应用代谢网络模型解析工业微生物胞内代谢 被引量：8

1

作者 叶超 徐楠 +1 位作者 陈修来 刘立明 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第10期1901-1913,共13页

为了快速、高效地理解工业微生物胞内代谢特征,寻找潜在的代谢工程改造靶点,基因组规模代谢网络模型(GSMM)作为一种系统生物学工具越来越受到人们的关注。文中在回顾GSMM 20年发展历程的基础上,分析了当前GSMM的研究现状,总结了GSMM的... 为了快速、高效地理解工业微生物胞内代谢特征,寻找潜在的代谢工程改造靶点,基因组规模代谢网络模型(GSMM)作为一种系统生物学工具越来越受到人们的关注。文中在回顾GSMM 20年发展历程的基础上,分析了当前GSMM的研究现状,总结了GSMM的构建及分析方法,从预测细胞表型和指导代谢工程两个方面阐述了GSMM在解析工业微生物胞内代谢中的应用,并展望了GSMM未来的发展趋势。 展开更多

关键词 微生物胞内代谢 生产性能 基因组规模代谢网络模型 系统生物学

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大肠杆菌FMME-N-26生产琥珀酸的发酵条件优化和放大 被引量：3

2

作者 刘佳 唐文秀 +4 位作者 王学明 郭亮 陈修来 高聪 刘立明 《过程工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第7期853-862,共10页

琥珀酸(Succinic acid)被认为是白色生物技术生产的最具潜力的大宗化学品之一,在工业上具有广泛的应用。微生物发酵生产琥珀酸具有环境友好和可持续发展等优点,展现出良好的发展前景,但是存在得率低、副产物积累、生产强度低等问题。为... 琥珀酸(Succinic acid)被认为是白色生物技术生产的最具潜力的大宗化学品之一,在工业上具有广泛的应用。微生物发酵生产琥珀酸具有环境友好和可持续发展等优点,展现出良好的发展前景,但是存在得率低、副产物积累、生产强度低等问题。为了实现琥珀酸的高效生产,在3.6 L发酵罐中对E. coli FMME-N-26生产琥珀酸发酵条件和补料策略进行了优化,建立了好氧-厌氧两阶段发酵工艺,最终确定发酵策略为:有氧发酵8 h后转为厌氧发酵,MgCO为pH中和剂,发酵72 h补加抗渗透压保护剂2 mmol/L甜菜碱,厌氧阶段控制葡萄糖浓度为1~5 g/L。优化后发酵72 h,琥珀酸的产量和厌氧阶段得率分别达到119.2 g/L和1.08 g/g葡萄糖(理论得率97%),分别比优化前提高了46.4%和4.8%,副产物乙酸和乳酸仅积累2.37和0.94 g/L,分别比优化前降低了37.1%和49.2%。在1000 L发酵罐中实现中试放大生产,E. coli FMME-N-26生产琥珀酸的产量、得率和生产强度在国内外属于领先水平,为琥珀酸工业化生产奠定了坚实的基础,同时也为其他高价值化学品的生产提供了借鉴。 展开更多

关键词 琥珀酸 大肠杆菌 发酵优化 渗透压 pH中和剂

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代谢工程改造大肠杆菌生产戊二酸

3

作者 张芝兰 高聪 +5 位作者 郭亮 陈修来 魏婉清 吴静 宋伟 刘立明 《过程工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第9期1340-1351,共11页

