生物高纯精草:高光学纯L-草铵膦生物制造的创新与发展 被引量：1

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作者 程峰 邹树平 +3 位作者 徐建妙 汤恒 薛亚平 郑裕国 《合成生物学》 CSCD 北大核心 2024年第6期1404-1418,共15页

草铵膦是全球三大除草剂之一,具有广谱、高活性、非选择性等特点,市场前景被广泛看好。然而,草铵膦具有两种对映异构体(D型和L型),其除草活性主要来自于其中的L型对映体(L-草铵膦)。因此,高光学纯L-草铵膦高效合成至关重要。本文作者团... 草铵膦是全球三大除草剂之一,具有广谱、高活性、非选择性等特点,市场前景被广泛看好。然而,草铵膦具有两种对映异构体(D型和L型),其除草活性主要来自于其中的L型对映体(L-草铵膦)。因此,高光学纯L-草铵膦高效合成至关重要。本文作者团队者研究团队在中国“生物农药之父”沈寅初院士的指导下,开展生物合成L-草铵膦的科学研究和产业化实践长达二十余年,涵盖合成路线重构、生物无机胺化技术建立、生物催化剂创制、产物分离纯化、反应装备、过程智能化控制等方面,开发了“生物高纯精草生产技术”(BioHPP^(®)),建成了万吨级L-草铵膦数字智能化生产线,利用智能传感器和执行器,实现超千个控制点的实时数据采集、传输、分析和反馈调节,全自动化参数采集与控制生产效率提高50%,劳动强度降低70%以上,实现了万吨级L-草铵膦的生物智能制造。本文在研究团队长期积累的基础上,总结和分析了D,L-草铵膦主流生产工艺路线,详述了创新生物制造技术、合成生物技术构筑L-草铵膦关键合成体系的原理和方法,从底物合成与选择、生物催化剂类型、氨基供体使用、分离纯化等方面比较了这些路线的各自特点及实现产业化的关键要点。可以预见,在合成生物技术的助力下,未来将有越来越多的高光学纯度手性农药通过生物制造实现大规模生产。 展开更多

关键词 D L-草铵膦 L-草铵膦 生物催化 酶 手性氨基酸 合成生物制造

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甲酸脱氢酶及其在手性生物制造中的应用 被引量：5

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作者 程峰 魏澜 +2 位作者 王成娇 薛亚平 郑裕国 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期632-649,共18页

氧化还原生物合成体系在绿色生物制造手性化合物中具有重要应用价值。甲酸脱氢酶(formate dehydrogenase,FDH)能氧化甲酸盐生成二氧化碳,同时将NAD(P)+还原为NAD(P)H,是氧化还原生物合成中辅酶再生体系的关键酶。但天然的FDH催化效率低... 氧化还原生物合成体系在绿色生物制造手性化合物中具有重要应用价值。甲酸脱氢酶(formate dehydrogenase,FDH)能氧化甲酸盐生成二氧化碳,同时将NAD(P)+还原为NAD(P)H,是氧化还原生物合成中辅酶再生体系的关键酶。但天然的FDH催化效率低、稳定性差、辅酶利用率不高等缺点制约了其在工业生产中的应用。文中着重介绍了FDH的结构特征、催化机制以及不同来源FDH在酶活、催化效率、稳定性及辅酶偏好性改造方面的研究进展,同时总结了利用FDH作为辅酶再生系统进行绿色生物制造手性化合物的应用实例。 展开更多

关键词 甲酸脱氢酶 分子改造 氧化还原生物合成 绿色生物制造

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NAD(P)H依赖型氧化还原酶不对称还原胺化制备手性胺的研究进展 被引量：7

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作者 程峰 李清华 +1 位作者 李恒 薛亚平 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第9期1794-1816,共23页

