2014工業(yè)生物技術(shù)?？蜓?/h1>
2014-03-13 13:35:23朱敦明田朝光
生物工程學(xué)報(bào) 2014年1期
朱敦明，田朝光
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，天津 300308
工業(yè)生物技術(shù)是以微生物或酶為催化劑進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，大規(guī)模生產(chǎn)人類所需要的化學(xué)品、醫(yī)藥、能源、材料等的新興學(xué)科，是解決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機(jī)的有效手段。發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)、推動(dòng)生物制造產(chǎn)業(yè)，是我國實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略途徑。為了增強(qiáng)工業(yè)生物技術(shù)集成創(chuàng)新能力與成果轉(zhuǎn)化能力，推進(jìn)我國工業(yè)生物技術(shù)和生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，繼自2007年起在天津、湖州、青島、成都等地已成功舉辦 6屆以后，由中國科學(xué)院生命科學(xué)與生物技術(shù)局、科技部中國生物技術(shù)發(fā)展中心、國家發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)司、中國生物工程學(xué)會(huì)聯(lián)合天津市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)主辦，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所承辦，以“促進(jìn)學(xué)科交叉，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)成長”為主題的第七屆中國工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展高峰論壇于2013年5月10日至12日在天津召開。
本次論壇邀請(qǐng)了 9位國際專家、國內(nèi)管理部門、戰(zhàn)略科學(xué)家及行業(yè)龍頭企業(yè)的專家作大會(huì)主題報(bào)告。聚焦工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，在工業(yè)合成生物學(xué)、工業(yè)生物與計(jì)算科學(xué)、生物煉制與生物能源、生物基材料、生物催化工程、工業(yè)蛋白質(zhì)科學(xué)、微生物資源與環(huán)境生物技術(shù)等方向，組織13個(gè)分會(huì)，近90個(gè)分會(huì)報(bào)告和 110多個(gè)墻報(bào)展講。這次論壇的參會(huì)人員達(dá)到 400多人，為我國工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域的專家、學(xué)者、金融界和企業(yè)界人士提供一個(gè)高水平的交流平臺(tái)?！渡锕こ虒W(xué)報(bào)》曾多次與該論壇合作出版專刊，集中反映有關(guān)生物能源、發(fā)酵生物產(chǎn)品、生物基化學(xué)品、生物煉制等方面的最新研究成果，得到了讀者和同行專家的一致好評(píng)。為了傳播本次論壇的成果，促進(jìn)工業(yè)生物技術(shù)研究領(lǐng)域的交流和發(fā)展，《生物工程學(xué)報(bào)》與此次論壇組委會(huì)共同推出一期主題為“工業(yè)生物技術(shù)”的?？?。
