工業(yè)生物技術(shù)?？蜓?/h1>
2011-02-22 07:11蔡真李寅
生物工程學(xué)報(bào) 2011年7期
蔡真，李寅
中國科學(xué)院微生物研究所，北京 100101
進(jìn)入 21世紀(jì)以來，礦石資源和能源的不斷減少、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，給傳統(tǒng)的化石經(jīng)濟(jì)帶來了巨大沖擊，各國均在探索新的社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展模式。在此背景下，工業(yè)生物技術(shù)因其資源可再生、環(huán)境友好、過程簡單且高效專一等特點(diǎn)，一經(jīng)提出便備受關(guān)注，被普遍認(rèn)為是可以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。為此，美國、日本和歐洲的一些發(fā)達(dá)國家已制定了在今后幾十年中用生物過程逐步取代化學(xué)過程的戰(zhàn)略計(jì)劃。針對我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人均資源嚴(yán)重短缺、環(huán)境污染非常嚴(yán)重的具體國情，大力發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)，更是實(shí)現(xiàn)我國社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。
工業(yè)生物技術(shù)從提出至今不過十多年的時(shí)間，但發(fā)展卻非常迅速。就全球而言，現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)滲透到包括醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源、化工、環(huán)保等幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域，并扮演著極為重要的角色。生物技術(shù)在環(huán)境、材料、信息等領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大和加強(qiáng)。我國工業(yè)生物技術(shù)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，部分產(chǎn)業(yè)的規(guī)模在世界上已占有舉足輕重的地位。然而技術(shù)水平低、市場競爭力弱仍是制約我國工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。在這樣的背景下，《生物工程學(xué)報(bào)》策劃并組織出版本期“工業(yè)生物技術(shù)”?？薪榻B國內(nèi)該領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者在基因工程、代謝工程與合成生物學(xué)、生理工程、發(fā)酵工程與生化工程、生物催化與生物轉(zhuǎn)化等方面的最新研究成果。
在基因工程研究領(lǐng)域中，開發(fā)新功能的酶/活性多肽、提高蛋白質(zhì)的異源表達(dá)量、酶編碼基因的鑒定及酶活性的快速檢測等依然是研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。江南大學(xué)陳衛(wèi)等[1]通過基因搜索工具篩選出一種新的 IIa類細(xì)菌素，并通過融合表達(dá)實(shí)現(xiàn)了該細(xì)菌素在大腸桿菌中的高效可溶表達(dá)。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)蛋白在畢赤酵母中的規(guī)?；苽洌洗髮W(xué)許正宏等[2]用雙質(zhì)粒共表達(dá)體系將一種潛在的糖尿病治療藥物——人胰高血糖素樣肽-1-人血清白蛋白融合蛋白在畢赤酵母中的表達(dá)量提高了 50%。值得一提的是，研究者還開發(fā)了利用硝酸纖維素膜固定菌落分泌的蛋白，再利用將濾膜與抗體雜交顯色的免疫斑點(diǎn)法，可以同時(shí)篩選幾百個(gè)轉(zhuǎn)化子中目標(biāo)蛋白的表達(dá)量，提高了篩選的效率和準(zhǔn)確度，為其他類似研究提供了借鑒。河北大學(xué)張利平等[3]用重疊延伸PCR的方法獲得三孢布拉霉CarRA蛋白的編碼基因，并在大腸桿菌體內(nèi)構(gòu)建了該酶的活性檢測方法，可以通過顏色互補(bǔ)，方便快速地檢測出該酶的番茄紅素環(huán)化酶功能活性和八氫番茄紅素合成酶功能活性。
