酶催化由于温和条件下的高选择性推动了化学工业可持续发展.然而,稳定性差和催化反应类型匮乏是天然酶在实际工业应用中面临的两大关键挑战.近年来,随着化工、生物、化学和材料等领域的深度融合,开发高稳定、高重复使用性的固定化酶和构建拓展催化反应类型的酶-金属复合催化剂,分别为解决酶催化实际工业应用中稳定性差和催化反应类型受限的问题提供了新的方案.本文主要综述近年来在构建固定化酶和酶-金属复合催化剂领域取得的一些进展,重点介绍酶纳米凝胶、酶-无机纳米晶体复合物和酶-金属复合催化剂方面的研究进展,并探讨该领域在未来发展中所面临的问题与挑战.
含氮化合物广泛应用于医药、化工和材料等领域,因此含氮化合物的高效合成一直都是研究热点.亚胺还原酶是近年来发现的一类以NADPH作为辅因子的氧化还原酶,它能够催化环状亚胺的还原和酮的还原胺化合成各种含氮化合物.这类酶自2010年首次报道以来,已经取得了巨大的研究进展,引起了学术界和工业界的广泛关注.本文主要总结了近十多年来亚胺还原酶的研究进展,具体包括亚胺还原酶的发现、亚胺还原酶催化的亚胺还原和酮还原胺化、涉及亚胺还原酶催化的级联反应、亚胺还原酶的晶体结构与催化机制等内容,重点综述了亚胺还原酶的新功能和新应用.
腈水解酶是一类能够催化腈类化合物水解生成相应羧酸和氨的酶.因其独特的化学、区域和立体选择性,腈水解酶生物催化在高附加值羧酸等化学品的制备中具有重要应用,代表了原子经济和绿色化学的发展方向,成为生物有机合成中最为活跃的分支之一.本文综述了腈水解酶的来源、催化机制及基于结构-功能构效关系的催化性能调控等方面研究进展,展望了 腈水解酶的工业应用潜力,为发展腈水解酶设计改造方法、拓展其应用范围奠定基础.
魔芋葡甘聚糖提取自魔芋根茎,是一种天然多糖,具有良好的亲水性、生物相容性和可降解性,是一种优良的生物材料,近年来受到广泛关注.葡甘聚糖目前仍处于初加工阶段,主要用作食品或食品添加剂,亟待发展新的高附加值应用方向.分离介质和细胞培养微载体是生物制品生产过程中必不可少的生物工程材料,但是市场仍主要被国外产品垄断,实现国产化有利于提升我国生物制品企业的竞争力,保障产业安全.本文综述了具有自主知识产权的葡甘聚糖微球及其制备工艺的建立、结构和表面性能调控,介绍了其在分离纯化、细胞/干细胞培养方面的应用,以期为开辟新的魔芋高值化应用提供参考.
生物制造的核心是细胞代谢反应,它受到胞外环境和细胞内在特性的调控.传统代谢反应过程主要依赖细胞外的宏观参数和经验模型来进行优化,但难以充分发挥细胞潜能.本文综述了以细胞特性来凝练代谢反应工程的核心问题和共性关键技术的研究进展,主要包括细胞物质与能量代谢、遗传与生长的时空调控以及细胞集群效应等细胞特性与代谢反应机制研究、工程技术创新和相关产业应用.基于细胞特性的代谢反应工程技术创新实现了我国1,6-二磷酸果糖、酵母核昔酸和燃料乙醇等重大产品的工程技术水平提升和产业突破.这些成果都是在欧阳平凯院士的指导下完成的,以此文纪念欧阳平凯院士.
L-苏氨酸醛缩酶(LTA)是一种重要的生物催化剂,能够催化醛和甘氨酸生成β-羟基-α-氨基酸.因为β-羟基-α-氨基酸具有两个手性中心,是重要的手性砌块,广泛应用于医药、食品和农业等领域.利用LTA催化手性C—C键合成反应原子经济性高,符合绿色可持续发展理念,是目前的研究热点之一.但是,野生LTA存在非对映体选择性不高、酶活低及稳定性差等缺点,限制了其在手性合成中的应用.近年来,利用LTA合成高价值手性化学品的理论研究和工业应用取得了重大突破.基于此,本文综述了 LTA新酶挖掘、机制解析、分子改造和手性砌块合成等方面的最新研究进展,为LTA的深入研究和工业应用提供思路和借鉴.