不对称还原胺化反应是制备医药中间体手性胺结构单元的重要反应。目前已有许多不同种类的酶被应用于合成手性胺,其中NAD(P)H依赖型氧化还原酶催化的还原胺化反应最为引人注目,因为其能够一步将潜手性酮化合物完全转化为光学纯的手性胺... 不对称还原胺化反应是制备医药中间体手性胺结构单元的重要反应。目前已有许多不同种类的酶被应用于合成手性胺,其中NAD(P)H依赖型氧化还原酶催化的还原胺化反应最为引人注目,因为其能够一步将潜手性酮化合物完全转化为光学纯的手性胺化合物。文中以亚胺还原酶、氨基酸脱氢酶、冠瘿碱脱氢酶和还原性酮胺化酶为例,从NAD(P)H依赖型氧化还原酶的结构特征、作用机理、分子改造及催化应用等方面,综述了其在不对称还原胺化合成手性胺领域的研究进展。 展开更多

关键词 不对称还原胺化 NAD(P)H依赖型氧化还原酶 手性胺 生物催化

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水溶性维生素的生物合成 被引量：3

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作者 张博 廖宇哲 +3 位作者 余浩楠 王广豪 柳志强 郑裕国 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第8期2528-2551,共24页

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... 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。 展开更多

关键词 水溶性维生素 生物合成 合成生物学 代谢工程 新质生产力

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脂溶性维生素的生物合成 被引量：2

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作者 张博 余浩楠 +3 位作者 朱丽丹 朱溢 柳志强 郑裕国 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第8期2552-2569,共18页

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... 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。 展开更多

关键词 脂溶性维生素 生物合成 生物发酵 代谢工程 合成生物学 新质生产力

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磷酸吡哆醛依赖型酶的研究进展及其应用 被引量：2

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作者 蔡雪 孙晨阳 +3 位作者 翟增春 施雪 柳志强 郑裕国 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第9期2771-2785,共15页

磷酸吡哆醛(pyridoxalphosphate,PLP)作为维生素B6的活性形式,是多种酶促反应中的重要辅因子。磷酸吡哆醛依赖型酶能够催化多种化学反应,如消旋、脱羧、β-加成、β-消除、反羟醛裂解、转氨和α-消除等多种化学反应,是生物法合成多种天... 磷酸吡哆醛(pyridoxalphosphate,PLP)作为维生素B6的活性形式,是多种酶促反应中的重要辅因子。磷酸吡哆醛依赖型酶能够催化多种化学反应,如消旋、脱羧、β-加成、β-消除、反羟醛裂解、转氨和α-消除等多种化学反应,是生物法合成多种天然氨基酸、非天然氨基酸及其相关化合物的有力工具。本文以ω-转氨酶、赖氨酸脱羧酶、苏氨酸醛缩酶、L-酪氨酸酚解酶等典型PLP依赖型酶为例,分析了这些酶的结构特征与催化机理,总结了它们的分子改造研究进展以及在工业生产中的应用。最后,本文对磷酸吡哆醛依赖型酶的未来发展进行了展望,包括PLP辅因子的体内再生系统及工业应用等,讨论了这些酶在生物催化应用中的巨大潜力。 展开更多

关键词 磷酸吡哆醛依赖型酶 磷酸吡哆醛 辅因子 醛缩酶 转氨酶 生物催化

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蛋白质过硫化修饰研究进展

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作者 张博 潘佳园 +1 位作者 柳志强 郑裕国 《微生物学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期1348-1363,共16页

过硫化修饰在保护蛋白质的正常功能和信号传递过程中起着重要作用,对维持细胞的正常生理代谢平衡、保护细胞抵抗氧化应激及硫稳态调控等方面具有重要影响。本文综述了硫化氢、活性硫及半胱氨酸代谢的内在关联以及硫稳态调控,阐述了蛋白... 过硫化修饰在保护蛋白质的正常功能和信号传递过程中起着重要作用,对维持细胞的正常生理代谢平衡、保护细胞抵抗氧化应激及硫稳态调控等方面具有重要影响。本文综述了硫化氢、活性硫及半胱氨酸代谢的内在关联以及硫稳态调控,阐述了蛋白质过硫化修饰的机制及在微生物硫稳态调节中的作用,对未来的研究方向和趋势提供了新的思路。 展开更多

关键词 过硫化修饰 硫化氢 活性硫 蛋白质

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代谢工程改造大肠杆菌一碳模块高效合成L-甲硫氨酸 被引量：4