發(fā)酵工業(yè)是工業(yè)生物技術(shù)的核心產(chǎn)業(yè)。目前，已有超過500種產(chǎn)品 (覆蓋50個(gè)行業(yè)) 是通過大規(guī)模的微生物發(fā)酵生產(chǎn)的[4]。目前我國發(fā)酵工業(yè)正以每年20%的速度快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2015年，我國發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)值將超過1萬億人民幣。針對不同發(fā)酵產(chǎn)品，許多研究者分別從代謝工程、合成生物學(xué)、生理工程、發(fā)酵工程、生化工程等角度，開展了創(chuàng)新的研究工作。
在代謝工程方面，宿主中目標(biāo)產(chǎn)物代謝途徑中還原力NAD(H) 或NADP(H) 的不平衡問題，嚴(yán)重制約了目標(biāo)產(chǎn)物的大量生產(chǎn)。為了解決此問題，中國科學(xué)院微生物研究所李寅和周杰等[5]阻斷了藍(lán)藻Synechocystis sp. PCC 6803中聚羥基丁酸酯PHB合酶編碼基因，在不影響細(xì)胞生長的情況下，減少了副產(chǎn)物PHB的合成，提高了細(xì)胞內(nèi)NADPH的水平，構(gòu)建了一個(gè)改變碳流向并具有充足還原力的工程藍(lán)藻，為藍(lán)藻產(chǎn)化學(xué)品奠定了基礎(chǔ)。南京工業(yè)大學(xué)姜岷等[6]則針對大腸桿菌利用葡萄糖生產(chǎn)丁二酸時(shí)NADH的供給問題，在宿主中過量表達(dá)依賴NAD+的蘋果酸脫氫酶，使重組菌恢復(fù)了厭氧條件下代謝葡萄糖的能力。同時(shí)為了減少副產(chǎn)物形成，研究者還敲除了大腸桿菌中乳酸脫氫酶和丙酮酸-甲酸裂解酶的編碼基因，阻斷了丁二酸合成的代謝支路。最終采取兩階段發(fā)酵時(shí)，丁二酸濃度和得率分別達(dá)到15 g/L和1 g/g葡萄糖，生產(chǎn)強(qiáng)度為1 g/(L·h)。
除了改變代謝途徑中還原力不平衡的問題以外，提高代謝途徑中限速酶的表達(dá)量也是加強(qiáng)整個(gè)代謝途徑、提高目標(biāo)產(chǎn)量的有力方法。在這一方面，江南大學(xué)饒志明和許正宏等[7]，在研究來源于鈍齒棒桿菌的 N-乙酰鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶的酶學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，在鈍齒棒桿菌中過表達(dá)該基因，將其精氨酸產(chǎn)量提高了15%。另外，在非天然宿主中構(gòu)建目標(biāo)產(chǎn)物代謝途徑以及加強(qiáng)天然宿主利用非天然底物的能力這兩個(gè)方面也取得了一定的進(jìn)展。江南大學(xué)石貴陽和張梁等[8]從自然樣品中篩選分離得到一株能在pH 2.5 (乳酸調(diào)節(jié)) 的培養(yǎng)基中生長且不利用乳酸的酵母，通過在其中表達(dá)來源于米根霉 As3.819的乳酸脫氫酶編碼基因并初步優(yōu)化其培養(yǎng)條件，可使乳酸產(chǎn)量達(dá)到40 g/L以上。大連理工大學(xué)袁文杰和白鳳武等[9]，從馬克斯克魯維酵母中擴(kuò)增出菊粉酶編碼基因，并導(dǎo)入釀酒酵母工業(yè)菌株中，以200 g/L粗菊芋粉生料進(jìn)行乙醇發(fā)酵時(shí)，重組菌株的發(fā)酵終點(diǎn)乙醇濃度可達(dá)55 g/L，糖醇轉(zhuǎn)化率為0.495，達(dá)到理論值的 96.9%，為非糧作物菊芋生產(chǎn)燃料乙醇奠定了良好基礎(chǔ)。
