生物支架系统在合成生物学中的应用 被引量：1

1

作者 王琛 赵猛 +3 位作者 丁明珠 王颖 姚明东 肖文海 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第11期4557-4567,共11页

合成生物学作为一种新兴的工程化生物学,可以在底盘细胞中引入外源基因模块实现新功能。但是如何将多种外源模块(酶)进行有效地组装从而提高其协同催化功能是急需解决的一个重大问题。由于异源酶在新宿主中存在内源环境适应性问题,限制... 合成生物学作为一种新兴的工程化生物学,可以在底盘细胞中引入外源基因模块实现新功能。但是如何将多种外源模块(酶)进行有效地组装从而提高其协同催化功能是急需解决的一个重大问题。由于异源酶在新宿主中存在内源环境适应性问题,限制了酶的生物活性。生物支架系统作为一种有效手段,可以提供有效的多酶组装系统。恰当的生物支架能够提供适应环境的柔性平台,实现多酶体系的表达调控,稳定性组装,利于酶与底物结合的区域化设计。本综述对不同类型的生物支架的研究进展进行了系统的总结。文中根据不同类型支架(蛋白型、核酸型)的特点,介绍了典型的应用范例,论述了每种支架的优势与不足,并对生物支架的常见工作机制做了详细讨论。最后对生物支架在人工细胞器设计和复杂聚合物降解等方面的应用做出展望。 展开更多

关键词 合成生物学 生物支架 多酶组装系统 生物催化 代谢路径

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从生物能源到能源合成生物学——创新合成生物技术,助力能源安全体系建设 被引量：1

2

作者 吕雪峰 宋浩 《合成生物学》 CSCD 2023年第6期1051-1054,共4页

能源是人类社会发展的基础和动力,能源供应关系到国家安全和社会稳定,建立能源安全体系对保证国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。化石能源在过去200年间支撑了人类文明的巨大发展,然而其资源储量有限、不可再生,且利... 能源是人类社会发展的基础和动力,能源供应关系到国家安全和社会稳定,建立能源安全体系对保证国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。化石能源在过去200年间支撑了人类文明的巨大发展,然而其资源储量有限、不可再生,且利用过程中伴随着大量温室气体排放和其他环境污染,难以满足未来可持续型能源结构体系的建设需求。可再生能源是指自然界中能够循环再生、不随人类利用而减少的能源,具有清洁、低碳的特点,是能源供应技术的重要发展方向。 展开更多

关键词 能源供应 可再生能源 生物能源 合成生物学 循环再生 人类社会发展 能源结构 资源储量

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产电细胞的合成生物学设计构建 被引量：2

3

作者 赵贞尧 张保财 +1 位作者 李锋 宋浩 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期468-482,共15页

以产电微生物为核心的微生物电催化系统在能源、环境等诸多领域有着广泛的应用,然而自然环境中野生型产电微生物可利用底物谱窄、底物摄取代谢强度弱,胞内电子池容量小、还原力再生效率差,胞外电子传递速率慢、电子通量小,这已成为限制... 以产电微生物为核心的微生物电催化系统在能源、环境等诸多领域有着广泛的应用,然而自然环境中野生型产电微生物可利用底物谱窄、底物摄取代谢强度弱,胞内电子池容量小、还原力再生效率差,胞外电子传递速率慢、电子通量小,这已成为限制其工业化应用的主要瓶颈。本文基于产电微生物介导的化学能到电能的能量转化路径,总结阐明了产电微生物的胞内电子生成过程与胞外电子传递机制,系统综述了近五年国内外利用合成生物学增强产电微生物底物摄取利用、强化胞内电子生成、加速胞外电子传递方面的研究进展,并对未来设计构建高效产电细胞研究进行了展望。 展开更多

关键词 生物催化 生物能源 合成生物学 胞外电子传递 产电细胞

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合成生物学方法改造电活性生物膜研究进展 被引量：1

4

作者 徐静 由紫暄 +4 位作者 张君奇 陈正 吴德光 李锋 宋浩 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期3950-3962,共13页

