公认食品安全的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是合成生物学中被广泛研究的底盘细胞,常作为生产高值或大宗化学品的微生物细胞工厂.近年来,通过各种代谢工程改造策略,已有大量化学品的合成途径在酿酒酵母中建立并优化,且部分化学品具备了产业化价值.作为真核生物,酿酒酵母具有完整的细胞内膜系统及其组成的复杂细胞器区室,而这些细胞器区室往往含有某些化学品合成所必需的较高浓度前体底物(如线粒体中的乙酰辅酶A),或更加充足的酶、辅因子、能量等,可为目标产物的生物合成提供更适宜的物理、化学环境,但同时不同细胞器的结构特点有时也成为特定化合物合成的障碍.为此,研究人员在深入分析不同细胞器自身特点的基础上,结合目标化学品合成途径与细胞器之间的适配度,对细胞器开展了大量针对性改造工作以提高产物合成效率.本文详细综述了酿酒酵母中线粒体、过氧化物酶体、高尔基体、内质网、脂滴和液泡等细胞器的途径改造及优化策略,以及利用细胞器区室化合成化学品的研究进展,并对目前存在的困难和挑战以及未来研究方向进行了总结与展望.

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.

蓝细菌是唯一可进行放氧光合作用的原核微生物,基于光合蓝细菌构建"自养型细胞工厂"具有广阔前景.但以蓝细菌作为底盘进行生物燃料及化学品的合成仍存在细胞耐受能力差、产量低等问题,导致实现工业化生产的经济可行性还比较低,亟需通过合成生物学等技术手段构建新的藻株.近年来,实验室适应性进化(adaptive laboratory evolution,ALE)已被用于底盘工程中,实现了优化生长速度、增加耐受性、加强底物利用和提高产品产量等目标.ALE 在提高蓝细菌鲁棒性方面取得了一定进展,已获得了耐受高光、重金属离子、高盐和高浓度有机溶剂胁迫的进化藻株.但是,蓝细菌中的 ALE 策略效率相对较低,耐受各胁迫的分子机制并未阐释完全.本文综述了ALE 相关技术策略及其在蓝细菌底盘工程中的应用,讨论了如何借鉴其他微生物中 ALE 手段,构建更大 ALE 突变文库、增加菌株的突变频率、缩短进化时间、探索多重胁迫耐受工程菌构建原则及研究策略等,高效解析进化菌株的突变体库,构建高产量、鲁棒性强的工程菌株等,以期未来促进蓝细菌底盘的改造及其工程菌的规模化应用.

脱落酸作为一种抑制生长的植物激素,是平衡植物内源激素和调节生长代谢的关键因子.脱落酸具有提高作物抗旱耐盐、减少果实褐变的作用,同时可降低疟疾发病率、刺激胰岛素分泌,因此在农业和医药领域有着广阔的应用前景.相较于传统的植物提取法和化学合成法,利用微生物合成脱落酸是一种经济、可持续的来源方式.目前利用天然微生物如灰葡萄孢霉菌、蔷薇色尾孢菌等合成脱落酸的研究已经取得了诸多进展,而脱落酸的异源微生物合成研究相对较少.酿酒酵母、解脂耶氏酵母、大肠杆菌等工程菌株作为天然产物异源合成的常用宿主,具有遗传背景清晰、易于操作、便于工业化生产等优势,因此利用微生物异源合成脱落酸是一种更具潜力的生产方式.本文着重从底盘细胞的选择、关键酶的筛选与表达强化、辅因子的调节、增强前体供应及促进脱落酸外排 5 个方面对微生物异源合成脱落酸的研究进行综述.最后,对该领域的未来发展方向进行了展望.

多不饱和脂肪酸属直链脂肪酸,是机体生物膜的关键结构组分,它可以调控糖脂代谢及激素代谢,具有促进发育、提高免疫力和预防疾病等多种益生功能,对机体健康具有十分重要的作用.因此,多不饱和脂肪酸在食品、医药和饲料等多个领域均表现出重要的应用价值和广阔的开发前景,市场需求持续上升.与传统的海洋生物提取法相比,微生物合成法具有生产周期短、工艺简单、对环境友好等优势,近年来利用微生物细胞工厂生产多不饱和脂肪酸等微生物油脂逐渐成为科学界和工业界的研究热点和发展趋势.解脂耶氏酵母作为一种非常规产油酵母,因其具备高产油脂和脂肪酸的天然能力,因此成为了代谢工程改造微生物生产多不饱和脂肪酸的首选底盘细胞之一.本文首先介绍了多不饱和脂肪酸的来源及其天然合成途径;然后总结归纳了当前利用代谢工程策略改造解脂耶氏酵母生产多不饱和脂肪酸的研究现状;最后对利用解脂耶氏酵母细胞工厂生产多不饱和脂肪酸存在的主要瓶颈问题和未来发展趋势进行了探讨,期望为未来高效合成多不饱和脂肪酸微生物细胞工厂的构建提供理论支持与思路.