始于 21世紀(jì)初的合成生物學(xué)的核心是通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)，來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。主要技術(shù)包括DNA的合成，來自多種微生物中基因及代謝途徑的組裝，多基因的精密調(diào)控等。為了構(gòu)建抗瘧疾藥青蒿素前體——紫穗槐-4,11-二烯的人工合成途徑，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院方宏清等[10]在大腸桿菌中引入人工合成的紫穗槐-4,11-二烯合酶基因，利用大腸桿菌內(nèi)源的法尼基焦磷酸，成功獲得了紫穗槐-4,11-二烯。另外，還通過引入糞腸球菌的甲羥戊酸途徑來增加前體供給，并過表達(dá)代謝途徑中3個(gè)限速酶，最終使搖瓶中紫穗槐-4,11-二烯產(chǎn)量達(dá)到235 mg/L，為高效合成紫穗槐-4,11-二烯奠定了基礎(chǔ)。
以上代謝工程和合成生物學(xué)均是以提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量為主要目標(biāo)。但是要想實(shí)現(xiàn)實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用，除了提高目標(biāo)產(chǎn)物的合成能力外，菌株的工業(yè)適應(yīng)性 (包括抵抗生產(chǎn)過程中pH、溫度、滲透壓等環(huán)境條件的波動，對產(chǎn)物或底物抑制不敏感，菌株在發(fā)酵過程中的穩(wěn)定性等) 也同樣非常重要，生理工程的概念應(yīng)運(yùn)而生[11]。為了提高工業(yè)釀酒酵母在乙醇發(fā)酵中抗溫度脅迫的能力，中國科學(xué)院微生物研究所何秀萍和張博潤等[12]先用傳統(tǒng)的化學(xué)誘變劑(硫酸二乙酯) 處理酵母細(xì)胞，再提取優(yōu)勢突變株的DNA，經(jīng)上述誘變劑處理后重新導(dǎo)入親本細(xì)胞，最終獲得重組菌株的最高生長溫度比原始菌株提高了3 ℃，在30 ℃~40 ℃范圍內(nèi)具有良好的糖醇轉(zhuǎn)化率和乙醇產(chǎn)量，發(fā)酵200 g/L葡萄糖能夠產(chǎn)生83.8~91.2 g/L乙醇。這一結(jié)合了化學(xué)誘變和基因組DNA誘變的方法，也可為改造其他宿主的其他生理功能提供借鑒思路。
除了前述基因工程、代謝工程、合成生物學(xué)、生理工程這些工業(yè)生物技術(shù)的上游研究以外，針對發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)酵工程以及針對酶的生化工程這類中、下游研究同樣重要。在發(fā)酵工程方面，江南大學(xué)吳敬等[13]優(yōu)化了大腸桿菌表達(dá)嗜熱子囊菌角質(zhì)酶的發(fā)酵條件，最終使3 L發(fā)酵罐中角質(zhì)酶酶活達(dá)到 506 U/mL，是迄今國內(nèi)外報(bào)道細(xì)菌來源角質(zhì)酶的最高水平。集美大學(xué)蔡慧農(nóng)等[14]優(yōu)化了7 L罐中法夫酵母產(chǎn)蝦青素的pH值調(diào)控方式及補(bǔ)料培養(yǎng)基成分對發(fā)酵的影響，最終在 1 m3罐中試補(bǔ)料發(fā)酵時(shí)，蝦青素和總類胡蘿卜素的體積產(chǎn)率分別達(dá)到279.96 mg/L和618.01 mg/L。而在生化工程方面，四川大學(xué)廖學(xué)品等[15]用三價(jià)鐵改性膠原纖維，在固定過氧化氫酶時(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)良的固定化載體性能。
生物催化與生物轉(zhuǎn)化是用具有催化能力的全細(xì)胞或酶將原料轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)品，被 經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織 (OECD) 定位為構(gòu)建和環(huán)境協(xié)調(diào)的產(chǎn)業(yè)體系的關(guān)鍵技術(shù)。在這一方面，江南大學(xué)石貴陽等[16]在枯草芽胞桿菌中表達(dá)羰基還原酶，實(shí)現(xiàn)了用全細(xì)胞催化底物 1-苯基-2-甲氨基丙酮生成 d-偽麻黃堿。由于該酶促反應(yīng)需要NADH，所以研究者把該反應(yīng)置于枯草芽胞桿菌中進(jìn)行，并利用細(xì)胞內(nèi)源的葡萄糖脫氫酶完成輔酶再生。