隨著基因組測(cè)序技術(shù)、組學(xué)技術(shù)及分析技術(shù)等的快速發(fā)展，生物學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了“大數(shù)據(jù)”時(shí)代，計(jì)算科學(xué)的介入，進(jìn)行高效率、高精度的生物信息學(xué)分析以及生物生理過程的計(jì)算模擬逐漸成為生命科學(xué)和生物技術(shù)的一個(gè)核心部分。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所寧康等介紹了一個(gè)全新的在線元基因組分析系統(tǒng)—Meta-Mesh，它包括元基因組數(shù)據(jù)庫和分析平臺(tái)，可以對(duì)元基因組樣本進(jìn)行系統(tǒng)、有效的分析，實(shí)現(xiàn)樣本的群落結(jié)構(gòu)比較和精確搜索，準(zhǔn)確有效地識(shí)別類似的群落結(jié)構(gòu)的樣本，開啟了研究微生物群落功能多樣性的新思路。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬紅武實(shí)驗(yàn)室基于以往發(fā)表的相關(guān)途徑動(dòng)力學(xué)模型和測(cè)量的酶動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，開發(fā)了大腸桿菌蘇氨酸合成途徑的動(dòng)力學(xué)模型。模型穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果表明前體物質(zhì)、能量和還原力是蘇氨酸合成的主要限制因素，通過過表達(dá)這些反應(yīng)的酶可以有效增加蘇氨酸合成反應(yīng)的通量，為高效細(xì)胞工廠的理性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
構(gòu)建高效的微生物細(xì)胞工廠是工業(yè)生物技術(shù)的核心之一，生物質(zhì)在細(xì)胞工廠內(nèi)可以被轉(zhuǎn)化為生物能源、大宗化學(xué)品和高價(jià)值精細(xì)化學(xué)品，從而取代基于石油的化工制造。7-脫氫膽甾醇 (7-DHC)是膽甾相液晶材料的重要前體物，利用合成生物技術(shù)生產(chǎn) 7-脫氫膽甾醇的挑戰(zhàn)性在于獲得合成功能模塊與底盤細(xì)胞的適配關(guān)系。天津大學(xué)元英進(jìn)實(shí)驗(yàn)室從更換不同調(diào)控強(qiáng)度的啟動(dòng)子和不同改造的酵母底盤兩方面，對(duì)二者的適配性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)TDH3p調(diào)控的功能模塊與底盤細(xì)胞SyBE_000956具備較好的適配性，使 7-脫氫膽甾醇的產(chǎn)量得到提高，為后續(xù)的適配性研究提供了理性設(shè)計(jì)的依據(jù)。雖然甲烷作為天然氣和沼氣的主要成分不但是高價(jià)值燃料資源，也是一碳化工的重要原料，但是目前基于甲烷的生物催化轉(zhuǎn)化合成高附加值產(chǎn)品的成功研究還沒有報(bào)道過。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)楊松等利用RNA-seq、LC-MS技術(shù)并結(jié)合13C標(biāo)記策略，深入探討了甲烷氧化菌Methylomicrobium alcaliphilum 20Z細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄物和代謝物兩個(gè)層次特征，闡明EMP途徑才是M. alcaliphilum 20Z進(jìn)行甲烷同化的關(guān)鍵通路，這不但改變對(duì)Gammaproteobacteria甲烷氧化菌甲烷同化模式的傳統(tǒng)認(rèn)知，而且為甲烷高效生物催化轉(zhuǎn)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。
隨著微生物細(xì)胞廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物、生物活性物質(zhì)和工業(yè)酶等產(chǎn)品，如何通過工程菌的遺傳改造、實(shí)施針對(duì)性的發(fā)酵控制策略來提高發(fā)酵生產(chǎn)效率，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。絲狀真菌被廣泛應(yīng)用于包括纖維素酶在內(nèi)的工業(yè)酶的生產(chǎn)，在液體深層發(fā)酵中，絲狀真菌菌絲形態(tài)直接影響發(fā)酵液的流變特性，進(jìn)而與目標(biāo)酶蛋白產(chǎn)量存在著重要的關(guān)聯(lián)。