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作者 张博 王莹 +2 位作者 牛坤 柳志强 郑裕国 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第8期3302-3317,共16页

L-甲硫氨酸又名L-蛋氨酸,是人体必需8种氨基酸之一,在饲料、医药、食品领域具有重要应用。以实验室前期构建的M2(Escherichia coli W3110?IJAHFEBC/PAM)为出发菌株,以模块化代谢工程策略构建了一株L-甲硫氨酸高产菌株。首先通过过表达... L-甲硫氨酸又名L-蛋氨酸,是人体必需8种氨基酸之一,在饲料、医药、食品领域具有重要应用。以实验室前期构建的M2(Escherichia coli W3110?IJAHFEBC/PAM)为出发菌株,以模块化代谢工程策略构建了一株L-甲硫氨酸高产菌株。首先通过过表达亚甲基四氢叶酸还原酶(methylenetetrahydrofolate reductase,MetF)和筛选不同来源的丝氨酸羟甲基转移酶(hydroxymethyltransferase,GlyA),增强了一碳模块甲基供体的生成,优化了一碳模块。随后针对一碳模块的前体供应,过表达了胱醚裂解酶(cysteamine lyase,MalY)和半胱氨酸内运基因(fliY),有效地提高了L-高半胱氨酸和L-半胱氨酸的供应。最终摇瓶发酵L-甲硫氨酸的产量由2.8 g/L提高至4.05 g/L,5 L发酵罐中达到18.26 g/L。研究结果表明,一碳模块对L-甲硫氨酸的生物合成具有十分重要的影响,在细胞内通过优化一碳模块,可以实现L-甲硫氨酸的高效生物合成。本研究为进一步提高微生物发酵生产L-甲硫氨酸的水平奠定了基础。 展开更多

关键词 生物合成 基因协同表达 L-甲硫氨酸 代谢工程 发酵工程

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利用CRISPRi挖掘大肠杆菌生物合成D-泛酸的关键基因

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作者 张博 杨玉凤 +3 位作者 贺周霖 章誉琼 柳志强 郑裕国 《微生物学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期4625-4643,共19页

【目的】D-泛酸(D-pantothenic acid,DPA)是一种重要的功能化合物,被广泛应用于医疗保健、化妆品、动物食品和饲料等领域,具有良好的市场前景及应用。本研究以实验室保藏的大肠杆菌菌株DPAP10为底盘菌株,利用CRISPR干扰(clustered regul... 【目的】D-泛酸(D-pantothenic acid,DPA)是一种重要的功能化合物,被广泛应用于医疗保健、化妆品、动物食品和饲料等领域,具有良好的市场前景及应用。本研究以实验室保藏的大肠杆菌菌株DPAP10为底盘菌株,利用CRISPR干扰(clustered regularly interspaced palindromic repeats interference,CRISPRi)技术,筛选影响工程菌株DPA生物合成的内源性基因靶点。【方法】构建了pTarget和pdCas9的双质粒CRISPRi系统,可以实现对基因单个或组合表达抑制,摇瓶发酵检测基因抑制对DPA合成的影响;通过实时荧光定量聚合酶链式反应(real-time fluorescence quantitative polymerase chain reaction,RT-qPCR)检测了基因抑制后的转录水平;通过高效液相色谱(high performance liquid chromatography,HPLC)检测了中间代谢物分析代谢通路变化。【结果】成功从126个靶基因中筛选得到5个显著影响DPA合成的关键基因pgk、gltA、ptsH、ptsI、crp和7个基因组合pgk-gltA、pgk-ptsH、gltA-ptsH、pgk-ptsI、gltA-ptsI、pgk-crp、gltA-crp,其中菌株DPAP10/pdCas9+pT-gltA-ptsH相对于原始菌株DPAP10,在摇瓶中DPA产量提高了49.5%达到5.3 g/L,进一步在基因组上对gltA和ptsH的表达进行下调,得到工程菌株DPAP10-gltATTG-ptsHTTG,最终在5 L罐中DPA产量相较于对照菌株DPAP10在相同培养条件下提高了19.5%达到75.4 g/L。【结论】本研究证实CRISPRi筛选可以得到对DPA合成有益的基因靶点;中间代谢物检测分析发现,改变丙酮酸通量分布和降低三羧酸(tricarboxylic acid,TCA)循环速率,会导致碳流更多流向DPA合成代谢路径中,从而提高DPA的产量,这一发现为构建更高产菌株提供了新思路。 展开更多