最終在葡萄糖存在的情況下，該重組枯草芽胞桿菌生成d-偽麻黃堿的產(chǎn)量為97.5 mg/L，底物摩爾轉(zhuǎn)化率為24.1%。為了研究溫度在β-1,3-葡聚糖酶分解酵母β-葡聚糖時(shí)的作用，山東大學(xué)盧雪梅等[17]采用分體模塊設(shè)計(jì)，研制了一種新型的溫度梯度產(chǎn)生裝置，可以快速、精準(zhǔn)、連續(xù)地實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫度的控制。研究結(jié)果不但能為寡糖生產(chǎn)提供精確的溫度控制參數(shù)，也為其他需要精確連續(xù)控溫的實(shí)驗(yàn)提供了方便。通過分子定向進(jìn)化，改善和提高酶的性能，一直是這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。暨南大學(xué)姚冬生等[18]采用易錯(cuò)PCR的方法，獲得了耐高溫和在酸、堿條件下均穩(wěn)定的黃曲霉毒素解毒酶突變體，為提高體外直接降解黃曲霉毒素的效率奠定了基礎(chǔ)。
最后，在生物技術(shù)與方法方面，衛(wèi)生部抗生素生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武臨專等[19]開發(fā)了一種快速檢測抗生素洋橄欖葉素的化學(xué)方法，主要包括TLC硅膠板分離、NaOH溶液顯色、HPLC和LC-MS分析。同時(shí)，還可以利用該抗生素生物合成基因簇中的tgd基因的PCR檢測與序列分析，對該抗生素的生產(chǎn)菌進(jìn)行快速檢測。
希望本期?？転閲鴥?nèi)從事相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供借鑒和參考，促進(jìn)我國工業(yè)生物技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。
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中國科學(xué)院微生物研究所，北京 100101
進(jìn)入 21世紀(jì)以來，礦石資源和能源的不斷減少、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，給傳統(tǒng)的化石經(jīng)濟(jì)帶來了巨大沖擊，各國均在探索新的社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展模式。在此背景下，工業(yè)生物技術(shù)因其資源可再生、環(huán)境友好、過程簡單且高效專一等特點(diǎn)，一經(jīng)提出便備受關(guān)注，被普遍認(rèn)為是可以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。為此，美國、日本和歐洲的一些發(fā)達(dá)國家已制定了在今后幾十年中用生物過程逐步取代化學(xué)過程的戰(zhàn)略計(jì)劃。針對我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、人均資源嚴(yán)重短缺、環(huán)境污染非常嚴(yán)重的具體國情，大力發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)，更是實(shí)現(xiàn)我國社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。
工業(yè)生物技術(shù)從提出至今不過十多年的時(shí)間，但發(fā)展卻非常迅速。就全球而言，現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)滲透到包括醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源、化工、環(huán)保等幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域，并扮演著極為重要的角色。生物技術(shù)在環(huán)境、材料、信息等領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大和加強(qiáng)。