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所田朝光實(shí)驗(yàn)室為了挖掘深層發(fā)酵中對(duì)絲狀真菌發(fā)酵產(chǎn)酶性能具有重要影響的形態(tài)發(fā)育相關(guān)基因，以粗糙脈孢菌Neurospora crassa單基因突變體庫中的95株形態(tài)突變株為研究對(duì)象，在結(jié)晶纖維素為碳源的條件下進(jìn)行篩選，對(duì)這些突變株的內(nèi)切-1,4-β-葡聚糖酶酶活、β-葡萄糖苷酶酶活、發(fā)酵液粘度和菌絲干重進(jìn)行測(cè)定，并觀察發(fā)酵液中突變株的菌絲形態(tài)。結(jié)果表明，與野生型菌株相比，突變株SZY11、SZY63、SZY69和SZY87發(fā)酵液中蛋白濃度顯著性提高。突變株SZY11和SZY43發(fā)酵液菌絲體主要形態(tài)為菌球狀，其發(fā)酵液粘度分別降低 75%和 50%，突變株SZY87在發(fā)酵液中呈長絲狀，發(fā)酵液粘度顯著升高至少 2倍。這些與產(chǎn)酶水平相關(guān)的形態(tài)、粘度基因的獲得將有助于絲狀真菌纖維素酶等工業(yè)酶高產(chǎn)工程菌株的理性構(gòu)建。青蒿素作為最有效的抗瘧疾藥物，構(gòu)建高效微生物細(xì)胞工廠合成其前體紫槐二烯及青蒿酸受到了廣泛的關(guān)注。華東理工大學(xué)張嗣良等和中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所王勇等從引入異源MEP途徑基因構(gòu)建紫槐二烯異源合成工程菌株和菌株高密度發(fā)酵過程的糖流加控制策略兩個(gè)方面入手，嘗試最大限度地釋放Escherichia coli 內(nèi)源MEP途徑合成青蒿素前體—紫槐二烯的潛力，使紫槐二烯的產(chǎn)量達(dá)到6.1 g/L，為開發(fā)基于MEP途徑的萜類異源合成工程菌株及其發(fā)酵工藝奠定了基礎(chǔ)。氧化葡萄糖桿菌Gluconobacter oxydans可以將葡萄糖氧化成葡萄糖酸，并進(jìn)一步氧化成2-酮基-葡萄糖酸 (2KGA)和5-酮基-葡萄糖酸 (5KGA)，其中5KGA在催化劑的作用下能夠轉(zhuǎn)化為L(+)-酒石酸。天津科技大學(xué)賈士儒課題組以僅生成5KGA 的氧化葡萄糖桿菌 Gluconobacter oxydans HGI-1為出發(fā)菌株，研究不同碳源 (蔗糖、乳糖、麥芽糖、淀粉、葡萄糖)和有機(jī)氮源(酵母浸粉、魚粉、玉米漿、黃豆餅粉、棉籽餅粉)對(duì) 5KGA產(chǎn)量的影響。選擇玉米漿作有機(jī)氮源，在 5 L發(fā)酵罐中進(jìn)行分批發(fā)酵放大試驗(yàn)時(shí)，5KGA的產(chǎn)量為93.80 g/L，轉(zhuǎn)化率與文獻(xiàn)水平相當(dāng)，但以玉米漿作氮源降低了生產(chǎn)成本，更有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)不僅能夠以可再生碳資源替代化石資源，而且也是以清潔生物加工方式替代傳統(tǒng)化學(xué)加工方式的有效途徑。近年來生物技術(shù)的高度發(fā)展，生物酶制劑的生產(chǎn)水平不斷提高，促進(jìn)了工業(yè)酶在化工、紡織、造紙、食品、制藥、環(huán)境等領(lǐng)域中的應(yīng)用，從而以生物技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)過程，降低資源、能源消耗與污染物排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排與產(chǎn)業(yè)提升。華南理工大學(xué)林影重點(diǎn)介紹在生物制漿、生物漂白、廢紙生物脫墨、酶法紙漿改善性能及樹脂生物控制等工藝中酶的選用、復(fù)配和應(yīng)用技術(shù)及原理，以及酶制劑的應(yīng)用效率及其對(duì)制漿造紙中節(jié)能減排和綠色環(huán)保的意義。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫媛霞實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了利用 D-阿洛酮糖 3-差向異構(gòu)酶 (D-psicose 3-epimerase, DPE)和 L-鼠李糖異構(gòu)酶(L-rhamnose isomerase, L-RhI)雙酶偶聯(lián)反應(yīng)，催化 D-果糖生成 D-阿洛酮糖和 D-阿洛糖等功能性稀少糖的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。