槲皮素是一种多羟基黄酮类化合物,其药理作用包括抗过敏、抗炎、抗癌等.工业上生产曲克芦丁产生的母液中含有未被利用的羟乙基芦丁,为实现母液羟乙基芦丁的回收利用,本文从羟乙基芦丁的结构出发,提出了一种化学法与酶法结合的方法将羟乙基芦丁转化为槲皮素.首先采用化学法实现羟乙基芦丁到芦丁的转化,反应收率为89.26％.其次在毕赤酵母中异源表达芦丁降解酶,并优化其芦丁转化槲皮素的反应体系,结果表明在底物浓度为2 mmol/L、酶添加量为15％(体积分数)、pH=5.0、温度为55℃时产率最高,最终酶法产率为53.96％.最后尝试以化学法得到的芦丁为酶法的底物,最终整体的转化率为47.17％.
利用二甲基亚硝胺(DEN)和四氯化碳(CCl4)诱导的原发性肝癌小鼠模型,采用每天给予100 mg/kg人参皂昔Rg5与阳性药索拉非尼(Sorafenib)进行治疗,通过检测小鼠肝脏肿瘤大小、肿瘤组织病理学切片染色、小鼠血清和肝脏中谷丙转氨酶(ALT)与谷草转氨酶(AST)水平以及小鼠肝脏组织中促凋亡相关蛋白水平,以探究人参皂苷Rg5对小鼠肝脏肿瘤生长的抑制作用及机制.结果表明:人参皂昔Rg5可以显著抑制原发性肝癌小鼠肝脏肿瘤的数量及大小,且与阳性药Sorafenib相比无显著性差异;此外,人参皂昔Rg5改善了原发性肝癌小鼠肝损伤、肝纤维化和肝硬化;在机制方面,人参皂昔Rg5通过诱导细胞凋亡抑制原发性肝癌小鼠肝脏肿瘤生长.本研究结果表明,人参皂昔Rg5可能通过诱导肿瘤细胞凋亡抑制原发性小鼠肿瘤生长,为人参皂昔Rg5用于原发性肝癌的治疗提供理论基础.
实现对CO2的高效资源化利用不仅可保障经济高质量发展,而且能助力实现"双碳"目标.生物催化转化CO2是利用活细胞或酶作为催化剂,以CO2为原料合成复杂有机分子的过程.生物酶催化剂具有选择性高、操作条件绿色温和以及易实现碳-碳偶联等优点,有助于将CO2转化为高附加值产品.但由于CO2的高化学惰性,使得CO2的活化和C=O断键成为一个难题.受天然光合作用启发,研究人员提出了电-酶偶联催化转化CO2策略,即利用电化学体系,结合非固定化或固定化酶,利用电能驱动酶催化C=O断键,并将CO2转化为高附加值化合物.本文从NAD(P)H非依赖型和NAD(P)H依赖型氧化还原酶与电极之间的电子传递机制出发,重点阐述了酶与电极间的相互作用、电极的修饰方法和新型电-酶耦合体系的研究进展,概述了电-酶偶联用于CO2催化转化所面临的主要挑战和未来发展前景.
随着原油价格持续升高和环境污染日益严重,人们对燃料乙醇这种清洁可再生能源的关注度越来越高.丰富且可再生的木质纤维素生物质作为燃料乙醇的原料,具有巨大的潜力,被认为是未来乙醇燃料发展的趋势.纤维素乙醇生产技术目前正趋于成熟,生产成本逐渐趋于合理,大规模产业化也正在突破.本文首先介绍了 目前国际燃料乙醇发展的现状,探讨了新时代下发展纤维素燃料乙醇的重要意义以及纤维素燃料乙醇发展所面临的重大挑战;随后,阐述了推动纤维素燃料乙醇高质量发展的先进生物技术,如发酵工程优化策略、代谢工程策略、固定化策略以及酶工程策略;最后对未来发展的方向进行了展望,这为日后燃料乙醇的高质量发展提供了理论指导和实践参考.