我國工業(yè)生物技術(shù)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，部分產(chǎn)業(yè)的規(guī)模在世界上已占有舉足輕重的地位。然而技術(shù)水平低、市場競爭力弱仍是制約我國工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。在這樣的背景下，《生物工程學(xué)報(bào)》策劃并組織出版本期“工業(yè)生物技術(shù)”?？薪榻B國內(nèi)該領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者在基因工程、代謝工程與合成生物學(xué)、生理工程、發(fā)酵工程與生化工程、生物催化與生物轉(zhuǎn)化等方面的最新研究成果。
在基因工程研究領(lǐng)域中，開發(fā)新功能的酶/活性多肽、提高蛋白質(zhì)的異源表達(dá)量、酶編碼基因的鑒定及酶活性的快速檢測等依然是研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。江南大學(xué)陳衛(wèi)等[1]通過基因搜索工具篩選出一種新的 IIa類細(xì)菌素，并通過融合表達(dá)實(shí)現(xiàn)了該細(xì)菌素在大腸桿菌中的高效可溶表達(dá)。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)蛋白在畢赤酵母中的規(guī)?；苽洌洗髮W(xué)許正宏等[2]用雙質(zhì)粒共表達(dá)體系將一種潛在的糖尿病治療藥物——人胰高血糖素樣肽-1-人血清白蛋白融合蛋白在畢赤酵母中的表達(dá)量提高了 50%。值得一提的是，研究者還開發(fā)了利用硝酸纖維素膜固定菌落分泌的蛋白，再利用將濾膜與抗體雜交顯色的免疫斑點(diǎn)法，可以同時(shí)篩選幾百個(gè)轉(zhuǎn)化子中目標(biāo)蛋白的表達(dá)量，提高了篩選的效率和準(zhǔn)確度，為其他類似研究提供了借鑒。河北大學(xué)張利平等[3]用重疊延伸PCR的方法獲得三孢布拉霉CarRA蛋白的編碼基因，并在大腸桿菌體內(nèi)構(gòu)建了該酶的活性檢測方法，可以通過顏色互補(bǔ)，方便快速地檢測出該酶的番茄紅素環(huán)化酶功能活性和八氫番茄紅素合成酶功能活性。
發(fā)酵工業(yè)是工業(yè)生物技術(shù)的核心產(chǎn)業(yè)。目前，已有超過500種產(chǎn)品 (覆蓋50個(gè)行業(yè)) 是通過大規(guī)模的微生物發(fā)酵生產(chǎn)的[4]。目前我國發(fā)酵工業(yè)正以每年20%的速度快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2015年，我國發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)值將超過1萬億人民幣。針對不同發(fā)酵產(chǎn)品，許多研究者分別從代謝工程、合成生物學(xué)、生理工程、發(fā)酵工程、生化工程等角度，開展了創(chuàng)新的研究工作。
在代謝工程方面，宿主中目標(biāo)產(chǎn)物代謝途徑中還原力NAD(H) 或NADP(H) 的不平衡問題，嚴(yán)重制約了目標(biāo)產(chǎn)物的大量生產(chǎn)。為了解決此問題，中國科學(xué)院微生物研究所李寅和周杰等[5]阻斷了藍(lán)藻Synechocystis sp. PCC 6803中聚羥基丁酸酯PHB合酶編碼基因，在不影響細(xì)胞生長的情況下，減少了副產(chǎn)物PHB的合成，提高了細(xì)胞內(nèi)NADPH的水平，構(gòu)建了一個(gè)改變碳流向并具有充足還原力的工程藍(lán)藻，為藍(lán)藻產(chǎn)化學(xué)品奠定了基礎(chǔ)。南京工業(yè)大學(xué)姜岷等[6]則針對大腸桿菌利用葡萄糖生產(chǎn)丁二酸時(shí)NADH的供給問題，在宿主中過量表達(dá)依賴NAD+的蘋果酸脫氫酶，使重組菌恢復(fù)了厭氧條件下代謝葡萄糖的能力。同時(shí)為了減少副產(chǎn)物形成，研究者還敲除了大腸桿菌中乳酸脫氫酶和丙酮酸-甲酸裂解酶的編碼基因，阻斷了丁二酸合成的代謝支路。最終采取兩階段發(fā)酵時(shí)，丁二酸濃度和得率分別達(dá)到15 g/L和1 g/g葡萄糖，生產(chǎn)強(qiáng)度為1 g/(L·h)。