野生型生物催化劑對(duì)于其天然底物通常具有較好的反應(yīng)活性和選擇性，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)多數(shù)情況下是非天然底物，這就要求對(duì)野生型生物催化劑進(jìn)行改造，以提高其對(duì)非天然底物的反應(yīng)活性、穩(wěn)定性和選擇性。江南大學(xué)陳堅(jiān)等對(duì)來源于軟化類芽胞桿菌 Paenibacillus maceras的環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶(Cyclodextrin glycosyltransferase, CGT酶)的+1亞位點(diǎn)附近的3個(gè)氨基酸殘基Leu194、Ala230和His233分別進(jìn)行定點(diǎn)飽和突變和復(fù)合突變，得到突變體L194N/A230D/H233E以麥芽糊精為糖基供體催化合成 2-O-D-吡喃葡糖基-L-抗壞血酸(AA-2G)的效率比野生型CGT酶提高了62.5%。杭州師范大學(xué)陳振明實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)來源于黑曲霉的單胺氧化酶MAO的一個(gè)突變酶進(jìn)行CASTing的半理性定向進(jìn)化，獲得了一個(gè)對(duì)消旋美西律有一定活性的突變體A-1 (F210V/L213C)。以此突變體為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行隨機(jī)突變和篩選，獲得一個(gè)新的突變體(T162A)，其酶活提高了89%，表征對(duì)映體選擇性的 E值也有較大幅度的提高。分子對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)研究表明T162A突變?cè)诒３只钚灾行臍埢鶚?gòu)象的基礎(chǔ)上，使得底物通道氨基酸的二級(jí)結(jié)構(gòu)由A-1的loop-helix結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆母呷嵝詌oop結(jié)構(gòu)，從而為底物的高效結(jié)合與催化創(chuàng)造了條件。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所宋詼實(shí)驗(yàn)室從我國云南騰沖地區(qū)輪馬熱泉的淤泥中篩選分離獲得了一株產(chǎn)生耐熱普魯蘭酶的厭氧芽胞桿菌 Anoxybacillus，并從中克隆獲得了耐熱普魯蘭酶的編碼基因，該酶是目前文獻(xiàn)報(bào)道中比活力最高的耐熱普魯蘭酶。晶體結(jié)構(gòu)分析顯示該酶具有 a-淀粉酶家族中典型的結(jié)構(gòu)，在N端具有一個(gè)特殊的底物結(jié)合域，該結(jié)構(gòu)域的缺失導(dǎo)致比活力和底物結(jié)合力都有相應(yīng)降低。該普魯蘭酶編碼基因在枯草芽胞桿菌中高效表達(dá)，胞外酶活可達(dá)42 U/mL，與野生菌種相比，表達(dá)活力提高40倍以上，表明該普魯蘭酶具有很好的應(yīng)用前景。浙江工業(yè)大學(xué)鄭裕國實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過前期大量篩選，獲得了能夠高效立體選擇性水解 2-羧乙基-3-氰基-5-甲基-己酸乙酯(CNDE)的摩氏摩根菌 Morgarella morganii ZJB-09203，他們?cè)诖藢？袌?bào)道了對(duì)M. morganii ZJB-09203產(chǎn)生的酯水解酶進(jìn)行分離純化和酶學(xué)性質(zhì)研究，為該酶催化合成普瑞巴林手性中間體的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