2'-岩藻糖基乳糖(2'-fucosyllactose,2'-FL)是一种含量最丰富的人乳寡糖,微生物全细胞合成是生产 2'-FL的重要方法.乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)作为一种可直接用于乳制品的食品级微生物,目前还没有用于生产人乳寡糖的报道.首先,在两种常用L.lactis底盘NZ3900 和NZ9000 中利用含有基因fkp、futC、lacF的重组质粒pNZ8148-2f构建 2'-FL补救合成途径,在添加 10 g/L岩藻糖和 5 g/L乳糖的发酵培养基中,测得 2'-FL的摇瓶产量分别为 0.16 g/L与 0.4 g/L,结合对二者生长状况等综合分析,选取NZ9000 作为优势底盘.然后,在NZ9000 中构建 2'-FL从头合成途径,利用同源重组技术并借助L.lactis中特有的敲除整合载体pNZ5319,在敲除非必需基因upp的同时将基因manA、manB、gmd和wcaG整合到染色体上,借助载体pNZ8148-1 将基因manC、futC和lacF以质粒的形式引入到细胞中,同时利用不同启动子P32、Pnis对酶的表达水平进行组合调控.获得最优菌株NZ9000 6,在添加 20 g/L葡萄糖和 5 g/L乳糖的发酵培养基中,测得 2'-FL的摇瓶产量为 0.28 g/L.最后,在发酵培养基中对氯化高铁血红素、胰蛋白胨和酵母粉的浓度进行了优化,在添加 2.5 μg/mL氯化高铁血红素、15 g/L胰蛋白胨、6 g/L酵母粉时 2'-FL的摇瓶产量达到 1.58 g/L,为相关报道的较高水平.该研究证实了L.lactis合成 2'-FL的可行性,为 2'-FL的生产提供了新思路.

植物萜类化合物是以异戊二烯为结构单位的一大类植物天然的次生代谢产物.D-柠檬烯属于单萜类化合物, 由于它具有抑菌、增香、抗癌、止咳、平喘等多种功能, 已被广泛应用于食品、香料、医疗等行业.目前D-柠檬烯的工业生产主要是从植物的果皮或者果肉中提取的, 但提取方法存在着分离纯化复杂、产率低、能耗大等缺点.而本世纪初合成生物学技术的兴起, 为微生物异源合成天然活性化合物带来了全新的理念与工具, 打破了物种间的界限, 使微生物异源合成D-柠檬烯成为现实.构建定向、高效的异源合成D-柠檬烯的微生物细胞工厂, 实现微生物发酵法替换传统的植物提取法, 具有重要的经济与社会效益.本文主要回顾了近几年利用代谢工程改造酿酒酵母异源合成萜类化合物取得的成就, 阐述了以酿酒酵母作为底盘微生物, 利用代谢工程和合成生物学的手段构建高产D-柠檬烯的合成策略.

充分利用木质纤维素中的糖分是提高以此类生物质为原料生产二代燃料乙醇经济盈利性的基本要求,也是实现其他生物基化学品规模化生产的基础.传统的乙醇生产微生物酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae具有独特的生产性能及内在优势,是备受关注的底盘细胞,但其不能有效地利用戊糖.利用代谢工程、合成生物学策略,对二代燃料乙醇生产专用酿酒酵母的精准构制持续研究了30余年,已明显改善了其对木糖/葡萄糖的乙醇共发酵能力.近年来关注点集中在早期忽略的限速步骤即糖转运环节的研究上,以期实现不同糖分各行其道、高效专一性转运蛋白各行其责的二代燃料乙醇生产特种酿酒酵母所需的糖转运理想状态.文中主要综述了酿酒酵母戊糖转运蛋白的研究进展,及酿酒酵母的木糖和L-阿拉伯糖代谢工程的研究现状.

微生物合成生物学的重要内容包括挖掘和解析生物合成系统的基本元件,设计和构建具有优良特性的底盘细胞,为微生物药物的高效生物合成奠定理论基础,为微生物药物产业化和新药创制提供强大的支撑.综述了链霉菌较小基因组细胞(底盘)的构建方法、评估、应用等相关研究,提出了链霉菌较小基因组细胞系统设计理念、高版本工业链霉菌底盘构建思路及其评估体系,并探讨了高版本工业链霉菌底盘高效生物合成重要植物源化合物(青蒿素、紫杉醇、番茄红素等)的产业应用前景.

光合生物制造技术是指以光合自养生物为底盘,通过光合固碳过程,将太阳能和二氧化碳直接转化为生物燃料和生物基化学品的全新生物制造模式.发展光合生物制造技术可以同时实现固碳减排和清洁生产.蓝细菌是极具潜力的微生物光合底盘,也为光合生物制造技术开发高效的光驱固碳细胞工厂提供了重要平台.着眼于未来的规模化应用需求,蓝细菌光驱固碳细胞工厂需要在物质能量转化效率、工业过程中的生长和生产稳定性以及与工程过程的适配性这三方面进一步提升.现从光能的捕集和利用、碳源的固定和转化、逆境胁迫的适应以及工程过程的适配这四个角度,介绍了如何应用合成生物学工具和策略,人工设计、开发进而优化蓝细菌光驱固碳细胞工厂,以满足光合生物制造技术大规模应用的需要;最后,总结、介绍了本领域的最新研究进展,并对未来发展方向进行了展望.