L补料分批发酵罐中，NR产量达到27.23 g/L。本研究创制得到的发酵过程中无需添加抗生素的新一代NR生产菌株，为高效、可持续的NR及其高值衍生物微生物细胞工厂构建提供了思路与参考。

摘要:甲酸作为可持续的C1原料，具有来源广泛、水溶性良好等优点，是传统糖基原料的理想替代品。目前，微生物利用甲酸效率低下，导致细胞生长速率缓慢，从而降低了菌株的生产性能。为提升微生物甲酸利用效率，本研究以大肠杆菌BW25113作为底盘菌株，将其改造为甲酸依赖型菌株并引入还原甘氨酸(reductive glycine pathway, rGly)途径，获得甲酸消耗速率为87.2 mg/(g DCW ·h)的菌株WZ-3。在此基础上，对rGly途径中的四氢叶酸循环(tetrahydrofolic acid, THF)与甘氨酸裂解系统(glycine cleavage system, GCS)的表达水平进行组合优化并引入甲酸脱氢酶(formate dehydrogenase, FDH)，获得菌株WZ-15，其甲酸消耗速率提升至158.6 mg/(g DCW ·h)。为了满足甲酸同化所需的NADH与ATP，构建了硫化镉(cadmium sulfide, CdS)人工杂化光合系统，通过捕获光能促进胞内NADH与ATP再生，获得菌株WZ-16，其 OD ₆₀₀与甲酸消耗速率分别提高至1.86、185.5 mg/(g DCW ·h)。在此基础上，通过强化 l-苏氨酸合成路径，获得菌株WZ-21，该菌株在5 L发酵罐中利用30 g/L葡萄糖和5.4 g/L甲酸混合底物可生产6.2 g/L的 l-苏氨酸。本研究成功实现了葡萄糖与甲酸向 l-苏氨酸的转化，为基于C1原料的绿色生物合成提供了新策略。

摘要:戊二酸是聚酯、聚酰胺等高分子材料的重要合成单体，但其生物制造效率长期受限。本研究针对戊二酸生物合成过程中的关键代谢瓶颈，构建了一株高产戊二酸的谷氨酸棒杆菌细胞工厂。首先，将戊二酸合成途径基因整合至高产赖氨酸的谷氨酸棒杆菌基因组中，获得出发生产菌株。随后，通过模块化代谢工程策略强化合成模块并阻断副产物生成途径，使戊二酸产量提升至78.67 g/L。针对α-酮戊二酸耗竭的问题，引入由l-谷氨酸氧化酶与过氧化氢酶构成的辅因子再生循环，进一步将戊二酸产量提高至84.43 g/L。最后，在5 L发酵罐中对pH和温度进行优化调控，使戊二酸产量达到97.63 g/L，糖酸转化率为0.36 g/g。本研究为利用谷氨酸棒杆菌构建高产戊二酸的细胞工厂奠定了基础。

摘要:赤霉素A₃ (gibberellin A3, GA₃)作为一种高活性的植物生长调节剂，在农业生产中广泛应用。为构建高效合成GA₃的微生物细胞工厂，本研究以酿酒酵母C800为底盘菌株成功实现了GA₃的从头合成。首先，基于藤仓赤霉菌的赤霉素合成途径，整合GA₃合成的关键基因，同时结合甲羟戊酸途径关键基因(tHMG1、IDI1)过表达，使GA₃产量达到595 μg/L。之后，为增强P450酶的催化效率，优化了胞内还原型辅酶II (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)和血红素供应，通过过表达ZWF1、POS5Δ17及HME3，使GA₃产量提高至1.73 mg/L。接着，通过整合拟南芥来源的膜结合支架蛋白AtMSBP1，将P450酶与细胞色素P450酶氧化还原伴侣(cytochrome P450 reductase, CPR)共定位于内质网膜区域，增强二者的空间邻近性与功能耦合，GA₃产量进一步提高至4.32 mg/L。最后，经5 L发酵罐高密度补料发酵，GA₃产量提升至14.17 mg/L。结果表明，本研究所构建的工程菌株具备良好放大潜力与代谢稳定性，为赤霉素的微生物制造提供了可行策略。

摘要:为解决工业化生产中篮式生物反应器取样受限的问题，本研究通过建立犬肾(Madin-Darby canine kidney, MDCK)贴壁细胞生长代谢动力学模型，预测篮式生物反应器生产过程中细胞数量、营养物和代谢产物浓度。分析了前期实验收集的MDCK贴壁细胞在5 L篮式生物反应器培养不同时间点细胞密度、葡萄糖和乳酸浓度数据，使用MATLAB软件进行非线性拟合。本文模型以Logistic方程和Luedeking-Piret方程为基础建立，并额外添加了灌流稀释项以适应灌流培养模式。通过拟合优度计算、回归分析和误差分布分析评价模型预测能力，并在40 L篮式生物反应器中对该模型的跨规模预测性能进行了检验。结果显示，MDCK细胞在5 L篮式生物反应器培养至96-108 h达到平台期，最大细胞密度为(795.13±16.22)×10⁴ cells/mL。细胞比生长速率在36 h时达到最大，为1.01/d。平台期葡萄糖的最大消耗速率是1.71 mmol/(L·h)，乳酸的最大生成速率是2.21 mmol/(L·h)。使用5 L反应器培养数据构建的MDCK细胞生长代谢动力学模型拟合优度良好，R²均大于0.95。在40 L篮式生物反应器的3批验证培养中，模型预测曲线与取样离线检测数据吻合度高，R²均大于0.95。在培养第96、120小时取样离线消化读细胞数，离线检测数值与模型预测数值没有显著差异(P=0.48, P=0.92)。结果表明基于5 L反应器建立的动力学模型可以有效地跨规模预测40 L反应器中MDCK细胞的生长和代谢状态，同时证明了5 L和40 L反应器的培养效果相似。本研究的动力学模型能够量化细胞生长、葡萄糖消耗和乳酸生成的速率，为篮式生物反应器培养工艺优化和生产操作提供理论依据，同时为疫苗企业产品质量控制提供辅助。