在生物催化劑的發(fā)現(xiàn)和改造過程中，成功的關(guān)鍵常常在于合適的高效篩選方法?；谝旱挝⒘骺匦酒臋z測(cè)和篩選系統(tǒng)，是近幾年發(fā)展起來的具有通量高、成本低等顯著特點(diǎn)的高通量篩選系統(tǒng)。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所王欽宏實(shí)驗(yàn)室自行安裝建立了液滴微流控芯片系統(tǒng)，對(duì)重要氨基酸 (谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)分別進(jìn)行了微液滴包埋實(shí)驗(yàn)，研究了包埋微液滴的重要特性參數(shù) (如穩(wěn)定性、擴(kuò)散性等)，探索了包埋微液滴對(duì)氨基酸檢測(cè)分選的應(yīng)用。該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、均一地生成微液滴，微液滴大小可根據(jù)需要控制在20?50 μm之間，微液滴間無交叉污染，包埋氨基酸的微液滴的檢測(cè)篩選速度大約為每分鐘600個(gè)，為高通量分析和篩選產(chǎn)氨基酸的微生物奠定了基礎(chǔ)。江南大學(xué)許正宏和史勁松研究組結(jié)合酮康唑抗性篩選法，采用亞硝基胍和低能氮離子注入復(fù)合誘變方法篩選得到一株催化去氫表雄酮 (DHEA)雙羥化生成 3β,7α,15α-三羥基雄甾-5-烯-17-酮的菌株亞麻刺盤孢Colletotrichum lini突變株，在底物DHEA投料濃度為10 g/L時(shí)產(chǎn)物摩爾得率達(dá)到34.2%，較出發(fā)菌株提高了46.2%。
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本次論壇邀請(qǐng)了 9位國際專家、國內(nèi)管理部門、戰(zhàn)略科學(xué)家及行業(yè)龍頭企業(yè)的專家作大會(huì)主題報(bào)告。聚焦工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，在工業(yè)合成生物學(xué)、工業(yè)生物與計(jì)算科學(xué)、生物煉制與生物能源、生物基材料、生物催化工程、工業(yè)蛋白質(zhì)科學(xué)、微生物資源與環(huán)境生物技術(shù)等方向，組織13個(gè)分會(huì)，近90個(gè)分會(huì)報(bào)告和 110多個(gè)墻報(bào)展講。這次論壇的參會(huì)人員達(dá)到 400多人，為我國工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域的專家、學(xué)者、金融界和企業(yè)界人士提供一個(gè)高水平的交流平臺(tái)?！渡锕こ虒W(xué)報(bào)》曾多次與該論壇合作出版專刊，集中反映有關(guān)生物能源、發(fā)酵生物產(chǎn)品、生物基化學(xué)品、生物煉制等方面的最新研究成果，得到了讀者和同行專家的一致好評(píng)。為了傳播本次論壇的成果，促進(jìn)工業(yè)生物技術(shù)研究領(lǐng)域的交流和發(fā)展，《生物工程學(xué)報(bào)》與此次論壇組委會(huì)共同推出一期主題為“工業(yè)生物技術(shù)”的?？?。
隨著基因組測(cè)序技術(shù)、組學(xué)技術(shù)及分析技術(shù)等的快速發(fā)展，生物學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了“大數(shù)據(jù)”時(shí)代，計(jì)算科學(xué)的介入，進(jìn)行高效率、高精度的生物信息學(xué)分析以及生物生理過程的計(jì)算模擬逐漸成為生命科學(xué)和生物技術(shù)的一個(gè)核心部分。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所寧康等介紹了一個(gè)全新的在線元基因組分析系統(tǒng)—Meta-Mesh，它包括元基因組數(shù)據(jù)庫和分析平臺(tái)，可以對(duì)元基因組樣本進(jìn)行系統(tǒng)、有效的分析，實(shí)現(xiàn)樣本的群落結(jié)構(gòu)比較和精確搜索，準(zhǔn)確有效地識(shí)別類似的群落結(jié)構(gòu)的樣本，開啟了研究微生物群落功能多樣性的新思路。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所馬紅武實(shí)驗(yàn)室基于以往發(fā)表的相關(guān)途徑動(dòng)力學(xué)模型和測(cè)量的酶動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，開發(fā)了大腸桿菌蘇氨酸合成途徑的動(dòng)力學(xué)模型。模型穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果表明前體物質(zhì)、能量和還原力是蘇氨酸合成的主要限制因素，通過過表達(dá)這些反應(yīng)的酶可以有效增加蘇氨酸合成反應(yīng)的通量，為高效細(xì)胞工廠的理性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