关键词 代谢工程 大肠杆菌 D-泛酸 CRISPRi

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基于碳硫模块平衡策略的大肠杆菌高产L-半胱氨酸菌株构建 被引量：2

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作者 张博 陈开 +3 位作者 杨辉 吴梓丹 柳志强 郑裕国 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第12期4567-4586,共20页

L-半胱氨酸是一种重要的含硫氨基酸,因其多样的生理功能,L-半胱氨酸在医药、化妆品和食品工业中有着广泛的应用。模块化代谢工程策略在细胞工厂的构建中具有极大的潜力。本研究利用碳硫模块协同表达策略进行大肠杆菌的L-半胱氨酸合成途... L-半胱氨酸是一种重要的含硫氨基酸,因其多样的生理功能,L-半胱氨酸在医药、化妆品和食品工业中有着广泛的应用。模块化代谢工程策略在细胞工厂的构建中具有极大的潜力。本研究利用碳硫模块协同表达策略进行大肠杆菌的L-半胱氨酸合成途径构建,构建了一株L-半胱氨酸合成基因工程菌。首先,通过增强L-半胱氨酸前体物质L-丝氨酸(serAf、serB和serCCg)的生物合成以及转录调控因子CysB的表达,L-半胱氨酸的产量由0提高到(0.38±0.02)g/L。然后,通过促进L-半胱氨酸转运和无机硫源的吸收同化、减弱L-半胱氨酸和L-丝氨酸的降解以及异源表达cysEf和cysBSt,L-半胱氨酸的产量提升至(3.82±0.01)g/L。最后,为了优化碳模块和硫模块的代谢通量,协同表达硫酸盐同化途径与硫代硫酸盐同化途径的基因cysM、nrdH、cysK以及cysIJ,得到L-半胱氨酸高产菌株。在500 mL摇瓶和2 L发酵罐中分别实现了(4.17±0.07)g/L和(11.94±0.1)g/L的L-半胱氨酸积累。研究结果表明,在细胞内通过对硫碳模块间代谢通量的协调控制,可以实现L-半胱氨酸的高效生物合成。研究结果为微生物发酵生产L-半胱氨酸的产业化奠定了基础。 展开更多

关键词 生物合成 基因协同表达 L-半胱氨酸 代谢工程 发酵工程

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多聚磷酸激酶及其在ATP再生体系构建中的进展 被引量：2

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作者 程峰 李欢 +4 位作者 李可欣 刘海云 沈其 薛亚平 郑裕国 《生物工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第11期4413-4427,共15页

构建高效的腺嘌呤核苷三磷酸(adenosinetriphosphate,ATP)再生体系可显著提高生物催化磷酸基团转移反应的效率。多聚磷酸激酶(poly phosphate kinase,PPK)能利用来源广、廉价且稳定的多聚磷酸(polyphosphate,Poly P)盐作为磷酸基供体,... 构建高效的腺嘌呤核苷三磷酸(adenosinetriphosphate,ATP)再生体系可显著提高生物催化磷酸基团转移反应的效率。多聚磷酸激酶(poly phosphate kinase,PPK)能利用来源广、廉价且稳定的多聚磷酸(polyphosphate,Poly P)盐作为磷酸基供体,能够实现单磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)、二磷酸腺苷(adenosinediphosphate,ADP)、ATP、PolyP之间磷酸基的高效定向转移,已成为构建ATP再生体系的首选。本文介绍了不同类型PPK的结构特征、相关催化机制以及不同来源的PPK在酶活、催化效率、稳定性和底物偏好性的特征差异;归纳和列举了针对野生PPK酶学性质不足进行分子改造的实例,并对PPK在ATP再生体系构建的研究进展进行了总结。 展开更多

关键词 多聚磷酸激酶 蛋白质工程 ATP再生 生物合成

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