摘要:我国饲用蛋白资源高度依赖进口，充分挖掘非常规蛋白资源有望从根源上解决我国饲用蛋白短缺的问题。然而，目前非粮生物质发酵产饲料蛋白过程多参数复杂耦合，传统发酵条件优化方法难以捕捉各变量间非线性关系，效率较低。本研究旨在通过机器学习构建精准高效的预测模型优化发酵条件，基于前期非粮生物质固态发酵产饲料蛋白的数据集，以发酵时间、温度、pH值、氮源添加量等13种发酵条件为变量，发酵后真蛋白含量为响应变量，分别采用留出法和留一交叉验证法，对比了3种线性模型和3种非线性模型对真蛋白产量的预测性能。结果表明，在留一交叉验证法下，非线性模型对非粮生物质固态发酵产饲料蛋白过程预测性能优于线性模型，其中类别型特征提升(categorical boosting, CatBoost)模型的决定系数R²高达0.84，均方根误差(root mean square error, RMSE)为0.98，具有最佳预测性能。利用训练的CatBoost模型，对固态发酵产饲料蛋白过程中8种变量设置步距，比较了8 225 290组发酵条件的真蛋白产量，发现3种底物和菌群组合的预测真蛋白含量高于数据集中的最高值。采用对氨预处理小麦秸秆和驯化菌群组合预测的最佳条件进行固态发酵实验，真蛋白含量为16.51%，比优化前提升了18.43%，同时发酵时间缩短了108 h，氮源添加量减少了40%，能大幅降低生产成本。本研究通过机器学习有效提高了固态发酵产饲料蛋白过程优化效率，将为开发非粮生物质资源、缓解我国饲料蛋白短缺奠定理论和应用基础。

摘要:聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)是全球产量最大的合成聚酯之一，其废弃物难以降解，导致了严重的环境污染。酶法降解被认为是实现PET绿色循环利用的理想途径之一，但天然PET水解酶催化活性有限，且传统筛选方法存在通量低、耗时长等瓶颈。为突破传统筛选方法在通量和效率上的限制，本研究构建了一种兼具底物真实性与高检测灵敏度的荧光纳米探针技术，并在超高通量荧光激活液滴分选(fluorescence-activated droplet sorting, FADS)平台实现整合，用于PET水解酶的单细胞水平筛选与定向进化。通过将荧光素二月桂酸酯(fluorescein dilaurate, FDL)包埋于PET基质中，制备了PET-FDL NPs荧光纳米探针。结合大肠杆菌表面展示技术，构建了mScarletI-叶枝堆肥角质酶(leaf-branch compost cutinase, LCC)融合蛋白表达体系，并建立了基于荧光素/mScarletI双荧光比值的定量评价方法。利用FADS技术对易错PCR (error-prone PCR, epPCR)构建的LCC突变库进行了筛选，筛选通量可达10⁷个液滴/d。微孔板复筛结果表明，该策略将阳性克隆的命中率由传统平板筛选的约5%提升至44%，形成了面向PET水解酶定向进化的稳健、可扩展筛选流程。

摘要:为提升病毒样颗粒疫苗的抗原展示密度与稳定性，开发T4噬菌体作为新型的高容量展示与递送平台。T4噬菌体具有结构稳定、载量高及易于生产等优势，但其衣壳表面高拷贝内源Soc蛋白的存在严重限制了外源蛋白的有效展示。本研究采用CRISPR/Cas9系统对T4噬菌体的Soc基因进行定向敲除，以克服上述空间限制。通过将pCas、pTargetF-sgRNA与pMD19-T-Soc-arm三质粒系统共转化至大肠杆菌TG1，经l-阿拉伯糖诱导Cas9表达后，利用野生型T4噬菌体(命名为T4 WT)侵染工程菌，成功实现Soc基因的敲除。实验结果表明，经PCR、SDS-PAGE及测序验证，成功构建Soc基因缺失型T4噬菌体突变株(命名为T4ΔSoc)。该突变株在生长、热稳定及pH稳定性方面与野生型相当，并保持完整感染活性；连续传代5代后，其基因组、蛋白质组成及噬菌斑表型均保持稳定，未发生回复突变。综上，T4ΔSoc遗传与表型稳定，有效突破了T4 WT展示空间受限的限制。本研究为构建高效、稳定的抗原展示与疫苗递送平台提供了可靠的载体工具与技术基础，在疫苗研发及靶向递送系统构建中具有较好的应用潜力。

摘要:生物制造是以生物体系为核心工具、以生物质为主要原料，通过生物合成与转化实现物质合成和加工的生产方式，是前沿生物技术在制造业领域的具体应用。生物制造产业链条长，涉及领域范围广，技术体系复杂。针对当前相关研究中技术分类分散、工程化与产品开发环节关注不足、缺乏统一分析框架等问题，本文提出“生物体系构建技术-生产过程技术-产品开发技术”三级技术框架，并据此系统分析我国生物制造技术的发展现状、优势与面临的挑战。在此基础上，提出加快生物制造技术创新与产业发展的相关建议，为政策制定和产业布局提供参考。