構(gòu)建高效的微生物細(xì)胞工廠是工業(yè)生物技術(shù)的核心之一，生物質(zhì)在細(xì)胞工廠內(nèi)可以被轉(zhuǎn)化為生物能源、大宗化學(xué)品和高價(jià)值精細(xì)化學(xué)品，從而取代基于石油的化工制造。7-脫氫膽甾醇 (7-DHC)是膽甾相液晶材料的重要前體物，利用合成生物技術(shù)生產(chǎn) 7-脫氫膽甾醇的挑戰(zhàn)性在于獲得合成功能模塊與底盤細(xì)胞的適配關(guān)系。天津大學(xué)元英進(jìn)實(shí)驗(yàn)室從更換不同調(diào)控強(qiáng)度的啟動(dòng)子和不同改造的酵母底盤兩方面，對(duì)二者的適配性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)TDH3p調(diào)控的功能模塊與底盤細(xì)胞SyBE_000956具備較好的適配性，使 7-脫氫膽甾醇的產(chǎn)量得到提高，為后續(xù)的適配性研究提供了理性設(shè)計(jì)的依據(jù)。雖然甲烷作為天然氣和沼氣的主要成分不但是高價(jià)值燃料資源，也是一碳化工的重要原料，但是目前基于甲烷的生物催化轉(zhuǎn)化合成高附加值產(chǎn)品的成功研究還沒有報(bào)道過。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)楊松等利用RNA-seq、LC-MS技術(shù)并結(jié)合13C標(biāo)記策略，深入探討了甲烷氧化菌Methylomicrobium alcaliphilum 20Z細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄物和代謝物兩個(gè)層次特征，闡明EMP途徑才是M. alcaliphilum 20Z進(jìn)行甲烷同化的關(guān)鍵通路，這不但改變對(duì)Gammaproteobacteria甲烷氧化菌甲烷同化模式的傳統(tǒng)認(rèn)知，而且為甲烷高效生物催化轉(zhuǎn)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。
隨著微生物細(xì)胞廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物、生物活性物質(zhì)和工業(yè)酶等產(chǎn)品，如何通過工程菌的遺傳改造、實(shí)施針對(duì)性的發(fā)酵控制策略來提高發(fā)酵生產(chǎn)效率，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。絲狀真菌被廣泛應(yīng)用于包括纖維素酶在內(nèi)的工業(yè)酶的生產(chǎn)，在液體深層發(fā)酵中，絲狀真菌菌絲形態(tài)直接影響發(fā)酵液的流變特性，進(jìn)而與目標(biāo)酶蛋白產(chǎn)量存在著重要的關(guān)聯(lián)。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所田朝光實(shí)驗(yàn)室為了挖掘深層發(fā)酵中對(duì)絲狀真菌發(fā)酵產(chǎn)酶性能具有重要影響的形態(tài)發(fā)育相關(guān)基因，以粗糙脈孢菌Neurospora crassa單基因突變體庫中的95株形態(tài)突變株為研究對(duì)象，在結(jié)晶纖維素為碳源的條件下進(jìn)行篩選，對(duì)這些突變株的內(nèi)切-1,4-β-葡聚糖酶酶活、β-葡萄糖苷酶酶活、發(fā)酵液粘度和菌絲干重進(jìn)行測(cè)定，并觀察發(fā)酵液中突變株的菌絲形態(tài)。結(jié)果表明，與野生型菌株相比，突變株SZY11、SZY63、SZY69和SZY87發(fā)酵液中蛋白濃度顯著性提高。突變株SZY11和SZY43發(fā)酵液菌絲體主要形態(tài)為菌球狀，其發(fā)酵液粘度分別降低 75%和 50%，突變株SZY87在發(fā)酵液中呈長絲狀，發(fā)酵液粘度顯著升高至少 2倍。這些與產(chǎn)酶水平相關(guān)的形態(tài)、粘度基因的獲得將有助于絲狀真菌纖維素酶等工業(yè)酶高產(chǎn)工程菌株的理性構(gòu)建。青蒿素作為最有效的抗瘧疾藥物，構(gòu)建高效微生物細(xì)胞工廠合成其前體紫槐二烯及青蒿酸受到了廣泛的關(guān)注。