电活性生物膜是由电能细胞分泌的胞外多糖、蛋白、胞外DNA(extracellular DNA,eDNA)、菌毛等成分聚集,与细胞本身相互交联形成的导电多聚体。以多菌群落形态展现,在微生物燃料电池、微生物电合成、高值化学品生产、重金属污染处理、医... 电活性生物膜是由电能细胞分泌的胞外多糖、蛋白、胞外DNA(extracellular DNA,eDNA)、菌毛等成分聚集,与细胞本身相互交联形成的导电多聚体。以多菌群落形态展现,在微生物燃料电池、微生物电合成、高值化学品生产、重金属污染处理、医疗等领域中具有至关重要的作用,是微生物电催化系统研究的核心之一。但自然状态下的电活性生物膜因厚度、结构稳定性、生物量等因素的限制,严重制约了电子传递效率。综述了近五年利用合成生物学改造电活性生物膜的研究进展,系统探讨了工程生物膜的构建、结构成分、导电性能以及应用,为将来进一步实现高效电催化奠定基础。 展开更多

关键词 电活性微生物 生物膜 合成生物学 生物催化 胞外电子传递 微生物电催化

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电能细胞的合成生物学设计构建 被引量：3

5

作者 由紫暄 李锋 宋浩 《合成生物学》 CSCD 2022年第5期1031-1059,共29页

电能细胞具有与外界环境进行双向电子交换的能力,包括向外界环境释放电子的产电细胞,以及从外界环境获取电子的噬电细胞,在微生物电化学系统中发挥微生物电催化剂的核心作用。以电能细胞为核心的微生物电化学系统在生态环境治理、绿色... 电能细胞具有与外界环境进行双向电子交换的能力,包括向外界环境释放电子的产电细胞,以及从外界环境获取电子的噬电细胞,在微生物电化学系统中发挥微生物电催化剂的核心作用。以电能细胞为核心的微生物电化学系统在生态环境治理、绿色能源开发、化学品高效合成等方面有着广泛应用。但是野生电能细胞因其摄取底物能力弱、胞内电子通量小、双向跨膜电子传递效率低、生物膜形成能力差等原因,化学能到电能的双向转化效率受到极大限制,是实现微生物电化学系统大规模产业化应用的核心瓶颈。本综述聚焦近5年电能细胞合成生物学改造的最新研究进展,通过分析双向电子传递的分子机制,分类汇总产电细胞和噬电细胞的合成生物学改造策略:(1)工程产电细胞(强化产电细胞的胞内电子生成、胞外传递效率,具体为拓宽底物谱、增强还原力转化,提高胞外传递能力、促进电极生物膜形成);(2)工程噬电细胞(强化噬电细胞胞外电子摄取、还原力转化、产物合成效率,包括提高噬电细胞电子摄取和还原力转化,调控细胞代谢路径电合成化学品和生物燃料)。最后,展望了未来高效电能细胞和微生物电化学系统的设计与构建。 展开更多

关键词 电能细胞 合成生物学 生物电催化 双向电子传递 电活性生物膜

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酵母合成单萜类化合物的研究进展 被引量：1

6

作者 高琪 肖文海 《合成生物学》 北大核心 2025年第2期357-372,共16页

单萜类化合物是一类由两个异戊二烯单元缩合而成的萜类化合物,被广泛应用于医药、食品、香料、化妆品、农业和能源等行业中。相较于植物提取和化学合成,利用微生物异源合成单萜类化合物提供了一种高效、可持续及生态友好的可替代途径。... 单萜类化合物是一类由两个异戊二烯单元缩合而成的萜类化合物,被广泛应用于医药、食品、香料、化妆品、农业和能源等行业中。相较于植物提取和化学合成,利用微生物异源合成单萜类化合物提供了一种高效、可持续及生态友好的可替代途径。酵母细胞由于具有短暂的生长周期、内源甲羟戊酸路径和完整的蛋白后修饰体系等优势,成为生物合成单萜类化合物的潜在宿主。随着合成生物学关键技术的发展,研究者们已经成功构建了合成单萜的微生物细胞工厂,但与大规模工业化生产之间还有很大距离。本文介绍了单萜的生物合成途径,除酵母内源甲羟戊酸途径外,人工构建的异源异戊烯醇利用途径与醇依赖型半萜途径也可用于单萜前体香叶基二磷酸的合成,随后围绕提高单萜前体供应、关键酶的改造和调控、区室化工程、缓解单萜的细胞毒性等几个方面阐述了利用酵母细胞合成单萜类化合物的策略和研究进展。最后基于目前单萜类化合物合成仍面临的前体供给不足与单萜及中间代谢物的细胞毒性等挑战,对未来酵母合成单萜类化合物的发展方向进行了展望,包括对单萜产生细胞毒性的具体机制进一步解析、更高效单萜合酶的挖掘与改造、动态调控单萜合成的代谢途径以及更稳定高效合成单萜宿主细胞的探索等,旨在为以后利用酵母合成单萜提供一定的指导。 展开更多

