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题名体外生物转化(ivBT):生物制造的新前沿
被引量：8
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作者
石婷
宋展
宋世怡
张以恒
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机构
中国科学院天津工业生物技术研究所低碳合成工程生物学(全国)重点实验室
中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心
合成生物学海河实验室
上海交通大学生命科学技术学院
华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室
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出处
《合成生物学》
CSCD
北大核心
2024年第6期1437-1460,共24页
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基金
国家重点研发计划(2022YFA0912300)
国家自然科学基金面上项目(NSFC32271544)
+1 种基金
合成生物学海河实验室颠覆性创新项目(22HHSWSS000155)
天津市合成生物技术创新能力提升行动项目(TSBICIP-CXRC-067)。
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文摘
人类社会的重大挑战(如粮食安全、能源安全、气候变化与双碳目标等)驱动全社会寻求创新型技术解决方案。体外生物转化(in vitro biotransformation,ivBT)是介于微生物发酵与酶催化之间的新质生物制造平台,多酶分子机器是其超限生物催化剂。它基于大道至简原则,利用多个天然酶、人工酶以及(仿生/天然)辅酶等重构生化途径,摆脱生物体生存局限(如细胞复制、基础代谢、复杂调控和能量供给等),超越细胞合成极限,实现重要生物转化与超限能量转换,尤其是生产低值大宗产品与新能源产品等。工业生物制造的三个平台技术分别是基于细胞工厂的发酵、基于酶分子的生物催化与基于多酶分子机器的ivBT。本综述对ivBT给出明确定义,阐明其多酶途径设计原则与产业化技术研发路径,比较该平台与现有生物制造平台相似性与不同点,介绍多个代表性案例,以及讨论其未来的机会与挑战。ivBT技术发展采用设计-构建-判决-优化的线性策略,开发能够满足国家需求的超高效多酶分子机器。利用ivBT有望形成超过30万亿元生物产品的工业生物制造,助力实现人类社会的多项重要需求,如粮食安全、新型能源体系等。人造淀粉不仅可以帮助中国端牢粮食饭碗,而且将是一个全新且安全的高密度储氢载体(比压缩氢气高2.5倍)与高能储电介质(比锂电池高10倍)。
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关键词
体外合成生物学
工业生物制造
体外生物转化
多酶分子机器
粮食安全
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Keywords
in vitro synthetic biology
industrial biomanufacturing
in vitro biotransformation
in vitro synthetic enzymatic biosystem
food security
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分类号
Q819
[生物学—生物工程]
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题名体外多酶分子机器产氢应用中的氢酶研究
被引量：1
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作者
李怡霏
陈艾
孙俊松
张以恒
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机构
中国科学院上海高等研究院低碳生物转化团队
中国科学院天津工业生物技术研究所低碳合成工程生物学(全国)重点实验室
中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心
合成生物学海河实验室
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出处
《合成生物学》
CSCD
北大核心
2024年第6期1461-1484,共24页
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基金
国家重点研发计划“合成生物学”重点专项“糖水氢电系统——体外多酶高效产氢及氢电装置的基础及工程研究”(2022YFA0912000)。
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文摘
氢酶是生物制氢和氢能利用的最关键酶,它是一类广泛分布的对氧敏感的多亚基金属复合酶。体外多酶分子机器是体外生物转化技术中的高效酶生物催化系统,利用该分子机器生产氢气是一种新型高效的绿氢生产技术,它突破微生物产氢的Thauer极限,将葡萄糖产氢的转化率提高至接近化学理论值(1 mol葡萄糖裂解水生产12 mol氢气),代表着生物产氢的未来方向。氢酶的制备及催化性能是限制多酶分子机器产氢技术广泛应用的主要瓶颈;氧气不仅抑制氢酶的活性,也是氢酶转录翻译及翻译后加工的重要影响因素。体外多酶分子机器对氢酶的耐氧性能、热稳定性及高周转性能等参数提出高要求。本文结合氢酶在多酶分子机器制氢应用中的技术障碍,针对迫切的基础科学问题,分别从氢酶分类、结构功能、重组表达技术进展、(仿生)辅酶的适配等方面对其进行了相关的总结,并初步对氧的抑制机制、微生物重组表达氢酶以及产氢人工电子传递链的优化等难点问题的研究进行了跟踪,期待能够为氢酶在体外合成生物学的应用提供参考。
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关键词
氢酶
生物产氢
体外多酶分子机器
仿生辅酶
人工电子传递链
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Keywords
hydrogenase
bioproduction of hydrogen
in vitro synthetic enzymatic biosystems
biomimetic coenzyme
artificial electron transport chain
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分类号
Q819
[生物学—生物工程]
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