華東理工大學(xué)張嗣良等和中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所王勇等從引入異源MEP途徑基因構(gòu)建紫槐二烯異源合成工程菌株和菌株高密度發(fā)酵過程的糖流加控制策略兩個(gè)方面入手，嘗試最大限度地釋放Escherichia coli 內(nèi)源MEP途徑合成青蒿素前體—紫槐二烯的潛力，使紫槐二烯的產(chǎn)量達(dá)到6.1 g/L，為開發(fā)基于MEP途徑的萜類異源合成工程菌株及其發(fā)酵工藝奠定了基礎(chǔ)。氧化葡萄糖桿菌Gluconobacter oxydans可以將葡萄糖氧化成葡萄糖酸，并進(jìn)一步氧化成2-酮基-葡萄糖酸 (2KGA)和5-酮基-葡萄糖酸 (5KGA)，其中5KGA在催化劑的作用下能夠轉(zhuǎn)化為L(+)-酒石酸。天津科技大學(xué)賈士儒課題組以僅生成5KGA 的氧化葡萄糖桿菌 Gluconobacter oxydans HGI-1為出發(fā)菌株，研究不同碳源 (蔗糖、乳糖、麥芽糖、淀粉、葡萄糖)和有機(jī)氮源(酵母浸粉、魚粉、玉米漿、黃豆餅粉、棉籽餅粉)對(duì) 5KGA產(chǎn)量的影響。選擇玉米漿作有機(jī)氮源，在 5 L發(fā)酵罐中進(jìn)行分批發(fā)酵放大試驗(yàn)時(shí)，5KGA的產(chǎn)量為93.80 g/L，轉(zhuǎn)化率與文獻(xiàn)水平相當(dāng)，但以玉米漿作氮源降低了生產(chǎn)成本，更有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)不僅能夠以可再生碳資源替代化石資源，而且也是以清潔生物加工方式替代傳統(tǒng)化學(xué)加工方式的有效途徑。近年來生物技術(shù)的高度發(fā)展，生物酶制劑的生產(chǎn)水平不斷提高，促進(jìn)了工業(yè)酶在化工、紡織、造紙、食品、制藥、環(huán)境等領(lǐng)域中的應(yīng)用，從而以生物技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)過程，降低資源、能源消耗與污染物排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排與產(chǎn)業(yè)提升。華南理工大學(xué)林影重點(diǎn)介紹在生物制漿、生物漂白、廢紙生物脫墨、酶法紙漿改善性能及樹脂生物控制等工藝中酶的選用、復(fù)配和應(yīng)用技術(shù)及原理，以及酶制劑的應(yīng)用效率及其對(duì)制漿造紙中節(jié)能減排和綠色環(huán)保的意義。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫媛霞實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了利用 D-阿洛酮糖 3-差向異構(gòu)酶 (D-psicose 3-epimerase, DPE)和 L-鼠李糖異構(gòu)酶(L-rhamnose isomerase, L-RhI)雙酶偶聯(lián)反應(yīng)，催化 D-果糖生成 D-阿洛酮糖和 D-阿洛糖等功能性稀少糖的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。
野生型生物催化劑對(duì)于其天然底物通常具有較好的反應(yīng)活性和選擇性，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)多數(shù)情況下是非天然底物，這就要求對(duì)野生型生物催化劑進(jìn)行改造，以提高其對(duì)非天然底物的反應(yīng)活性、穩(wěn)定性和選擇性。江南大學(xué)陳堅(jiān)等對(duì)來源于軟化類芽胞桿菌 Paenibacillus maceras的環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶(Cyclodextrin glycosyltransferase, CGT酶)的+1亞位點(diǎn)附近的3個(gè)氨基酸殘基Leu194、Ala230和His233分別進(jìn)行定點(diǎn)飽和突變和復(fù)合突變，得到突變體L194N/A230D/H233E以麥芽糊精為糖基供體催化合成 2-O-D-吡喃葡糖基-L-抗壞血酸(AA-2G)的效率比野生型CGT酶提高了62.5%。