生物反应器是生物过程工程的核心设备.应用广泛,已实现了巨大的经济价值.但仍然存在较低的气液传质效率,这是降低生物转化效率的关键因素.本文综述了生物反应器中基于溶质渗透模型的传质机制及常用的体积传质系数(kLa)测量方法,剖析了气含率(Φ)、气泡直径(dB)、扩散系数(DL)、湍动能耗散率(ε)、液相密度(ρ)、流体黏度(μ)以及表面张力(σ)等因素对kLa的影响机制,论述了最新的气液传质强化方法及应用进展,以期为生物反应器的气液传质强化提供研究思路.
“合成生命，设计生命”是合成生物学与生物制造的重要使命，通过按需设计、化学再造人工基因组，实现人工细胞工厂的精准构建。当前细胞工厂面临代谢网络复杂、缺乏理性设计、试错成本高、底盘生物改造周期长等瓶颈问题，限制了细胞工厂的应用。基于合成基因组学的柔性生物底盘，集成机器学习辅助智能设计、自动化高通量构建检验是潜在的解决途径，三者融合将构建下一代柔性化、智能化、自动化细胞工厂，打造分子生物合成的研发新范式，极大加速设计—合成—测试—优化的循环迭代，实现高价值目标分子的按需设计与快速生产。本文结合笔者近年在细胞工厂构建方面的研究工作，从国内外细胞工厂柔性化、智能化、自动化等方面进行综述，并展望未来发展趋势。
蛋白酶广泛存在于动物、植物及微生物体内,在生物体内的代谢和合成过程中发挥着重要作用,也是一种重要的工业酶制剂,其中,微生物蛋白酶几乎占据着全球商业蛋白酶的三分之二.随着生物技术的兴起,蛋白酶在各个领域的应用日益广泛,通过酶工程改造和基因工程菌株构建获得高稳定性的蛋白酶是其工业应用的关键.本文首先对功能蛋白酶的来源进行了分析,进一步对功能蛋白酶的类型、功能及其作用机制进行了阐述;然后综述了部分重要功能蛋白酶的酶工程改造和基因工程菌株构建方法;最后总结了功能蛋白酶的应用领域并提出了未来重要功能蛋白酶的应用方向.
凋亡小体是一类由凋亡细胞释放的细胞外囊泡,由于具有良好的载药功能以及优异的靶向能力,凋亡小体被认为是一种具有潜力的药物递送载体.本文首先概述了凋亡小体的形成机制,然后总结了近年来基于凋亡小体的药物递送系统的相关研究,包括完整凋亡小体药物递送系统、重组凋亡小体药物递送系统、原位生成的凋亡小体药物递送系统以及类凋亡小体仿生药物递送系统,最后对凋亡小体在药物递送领域所面临的挑战和潜在解决策略进行了展望.
为了开发微生物控藻技术,从藻际环境中分离了具有溶藻活力(algicidal ability)的细菌,并探讨了群体感应信号对溶藻活力的调节作用.通过稀释涂布法从甲藻赤潮样品中分离得到了 10 株溶藻细菌,16S rRNA 基因序列鉴定为 5 个属,包括交替假单胞菌(Pseudoalteromonas sp.)、假单胞菌(Pseudomonas sp.)、弧菌属(Vibrio sp.)、新鞘氨醇杆菌属(Novosphingobium sp.)以及鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas sp.).溶藻能力分析显示,这 10 株细菌均具有较强的溶藻能力,对裸甲藻叶绿素的产生具有明显的抑制能力,其中尤以新鞘氨醇杆菌最为突出.薄层色谱法TLC检测到 8 株细菌具有产群体感应信号的能力,信号分子主要为高丝氨酸内酯AHL-C8、AHL-C8-O以及AHL-10.为了验证群体感应信号对溶藻能力的调节作用,以新鞘氨醇杆菌为代表构建了AHL突变株,通过突变株与野生株的比较试验,发现AHL的缺失明显降低了溶藻能力,证实抑藻能力受到AHL信号的正向调节.酶活分析显示主要的抑制机制在于诱发了藻类明显的氧化应激,致使丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)活力明显上升.考虑到藻类的有效防控是水生生态安全的重要组成部分,本研究结果提示微生物利用群体感应信号介导溶藻作用,可能帮助我们开发针对性的方法提升控制藻类的能力,例如合成生物学技术的引入.