戊二酸是一种重要的中间体,在化工、农业和医药等领域有着广泛的用途。目前,戊二酸的生物合成途径存在合成路径冗长、辅因子消耗多和产物得率低等问题。为开发高效的戊二酸合成方法,将酶工程与代谢工程相结合,构建了一条以葡萄糖为底物... 戊二酸是一种重要的中间体,在化工、农业和医药等领域有着广泛的用途。目前,戊二酸的生物合成途径存在合成路径冗长、辅因子消耗多和产物得率低等问题。为开发高效的戊二酸合成方法,将酶工程与代谢工程相结合,构建了一条以葡萄糖为底物生产戊二酸的新途径。首先,通过数据库挖掘设计了一条由赖氨酸α氧化酶(LO)、单胺氧化酶(MAO)、α-酮酸脱羧酶(KDC)和醛脱氢酶(ALDH)组成的新型催化途径,引入赖氨酸生产菌株Escherichia coli(E.coli)CCTCC M2019435后实现了戊二酸的从头合成;为进一步提高该路径的合成效率,针对路径的限速酶Kp ALDH进行理性分析和蛋白质改造,使酶的酶活提高了61.0倍;在此基础上,通过代谢工程强化限速酶Kp ALDH的表达并阻断副产物乙酸代谢支路,使戊二酸得率提高了1.0倍;最后,优化戊二酸发酵条件,发酵结束时戊二酸产量提高到62.0 g/L,生产强度和得率分别达到1.7(g/L)/h和0.3 g/g葡萄糖。 展开更多

关键词 戊二酸 新路径 蛋白质改造 核糖体结合位点(RBS)调控

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使用动态分子开关调控大肠杆菌生产莽草酸 被引量：4

4

作者 侯建屾 高聪 +1 位作者 陈修来 刘立明 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第10期2104-2112,共9页

莽草酸是大肠杆菌合成芳香族氨基酸的中间代谢物,也是抗流感药物"达菲"的重要合成前体。合成莽草酸需要截断莽草酸途径,导致芳香族氨基酸无法合成,因此面临细胞生长受到抑制的问题。使用动态调控策略通过将细胞生长和莽草酸... 莽草酸是大肠杆菌合成芳香族氨基酸的中间代谢物,也是抗流感药物"达菲"的重要合成前体。合成莽草酸需要截断莽草酸途径,导致芳香族氨基酸无法合成,因此面临细胞生长受到抑制的问题。使用动态调控策略通过将细胞生长和莽草酸的合成相互分离,可以提高菌株的生产性能。通过使用生长偶联型启动子和降解决定子(Degrons),组建动态分子开关。利用该动态分子开关实现细胞生长与莽草酸合成分离,在5L发酵罐中经过72h发酵得到了14.33g/L的莽草酸。结果表明,这种动态分子开关可以通过调控靶蛋白丰度来改变碳流量平衡,使菌株获得更优秀的生产性能。 展开更多

关键词 分子开关 大肠杆菌 莽草酸 碳代谢流

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三酶级联催化L-苏氨酸生产L-2-氨基丁酸 被引量：4

5

作者 付妍 张君轩 +5 位作者 付雪蓉 解雨晨 任泓宇 刘佳 陈修来 刘立明 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第4期782-791,共10页

L-2-氨基丁酸(L-ABA)是一种重要的化工原材料和手性医药中间体,为了实现L-ABA的高效生产,本研究在大肠杆菌EscherichiacoliBL21(DE3)中分别表达大肠杆菌来源的苏氨酸脱氨酶(Threonine deaminase,TD)、苏云金芽孢杆菌来源的亮氨酸脱氢酶(... L-2-氨基丁酸(L-ABA)是一种重要的化工原材料和手性医药中间体,为了实现L-ABA的高效生产,本研究在大肠杆菌EscherichiacoliBL21(DE3)中分别表达大肠杆菌来源的苏氨酸脱氨酶(Threonine deaminase,TD)、苏云金芽孢杆菌来源的亮氨酸脱氢酶(Leucine dehydrogenase,LDH)和博伊丁假丝酵母来源的甲酸脱氢酶(Formatedehydrogenase,FDH),构建体外级联酶催化反应实现L-苏氨酸向L-ABA的转化,体系中TD、LDH和FDH添加最适比例为1∶1∶0.2。为了简化生产工艺,将3种酶在一株菌E. coli 3FT+L中共表达并实现上述配比,在30 L发酵罐中用E. coli 3FT+L全细胞转化12 h,L-ABA的产量为68.5 g/L,底物L-苏氨酸的摩尔转化率达到99.0%。该工艺路线绿色高效,为未来大规模生产L-ABA提供借鉴。 展开更多