关键词 单萜类化合物 酵母 代谢工程 酶 区室化工程 细胞毒性

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维生素A生物合成的研究进展 被引量：4

7

作者 王欣慧 王颖 +1 位作者 姚明东 肖文海 《化工学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第10期4311-4323,共13页

维生素A是维持人体代谢的必需维生素,在食品、药品及护肤品等多个领域占有重要地位,是三大维生素支柱产品之一,应用前景广阔。市场上的维生素A主要来源于化学合成和天然提取。近年来,随着绿色生物制造的发展,维生素A的生物合成研究取得... 维生素A是维持人体代谢的必需维生素,在食品、药品及护肤品等多个领域占有重要地位,是三大维生素支柱产品之一,应用前景广阔。市场上的维生素A主要来源于化学合成和天然提取。近年来,随着绿色生物制造的发展,维生素A的生物合成研究取得了重大的进展。总结了维生素A生物合成的研究现状,并对维生素A生物合成的优化改造方案进行了分析归纳,概述了维生素A发酵生产以及产品组分调控和储存策略,最后对生物合成维生素A的现状进行总结与展望。 展开更多

关键词 维生素A 细胞工厂 合成生物学 视黄醇 酶 代谢

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光催化-生物杂合系统设计优化用于燃料和化学品绿色合成 被引量：3

8

作者 张劢 田瑶 +3 位作者 郭之旗 王叶 窦广进 宋浩 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期2774-2789,共16页

光催化-生物杂合系统耦合了光催化对光能的高收集效率和广谱吸收性能,以及生物催化温和、高效且高特异性转化的优势,可实现多种高值化学品和燃料分子的绿色、可持续合成,符合“碳中和”发展大方向。按照生物催化载体的不同,光催化-生物... 光催化-生物杂合系统耦合了光催化对光能的高收集效率和广谱吸收性能,以及生物催化温和、高效且高特异性转化的优势,可实现多种高值化学品和燃料分子的绿色、可持续合成,符合“碳中和”发展大方向。按照生物催化载体的不同,光催化-生物杂合系统可分为:光催化-生物酶杂合系统和光催化-微生物杂合系统两大类。光催化-生物酶杂合系统根据作用机制细分为:辅因子介导的间接反应体系、直接电子传递的反应体系以及混合型光催化-生物酶杂合系统;光催化-微生物杂合系统分为:直接电子传递的胞外供能模式、化学物质介导的胞外供能模式以及胞内的能量供给模式。对这些模式的具体作用机制,以及存在的优缺点和关键问题做出了综合评述,并对该领域提出了未来展望。 展开更多

关键词 生物催化 生物能源 二氧化碳捕集 光催化 杂合系统

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生物合成槲皮素糖苷类衍生物的研究进展 被引量：2

9

作者 封悦洋 王颖 +2 位作者 姚明东 肖文海 丁明珠 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第7期2945-2955,共11页

糖苷类天然产物是植物中次级代谢产物的主要存在形式,具有重要的生物活性。通过糖基化修饰可以改变其水溶性、稳定性,产生特殊的生物活性和功能,因此易于商品化应用,具有重要的药用价值和工业价值,尤其在抗癌药物和日化用品中有着广泛... 糖苷类天然产物是植物中次级代谢产物的主要存在形式,具有重要的生物活性。通过糖基化修饰可以改变其水溶性、稳定性,产生特殊的生物活性和功能,因此易于商品化应用,具有重要的药用价值和工业价值,尤其在抗癌药物和日化用品中有着广泛应用。近年来糖苷类产物的生物合成也取得了重大的进展。以重要的糖苷化合物槲皮素为例介绍了糖苷化合物的生物合成,从糖基转移酶和前体供应等角度阐述了生物高产糖苷类化合物的工程策略,为利用合成生物学技术获得植物糖苷的高产菌株提供了技术参考。 展开更多

关键词 植物糖苷 槲皮素 UDP-糖 代谢 分子生物学 酶

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合成生物技术对生物多样性影响的评估探索 被引量：3

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作者 汪保卫 常江 王智文 《环境工程技术学报》 CSCD 北大核心 2022年第1期215-223,共9页