土壤污染是现今重要的环境问题之一,对生态系统和人类健康均造成了不同程度的危害.国内外研究者将各类性能优异的材料和具备修复能力的微生物结合,构建了不同的活体功能材料,对污染的土壤进行修复.活体功能材料兼具活体生物细胞和静态材料的双重特性,具备环境响应性、可自我复制、可编程化和智能化等优势,在污染修复方面有较大的发展潜力.本文着重围绕土壤污染的有机化合物和重金属污染问题,简述了土壤污染修复的物理化学方法以及常见的生物修复方法,重点综述了近年来活体功能材料在有机化合物污染和重金属污染修复方面的研究进展,总结了活体功能材料在土壤污染修复中的应用,并展望了未来的研究方向和前景.
微藻生长速度快、CO2固定效率高,每生产1t微藻生物质可固定1.83 t CO2.同时,微藻还可将固定的CO2转化为油脂、蛋白质、多糖、色素和不饱和脂肪酸等物质,能够实现CO2的高值化利用.因此,微藻生物固碳技术在CO2捕集和利用方面具有极大的发展潜能.本文首先阐述了高效固定CO2 藻株的选育、提高微藻生物固定CO2 的培养策略、微藻处理烟道气化合物技术、微藻高效培养光生物反应器的开发及新兴技术助力微藻碳减排等内容,再结合现阶段微藻生物固碳技术所面临的挑战,展望了微藻生物固定CO2在"双碳"目标中的应用前景,以期为利用微藻高效固定CO2、高值化利用CO2提供参考,从而加速"双碳"目标的实现.
香草醛是广泛使用的一种天然香料和药物原料,目前主要通过化学合成和天然提取的方法获取.市场上的香草醛主要来源于化学合成,但有毒有害试剂的使用无法满足绿色化学的要求和可持续的发展理念.代谢工程和合成生物学技术的发展在微生物宿主中实现了构建香草醛合成途径,并以可再生资源为底物合成香草醛.因此,本文全面综述了已经发现的香草醛生物合成途径以及优化与调控途径合成效率的各种工程策略,提出了微生物异源合成香草醛面临的挑战,为香草醛的高效生物合成提供参考.
在整个地球演化历史过程中,产甲烷古菌在生物地球碳循环中一直扮演着重要角色.据报道,约三分之二的地球生物甲烷通量来自乙酸型产甲烷途径,乙酸型甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)是目前发现为数不多的可以进行乙酸型产甲烷途径的模式产甲烷古菌,对M.acetivorans代谢途径的解析、改造和应用可为温室气体甲烷的减排与其作为能源的合理利用提供新思路.本文综述了M.acetivorans的产甲烷代谢途径、遗传改造策略、细胞工厂构建 3 个方面的研究进展,分析了M.acetivorans与其他进行乙酸型产甲烷代谢的产甲烷古菌在以上三方面的异同,并对进一步设计和构建其作为微生物细胞工厂所面临的问题与挑战进行了展望.
经济成本过高阻碍了微藻产品的产业化,而国内目前缺乏有关微藻产品技术经济分析的研究.为探究更符合我国国情的降低微藻产品成本的策略,本文采用结合地域气候和藻种特性的微藻生长模型,对基于管道式光生物反应器的藻粉(含水量为 5%的微藻生物质)生产过程进行技术经济分析,讨论了价格和工艺两大类共 12 个参数以及生产规模对藻粉总成本的影响程度,并对影响经济成本的主要参数进行情景设计.结果显示,普通小球藻(Chlorella vulgaris)藻粉产量受地域和季节影响较大,对位于浙江省乐清市规模为 0.1 hm2的生产基地,藻粉年产量约3.8 t,成本为 185.7 ￥/kg.直接人工费、生长温度、光合效率和年运行时间是影响藻粉总成本的四个重要参数,最具成本吸引力的产业化规模约为 10 hm2.考虑了降价空间和技术进步的某未来情景下藻粉成本可降至 22.6 ￥/kg,该值与近年来文献给出的亚洲西南部和欧洲各地商业规模的微藻干物质成本较为接近.本文的研究可为我国微藻产品产业化的发展提供一定的理论和数据参考.