关键词 L-2-氨基丁酸 三酶级联 共表达重组菌 全细胞转化 L-苏氨酸

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ARTP选育ε-聚赖氨酸高产菌株及其发酵条件优化 被引量：1

6

作者 徐祖伟 季立豪 +4 位作者 唐文秀 郭亮 陈修来 刘佳 刘立明 《过程工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第3期347-356,共10页

聚赖氨酸(ε-PL)是由25~35个L-赖氨酸单体组成的一种天然聚合物,在食品、医学、农药等领域有很大的应用潜力。目前,微生物法生产ε-PL存在生产强度低、发酵周期长、工艺不稳定等问题。为此,本研究以S.albulus FMME-545为出发菌株,通过... 聚赖氨酸(ε-PL)是由25~35个L-赖氨酸单体组成的一种天然聚合物,在食品、医学、农药等领域有很大的应用潜力。目前,微生物法生产ε-PL存在生产强度低、发酵周期长、工艺不稳定等问题。为此,本研究以S.albulus FMME-545为出发菌株,通过常温常压等离子诱变(ARTP)结合核糖体工程选育了一株具有利福霉素抗性的高产菌株S.albulus FMME-545RX,其ε-PL产量达到2.44 g/L,相较于出发菌株提升了105%。为了进一步提高ε-聚赖氨酸的产量,在5 L发酵罐中通过分批补料的方式对碳源的调控策略、pH调控方法、DO控制水平进行了系统的研究。结果表明,采用葡萄糖-蔗糖双碳源调控策略有助于提高菌体代谢强度;在发酵过程中添加柠檬酸钠能有效帮助菌体抵御酸性环境;产物合成所需的最适pH值和DO值分别为3.80和30%。经过192 h的分批补料发酵,ε-PL的产量、生产强度、单位细胞合成能力分别达到了53.0 g/L,6.63 g/(L·d),0.88 g/g,相比于原始菌株分别提高了130%,131%,118%。上述研究结果为ε-聚赖氨酸工业化生产提供了有益的借鉴。 展开更多

关键词 Ε-聚赖氨酸 白色链霉菌 核糖体工程 ARTP诱变 发酵优化

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细胞寿命在大肠杆菌细胞工厂构建中的应用 被引量：2

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作者 刘佳 郭亮 +4 位作者 罗秋玲 陈修来 高聪 宋伟 刘立明 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期1277-1286,共10页

微生物细胞工厂以可再生资源为原料,为工业化学品的可持续生产提供了一种有前景的替代方案。然而,不适的外界环境显著影响了微生物细胞的存活率,降低了微生物细胞工厂的生产性能。通过延长微生物细胞的时序寿命,可以显著提升微生物细胞... 微生物细胞工厂以可再生资源为原料,为工业化学品的可持续生产提供了一种有前景的替代方案。然而,不适的外界环境显著影响了微生物细胞的存活率,降低了微生物细胞工厂的生产性能。通过延长微生物细胞的时序寿命,可以显著提升微生物细胞工厂的生产性能。首先,基于存活率的变化建立了细胞时序寿命和半时序寿命的评价体系;然后,发现半胱氨酸、肌肽、氨基胍和氨基葡萄糖抗衰老药物可以使大肠杆菌Escherichiacoli细胞的时序寿命分别延长80%、80%、50%和120%;最后,延长E.coli时序寿命可以显著改善E.coli细胞工厂的生产性能,可以用于改善具有本源代谢合成路径的E.coli细胞工厂的生产性能,使乳酸和丙酮酸的得率分别提升30.0%和25.0%,也可以用于改善具有异源代谢合成路径的E. coli细胞工厂的生产性能,使苹果酸的得率提升27.0%。这些研究结果表明延长E. coli细胞寿命提供了一种潜在的改善细胞工厂的生产性能的方法。 展开更多