合成生物技术是近年来兴起的一类新兴生物技术,是现代生物技术的新发展阶段;在微生物细胞工厂、人工合成菌群、人工基因组合成、基因组编辑和基因驱动等多个领域取得了一系列重要进展,也获得了多国政府及产学研机构的大力支持。随着合... 合成生物技术是近年来兴起的一类新兴生物技术,是现代生物技术的新发展阶段;在微生物细胞工厂、人工合成菌群、人工基因组合成、基因组编辑和基因驱动等多个领域取得了一系列重要进展,也获得了多国政府及产学研机构的大力支持。随着合成生物技术研究、开发与应用的深入发展,评估其对人类社会生存发展至关重要的生物多样性的影响成为一个重要课题。基于防范降低负面风险、促进有益开发应用和保护生物多样性的评估原则,采用综合考虑合成生物技术适用范围和基于合成生物技术的制品、组分和生物的安全性2个维度的评估方法定性分析了合成生物技术研究、开发与应用对生物多样性的影响,提出了应对其潜在风险的策略与建议,以期为合成生物技术的良性发展、造福社会提供参考。 展开更多

关键词 合成生物技术 生物多样性 潜在风险 定性评估

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微生物燃料电池堆栈的设计开发与应用进展

11

作者 宋浩 贾继朝 +2 位作者 张保财 李锋 邵舒琳 《天津大学学报（自然科学与工程技术版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第9期887-902,共16页

微生物燃料电池可将环境废水中的化学能转化为电能,并驱动和强化有机污染物降解,是生物电化学环境修复、清洁能源开发很有应用潜力的解决方案.目前,微生物燃料电池在实际应用中还存在着电池规模小、输出电能低等工程问题,成为限制其性... 微生物燃料电池可将环境废水中的化学能转化为电能,并驱动和强化有机污染物降解,是生物电化学环境修复、清洁能源开发很有应用潜力的解决方案.目前,微生物燃料电池在实际应用中还存在着电池规模小、输出电能低等工程问题,成为限制其性能和规模化应用的核心瓶颈,因此需要对微生物燃料电池进行规模化放大.然而,单纯地增加单体微生物燃料电池的体积,将增加电池内阻,导致能量损失加大,限制微生物燃料电池输出功率进一步提高,不适合工程化应用.微生物燃料电池堆栈是在保持单体微生物燃料电池性能的基础上,通过将多个单体微生物燃料电池进行串并联连接,从而有效提高微生物燃料电池的输出电压、电流以及功率,是实现微生物燃料电池规模化放大的主要手段,已经广泛应用于复杂环境中低劣生物质发电、废水处理以及化学品合成等领域.本文基于微生物燃料电池堆栈的工作原理,从产电微生物、电极材料、电池结构以及电池传质等多个方面系统分析了影响微生物燃料电池堆栈性能的关键因素,总结了微生物燃料电池堆栈结构和电路管理系统的设计原理与工程技术,分析了微生物燃料电池堆栈的重点应用领域,并针对其未来的研究方向进行了展望,以促进微生物燃料电池堆栈的工业化应用. 展开更多

关键词 微生物燃料电池 堆栈技术 生物能源 产电微生物 废物处理 生物技术

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微生物共利用木糖和葡萄糖生产化学品研究进展 被引量：2

12

作者 王川东 张君奇 +3 位作者 刘丁源 马媛媛 李锋 宋浩 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期354-372,共19页

木质纤维素生物质是储量丰富的可再生资源,在能源、化工及医药领域具有广阔的应用前景。木质纤维素各组分因氢键和共价键的存在而结合紧密,需经酸、碱、高温、有机溶剂等预处理后才能高效酶解利用,其水解产物的主要成分为己糖(60%~70%,... 木质纤维素生物质是储量丰富的可再生资源,在能源、化工及医药领域具有广阔的应用前景。木质纤维素各组分因氢键和共价键的存在而结合紧密,需经酸、碱、高温、有机溶剂等预处理后才能高效酶解利用,其水解产物的主要成分为己糖(60%~70%,葡萄糖为主)和戊糖(30%~40%,木糖为主)的混合物。本文主要针对水解液中木糖和葡萄糖的共利用效率相关问题,以基因工程改造微生物利用木糖和葡萄糖共发酵生产醇类、生物油脂、γ-聚谷氨酸及有机酸等生物基化学品为主线,从代谢途径重构、基因水平调控及发酵技术优化等方面综述了近年来的研究进展。最后,从菌株筛选、基因与代谢工程调控、细胞固定化、产物处理及发酵工艺等层面总结了该领域目前的研究特点、技术瓶颈和未来的研究方向与思路。 展开更多

关键词 木糖代谢 葡萄糖代谢 发酵 生物能源 醇 有机酸

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电活性微生物基因编辑与转录调控技术进展与应用 被引量：2

