工程化微生物是指对微生物进行定制化的修饰、包封或基因改造.工程化微生物在保留原有微生物生物特性的同时,赋予了它们一些外源特性,已成为当前生物医学领域的研究热点.本文介绍了工程化微生物的改造方法和在结直肠癌治疗中的应用策略,探讨了工程化微生物在结直肠癌治疗中的潜在机制,并展望了其在结直肠癌治疗中的潜在应用价值,旨在为该领域的研究提供新思路.

虾青素是一种深红色酮类胡萝卜素,自然界中主要由藻类、细菌和浮游植物产生.作为天然色素和抗氧化物质在日化用品、医药行业、食品保健业、水产畜牧业有广泛应用.相较于天然提取和化学合成,利用异源微生物合成虾青素是一种绿色环保、经济高效的方法.概述虾青素生物合成路径,对微生物合成虾青素的研究现状和酵母合成虾青素的工程化策略进行总结,并对未来发展方向进行了展望.

自然界中存在着大量的天然微生物群落,不同种群的微生物通过通信及分工拓展了单菌的性能边界,降低了整体的代谢负担并增加了对环境的适应性.合成生物学依据工程设计原理构建或改造基本功能元件、基因线路和底盘细胞,从而对生命的运行过程进行具有目的性的重新编程,获得丰富及可控的生物学功能.将这种工程设计的原理引入菌群,获得结构明确及功能可调的合成群落,可以为合成功能菌群的理论研究到应用提供思路及方法.本文回顾了近年来合成功能菌群领域的相关工作,对合成功能菌群的设计原则、构建方法以及应用进行详细介绍,并对未来的发展进行了展望.

乳酸菌作为传统食品级微生物,长期应用于食品工业、生活保健、临床医学领域中.随着人们对乳酸菌特殊功能需求的提升,传统筛菌方法由于其技术繁复、周期长、成功率低等缺点,逐渐成为制约乳酸菌行业发展的瓶颈.合成生物学技术的出现,将具有特定功能的基因电路网络导入细胞基因组中,让细胞来完成设计者设想的各种任务,可为解决乳酸菌功能菌株开发难题提供新的机遇.探讨了乳酸菌的菌种特点及其作为合成生物学底盘的优势,综述了乳酸菌合成生物学中元件设计、载体选择、转化方法和基因编辑技术的发展现状,总结并展望了工程化乳酸菌在疾病诊断治疗、食品改善品质和生物能源等方面的应用,讨论了合成生物学在乳酸菌领域进一步应用所需实现的技术突破,旨为乳酸菌合成生物学的发展提供借鉴.

构建体外口腔黏膜感染模型有助于研究口腔黏膜感染性疾病的发病机制与防治策略.器官型口腔黏膜感染模型以组织工程化口腔黏膜为基础,通过引入病原体提取物、接种浮游微生物或与细菌生物膜、唾液共培养,在体外模拟口腔微生物与宿主的相互作用.近年来,学者们通过该技术研究微生物对口腔黏膜疾病和牙周疾病的发生、发展作用及致病机理.本文将对器官型口腔黏膜感染模型的建立、研究进展与应用前景等进行阐述.

探究了温度的季节性变化对基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)型潮汐流人工湿地(TFCW)脱氮性能及其微生物特性的影响.CANON型TFCW中的脱氮微生物群落在温度的季节性变化下会发生不同程度的改变,其脱氮途径及性能随之会出现周期性的波动.填料层温度在20.0℃以上时对TFCW脱氮性能及其中的优势脱氮菌群无显著影响,CANON作用是系统脱氮的主要途径.当填料层温度低于20.0 ℃时,厌氧氨氧化菌丰度与活性显著降低,在9.3～20.0℃时,亚硝酸盐氧化菌(NOB)的增殖及其活性的提高使TFCW中脱氮的主要途径由CANON作用演替为硝化/反硝化作用,系统对总氮(TN)的去除率仅为(34.8±13.0)％;在2.2～9.0℃时,TFCW中的厌氧氨氧化菌在受到抑制的同时仍保持着对NOB和反硝化菌群的相对竞争优势,系统脱氮重新依赖于CANON作用,其对TN的去除率为(54.8±4.8)％.该研究可为CANON型TFCW工艺的优化及工程化应用提供参考.

动态调控作为代谢工程优化中最有效的策略之一,通常包含输入信号发生器、生物传感器和执行机构3个部分.输入信号可以是细胞代谢物和环境条件变化,如化学分子、核糖核酸、温度、光信号等.而生物传感器是能够响应输入信号变化,并转化成特定信号输出的基因元件,其输出信号可以直接调控基因表达,也可以作为其他感应元件的输入.重点介绍了动态调控的基本原理及分类及其在微生物细胞工厂工程化改造中的应用实例,主要包括动态调控的优势和研究进展、动态调控系统的构建与表征,同时,也着重讨论了动态调控在细胞工厂改造中潜在的机遇与可能面临的挑战.

探究了3种水力负荷(HLR)下三级串联垂直潜流人工湿地(T-VFCWs)对农村生活污水的处理效果,并解析了系统中的氮素转化机制.结果表明:当系统HLR由0.10增至0.20 m3·m-2·d-1时,T-VFCWs始终保持着对农村生活污水高效的处理效果,系统出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准.T-VFCWs中顺次连接的3个VFCW单元(标记为V-1、V-2和V-3)在限氧环境下因其进水水质的差异可形成各自不同的氮素转化途径,并通过协同作用实现系统的高效脱氮.当T-VFCWs在试验期间连续运行时,V-1、V-2和V-3中主要的脱氮途径分别为短程硝化/反硝化作用、基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)作用和反硝化作用,上述3单元对进水中总氮(TN)和NH4+-N去除的贡献率分别为(51.3±4.4)％和(63.7±2.6)％、(30.9±4.8)％和(35.5±4.5)％、(17.8±5.0)％和(0.8±0.1)％.该研究可为组合式人工湿地的研发及工程化应用提供科学依据和技术支撑.

产电微生物的胞外电子转移在能源、环境等诸多领域有着非常重要的应用价值.希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)作为模式产电微生物,其电催化系统引起了广泛的研究.黄素作为S.oneidensis重要的电子载体,其介导的胞外电子转移是电子传递过程中的一个限速步骤.然而自然环境中野生型S.oneidensis的黄素分泌量极低,对其工程改造也存在一定的局限性,因而严重阻碍了胞外电子的传递过程,这已成为限制其电子转移的主要瓶颈.基于S.oneidensis黄素介导的电子转移机制,系统地从黄素的合成路径及转录调控的角度阐明了黄素合成的调控因素,并综述近年来利用代谢工程、合成生物学以及电极材料修饰等方法来提高黄素介导电子转移的工程化策略,未来可利用一些系统的研究方法和表达工具来加速产电微生物黄素介导的胞外电子转移.

高通量测序技术的发展显著加快了对人类微生物组的理解.将人体微生物组与疾病关联,力求阐明疾病的发生进程,是推进个性化精准医疗的重要研究方向.近年来,栖居于女性阴道的微生物菌群日益受到关注,发现其生态失调与疾病发生、演变密不可分.文中综述了阴道微生物组与生殖道疾病发生、进展和治疗的最新进展,同时对阴道微生物组培养组、益生菌工程化改造以及合成菌群在阴道微生物组学研究以及疾病干预与治疗方面的前景进行了展望.