关键词 大肠杆菌 微生物细胞工厂 时序寿命 抗衰老药物

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多酶组合催化制备L-高苯丙氨酸 被引量：1

8

作者 刘佳 宋伟 +3 位作者 郭亮 陈修来 高聪 刘立明 《微生物学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第9期2829-2842,共14页

【目的】L-高苯丙氨酸(L-HPA)是许多医药化学品的重要中间体,化学合成法生产L-HPA反应复杂、环境污染严重,本研究旨在开发高效环保的L-HPA酶法合成路线。【方法】采用模块化组装的方法,构建了一条以甘氨酸和苯乙醛为底物高产L-HPA的新... 【目的】L-高苯丙氨酸(L-HPA)是许多医药化学品的重要中间体,化学合成法生产L-HPA反应复杂、环境污染严重,本研究旨在开发高效环保的L-HPA酶法合成路线。【方法】采用模块化组装的方法,构建了一条以甘氨酸和苯乙醛为底物高产L-HPA的新途径。【结果】首先,根据文献挖掘设计了一条由苏氨酸醛缩酶(TA)、苏氨酸脱氨酶(TD)、苯丙氨酸脱氢酶(PheDH)和甲酸脱氢酶(FDH)组成的多酶组合催化途径,用于L-HPA的合成。其次,根据氨基基团的引入和重构,将L-HPA多酶组合催化途径分为基础单元和扩增单元,基础单元包括TA和TD,扩增单元包括PheDH和FDH。然后,利用不同表达水平的质粒,对基础单元和扩增单元进行蛋白表达的组合调节,获得最优工程菌BL21-C-M1-R-M2,使L-HPA产量达到208.6 mg/L。最后,我们对全细胞转化体系进行优化,使L-HPA产量进一步提高到1226.6 mg/L,苯乙醛摩尔转化率为34.2%。【结论】该工艺路线绿色高效,为未来大规模生产L-HPA奠定基础。 展开更多

关键词 L-高苯丙氨酸 多酶组合反应 全细胞转化 模块化组装

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酶法转化生产α-酮酸的研究进展

9

作者 张权 宋伟 +5 位作者 张灿 裴杉杉 陈修来 刘佳 罗秋玲 刘立明 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第7期1193-1205,共13页

α-酮酸是一种同时含有羧基和酮基的双官能团有机化合物,广泛应用于食品、药品和化妆品等行业。为了满足环境友好、安全高效和可持续发展的社会要求,利用酶转化法生产α-酮酸受到人们的广泛关注。文中从酶的筛选、酶的改造以及酶的转化... α-酮酸是一种同时含有羧基和酮基的双官能团有机化合物,广泛应用于食品、药品和化妆品等行业。为了满足环境友好、安全高效和可持续发展的社会要求,利用酶转化法生产α-酮酸受到人们的广泛关注。文中从酶的筛选、酶的改造以及酶的转化条件优化3个方面介绍丙酮酸、α-酮戊二酸、酮亮氨酸、酮缬氨酸、苯丙酮酸和酮蛋氨酸酶法合成的研究状况,并展望了α-酮酸进一步高效生产的发展方向。 展开更多

关键词 Α-酮酸 酶转化 蛋白质工程

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利用光驱动的生物杂合系统实现CO_(2)转化生产化学品

10

作者 干雅梅 柴甜甜 +5 位作者 张健 高聪 宋伟 吴静 刘立明 陈修来 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第5期294-303,共10页