13

作者 陈雅如 曹英秀 宋浩 《合成生物学》 CSCD 2023年第6期1281-1299,共19页

电活性微生物通过胞外电子传递通路与胞外电子受体/供体进行双向电子交换,产生或吞噬电流。电活性微生物已广泛应用于微生物电化学技术领域,涵盖了元素的生物地球化学循环、环境污染的生物处理与电能生产、生物传感、微生物冶金以及化... 电活性微生物通过胞外电子传递通路与胞外电子受体/供体进行双向电子交换,产生或吞噬电流。电活性微生物已广泛应用于微生物电化学技术领域,涵盖了元素的生物地球化学循环、环境污染的生物处理与电能生产、生物传感、微生物冶金以及化学品的微生物电合成等多个领域,成为全球环境保护和低碳经济的研究热点。然而,这些微生物在实际应用中仍面临较大局限,如微生物燃料电池的输出功率密度存在一定的上限、微生物电合成技术中的CO_(2)还原速率尚未达到理想水平等。为了克服这些限制性因素,需要通过高效的基因编辑和转录调控策略来改变电活性微生物的遗传特性,提高其双向电子传递效率。本文首先总结了模式电活性微生物(希瓦氏菌和地杆菌)和其他代表性电活性微生物的基因编辑方法和利用CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)技术实现转录调控的策略。在基因编辑方面,涵盖了(CRISPR辅助的)同源重组、碱基编辑等方法;而在转录调控方面,包括了CRISPR介导的抑制和激活。此外,对于多基因编辑和调控的策略也进行了深入探讨。其次,综述了这些技术在环境、能源领域中的应用,包括微生物燃料电池、污染物生物处理和修复等。最后,讨论了目前电活性微生物工程改造所面临的挑战和未来的发展方向。 展开更多

关键词 电活性微生物 基因编辑 转录调控 CRISPR 胞外电子传递

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新型植物源天然产物杀虫剂研究进展 被引量：26

14

作者 董小绮 康兆勇 +1 位作者 刘胜男 高清志 《农药学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第5期969-989,共21页

与传统化学杀虫剂相比,植物源天然产物杀虫剂具有靶标特异性强、易降解无残留、对环境无污染等优点,符合绿色农业的发展要求,是杀虫剂研发的重要领域之一。本文围绕不同类型植物源天然产物杀虫剂的结构特征和作用机制,综述了2015年之后... 与传统化学杀虫剂相比,植物源天然产物杀虫剂具有靶标特异性强、易降解无残留、对环境无污染等优点,符合绿色农业的发展要求,是杀虫剂研发的重要领域之一。本文围绕不同类型植物源天然产物杀虫剂的结构特征和作用机制,综述了2015年之后以植物源杀虫剂活性成分为先导化合物进行结构改造的研究现状,最后对植物源农药的发展方向、当前面临的挑战以及产品研发策略进行了分析和展望。 展开更多

关键词 植物源天然产物 杀虫剂 结构修饰 作用机制 构效关系

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DNA信息存储:生命系统与信息系统的桥梁 被引量：8

15

作者 韩明哲 陈为刚 +2 位作者 宋理富 李炳志 元英进 《合成生物学》 CSCD 2021年第3期309-322,共14页

DNA信息存储通过编解码、合成、编辑和测序等过程,实现数字信息写入、存储与读出。其在密度、寿命、能耗和抗电磁干扰等方面较磁、光、电等常规的信息存储介质有较大优势。随着全球数据总量的快速增长,DNA信息存储的优势特性和发展潜力... DNA信息存储通过编解码、合成、编辑和测序等过程,实现数字信息写入、存储与读出。其在密度、寿命、能耗和抗电磁干扰等方面较磁、光、电等常规的信息存储介质有较大优势。随着全球数据总量的快速增长,DNA信息存储的优势特性和发展潜力受到了研究者的广泛关注。本文阐述了DNA信息存储的基本原理和技术流程,分析了DNA信息存储与生命系统和信息系统的关联,并依据读写技术特点归纳近年来涌现的“DNA硬盘”“DNA光盘”“DNA磁带”等几种主要模式、发展现状及技术路线。在此基础上,探讨DNA信息存储商业化、大规模应用面临的主要挑战,讨论更低成本的数据写入和更快速的数据读出,并指出可行的发展路线。最后,展望了DNA作为新型存储介质在现代存储系统中的发展演化趋势。 展开更多

关键词 合成生物学 数字信息存储 DNA合成 DNA测序 信息编码

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