杭州師范大學(xué)陳振明實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)來源于黑曲霉的單胺氧化酶MAO的一個(gè)突變酶進(jìn)行CASTing的半理性定向進(jìn)化，獲得了一個(gè)對(duì)消旋美西律有一定活性的突變體A-1 (F210V/L213C)。以此突變體為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行隨機(jī)突變和篩選，獲得一個(gè)新的突變體(T162A)，其酶活提高了89%，表征對(duì)映體選擇性的 E值也有較大幅度的提高。分子對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)研究表明T162A突變?cè)诒３只钚灾行臍埢鶚?gòu)象的基礎(chǔ)上，使得底物通道氨基酸的二級(jí)結(jié)構(gòu)由A-1的loop-helix結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆母呷嵝詌oop結(jié)構(gòu)，從而為底物的高效結(jié)合與催化創(chuàng)造了條件。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所宋詼實(shí)驗(yàn)室從我國云南騰沖地區(qū)輪馬熱泉的淤泥中篩選分離獲得了一株產(chǎn)生耐熱普魯蘭酶的厭氧芽胞桿菌 Anoxybacillus，并從中克隆獲得了耐熱普魯蘭酶的編碼基因，該酶是目前文獻(xiàn)報(bào)道中比活力最高的耐熱普魯蘭酶。晶體結(jié)構(gòu)分析顯示該酶具有 a-淀粉酶家族中典型的結(jié)構(gòu)，在N端具有一個(gè)特殊的底物結(jié)合域，該結(jié)構(gòu)域的缺失導(dǎo)致比活力和底物結(jié)合力都有相應(yīng)降低。該普魯蘭酶編碼基因在枯草芽胞桿菌中高效表達(dá)，胞外酶活可達(dá)42 U/mL，與野生菌種相比，表達(dá)活力提高40倍以上，表明該普魯蘭酶具有很好的應(yīng)用前景。浙江工業(yè)大學(xué)鄭裕國實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過前期大量篩選，獲得了能夠高效立體選擇性水解 2-羧乙基-3-氰基-5-甲基-己酸乙酯(CNDE)的摩氏摩根菌 Morgarella morganii ZJB-09203，他們?cè)诖藢？袌?bào)道了對(duì)M. morganii ZJB-09203產(chǎn)生的酯水解酶進(jìn)行分離純化和酶學(xué)性質(zhì)研究，為該酶催化合成普瑞巴林手性中間體的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
在生物催化劑的發(fā)現(xiàn)和改造過程中，成功的關(guān)鍵常常在于合適的高效篩選方法?；谝旱挝⒘骺匦酒臋z測(cè)和篩選系統(tǒng)，是近幾年發(fā)展起來的具有通量高、成本低等顯著特點(diǎn)的高通量篩選系統(tǒng)。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所王欽宏實(shí)驗(yàn)室自行安裝建立了液滴微流控芯片系統(tǒng)，對(duì)重要氨基酸 (谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)分別進(jìn)行了微液滴包埋實(shí)驗(yàn)，研究了包埋微液滴的重要特性參數(shù) (如穩(wěn)定性、擴(kuò)散性等)，探索了包埋微液滴對(duì)氨基酸檢測(cè)分選的應(yīng)用。該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、均一地生成微液滴，微液滴大小可根據(jù)需要控制在20?50 μm之間，微液滴間無交叉污染，包埋氨基酸的微液滴的檢測(cè)篩選速度大約為每分鐘600個(gè)，為高通量分析和篩選產(chǎn)氨基酸的微生物奠定了基礎(chǔ)。江南大學(xué)許正宏和史勁松研究組結(jié)合酮康唑抗性篩選法，采用亞硝基胍和低能氮離子注入復(fù)合誘變方法篩選得到一株催化去氫表雄酮 (DHEA)雙羥化生成 3β,7α,15α-三羥基雄甾-5-烯-17-酮的菌株亞麻刺盤孢Colletotrichum lini突變株，在底物DHEA投料濃度為10 g/L時(shí)產(chǎn)物摩爾得率達(dá)到34.2%，較出發(fā)菌株提高了46.2%。
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