太阳能作为清洁能源之一,为缓解化石燃料枯竭和温室气体排放等问题提供了一种高效、经济、可持续的解决方案.自然界中的植物和光合微生物通过自身的光合系统收集并转化太阳能,从而生产生物燃料和生物化学品.然而,由于自然光合系统存在... 太阳能作为清洁能源之一,为缓解化石燃料枯竭和温室气体排放等问题提供了一种高效、经济、可持续的解决方案.自然界中的植物和光合微生物通过自身的光合系统收集并转化太阳能,从而生产生物燃料和生物化学品.然而,由于自然光合系统存在光吸收范围相对较窄、光生电子在传输过程中易损耗等问题,限制了太阳能到化学品的转化效率.为了解决上述难题,科研人员模仿自然光合作用中的关键部分,探索构建人工光合系统,相关研究引起了广泛关注.本文通过将碲化镉量子点(CdTe QDs)与大肠杆菌(E.coli)相耦合,构建了一种光驱动无机-生物杂合系统(IBPHS),用于捕获太阳能并驱动CO_(2)转化合成高价值化学品.该系统主要由光催化模块和生物催化模块组成.在光催化模块中,通过生物合成CdTe QDs进行光能捕获,并将其转化为电子.通过敲除E.coli的Cd2+外排蛋白(ZNTA)编码基因,实现了E.coli胞内Cd2+过量积累.通过“时空耦合”方式,并借助共聚焦显微镜、高分辨率透射电镜和X射线能谱分析,确认了CdTe QDs在E.coli胞内的组装合成.利用紫外-可见分光光度计研究了光催化模块对光子的吸收能力.结果表明,光催化模块的吸收峰位于400-420 nm.利用瞬时光电流,评估了光催化模块的光生电子能力.实验发现,该模块可以产生0.07μA光电流,表明完成了光催化模块的构建.在生物催化模块中,将光催化模块产生的电子用于还原NAD+再生NADH.采用NADH生物传感器,分析了E.coli胞内NADH含量,结果表明,在蓝光照射下E.coli胞内NADH含量比黑暗条件下提高了5.1倍.在此基础上,通过表达NADH依赖型乳酸脱氢酶(LDH)将丙酮酸还原为乳酸,在蓝光光照下乳酸积累量达到了0.44 g/L,而黑暗条件下无乳酸积累,从而验证了生物催化模块的有效性.基于光催化模块和生物催化模块,进一步组装构建了IBPSH,用于驱动CO_(2)还原合成甲 展开更多

关键词 人工光合系统 CO_(2)利用 光能转换 CdTe生物合成 NADH再生

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高产3-羟基丁酮解淀粉芽孢杆菌的选育及发酵优化 被引量：5

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作者 王诗卉 罗秋玲 +2 位作者 刘佳 刘立明 陈修来 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第5期803-811,共9页

3-羟基丁酮(Acetoin)作为一种重要的食用香料和平台化合物被广泛应用于医药、食品等领域。为改善解淀粉芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens的3-羟基丁酮生产能力,采用常压室温等离子体(ARTP)和^(60)Coγ射线进行复合诱变,以3-羟基丁酮... 3-羟基丁酮(Acetoin)作为一种重要的食用香料和平台化合物被广泛应用于医药、食品等领域。为改善解淀粉芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens的3-羟基丁酮生产能力,采用常压室温等离子体(ARTP)和^(60)Coγ射线进行复合诱变,以3-羟基丁酮产量为分析指标,筛选获得最优突变株B.amyloliquefaciens H-5,3-羟基丁酮产量为68.2 g/L。为进一步实现3-羟基丁酮的高效生产,对此突变株进行5 L发酵罐水平的培养条件优化,并于30 L发酵罐上进行放大培养,最终3-羟基丁酮产量达85.2 g/L,较出发菌株B.amyloliquefaciens FMME088提高了26.8%。上述研究结果表明,ARTP和^(60)Coγ射线复合诱变能够有效获得高产菌株,该突变株具有较高的工业化微生物发酵生产3-羟基丁酮的潜能。 展开更多

关键词 解淀粉芽孢杆菌 3-羟基丁酮 常压室温等离子体 ^60Coγ射线 发酵条件优化

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