除了改變代謝途徑中還原力不平衡的問題以外，提高代謝途徑中限速酶的表達(dá)量也是加強(qiáng)整個(gè)代謝途徑、提高目標(biāo)產(chǎn)量的有力方法。在這一方面，江南大學(xué)饒志明和許正宏等[7]，在研究來源于鈍齒棒桿菌的 N-乙酰鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶的酶學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，在鈍齒棒桿菌中過表達(dá)該基因，將其精氨酸產(chǎn)量提高了15%。另外，在非天然宿主中構(gòu)建目標(biāo)產(chǎn)物代謝途徑以及加強(qiáng)天然宿主利用非天然底物的能力這兩個(gè)方面也取得了一定的進(jìn)展。江南大學(xué)石貴陽和張梁等[8]從自然樣品中篩選分離得到一株能在pH 2.5 (乳酸調(diào)節(jié)) 的培養(yǎng)基中生長且不利用乳酸的酵母，通過在其中表達(dá)來源于米根霉 As3.819的乳酸脫氫酶編碼基因并初步優(yōu)化其培養(yǎng)條件，可使乳酸產(chǎn)量達(dá)到40 g/L以上。大連理工大學(xué)袁文杰和白鳳武等[9]，從馬克斯克魯維酵母中擴(kuò)增出菊粉酶編碼基因，并導(dǎo)入釀酒酵母工業(yè)菌株中，以200 g/L粗菊芋粉生料進(jìn)行乙醇發(fā)酵時(shí)，重組菌株的發(fā)酵終點(diǎn)乙醇濃度可達(dá)55 g/L，糖醇轉(zhuǎn)化率為0.495，達(dá)到理論值的 96.9%，為非糧作物菊芋生產(chǎn)燃料乙醇奠定了良好基礎(chǔ)。
始于 21世紀(jì)初的合成生物學(xué)的核心是通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)，來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。主要技術(shù)包括DNA的合成，來自多種微生物中基因及代謝途徑的組裝，多基因的精密調(diào)控等。為了構(gòu)建抗瘧疾藥青蒿素前體——紫穗槐-4,11-二烯的人工合成途徑，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院方宏清等[10]在大腸桿菌中引入人工合成的紫穗槐-4,11-二烯合酶基因，利用大腸桿菌內(nèi)源的法尼基焦磷酸，成功獲得了紫穗槐-4,11-二烯。另外，還通過引入糞腸球菌的甲羥戊酸途徑來增加前體供給，并過表達(dá)代謝途徑中3個(gè)限速酶，最終使搖瓶中紫穗槐-4,11-二烯產(chǎn)量達(dá)到235 mg/L，為高效合成紫穗槐-4,11-二烯奠定了基礎(chǔ)。
以上代謝工程和合成生物學(xué)均是以提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量為主要目標(biāo)。但是要想實(shí)現(xiàn)實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用，除了提高目標(biāo)產(chǎn)物的合成能力外，菌株的工業(yè)適應(yīng)性 (包括抵抗生產(chǎn)過程中pH、溫度、滲透壓等環(huán)境條件的波動，對產(chǎn)物或底物抑制不敏感，菌株在發(fā)酵過程中的穩(wěn)定性等) 也同樣非常重要，生理工程的概念應(yīng)運(yùn)而生[11]。為了提高工業(yè)釀酒酵母在乙醇發(fā)酵中抗溫度脅迫的能力，中國科學(xué)院微生物研究所何秀萍和張博潤等[12]先用傳統(tǒng)的化學(xué)誘變劑(硫酸二乙酯) 處理酵母細(xì)胞，再提取優(yōu)勢突變株的DNA，經(jīng)上述誘變劑處理后重新導(dǎo)入親本細(xì)胞，最終獲得重組菌株的最高生長溫度比原始菌株提高了3 ℃，在30 ℃~40 ℃范圍內(nèi)具有良好的糖醇轉(zhuǎn)化率和乙醇產(chǎn)量，發(fā)酵200 g/L葡萄糖能夠產(chǎn)生83.8~91.2 g/L乙醇。這一結(jié)合了化學(xué)誘變和基因組DNA誘變的方法，也可為改造其他宿主的其他生理功能提供借鑒思路。
除了前述基因工程、代謝工程、合成生物學(xué)、生理工程這些工業(yè)生物技術(shù)的上游研究以外，針對發(fā)酵產(chǎn)品的發(fā)酵工程以及針對酶的生化工程這類中、下游研究同樣重要。在發(fā)酵工程方面，江南大學(xué)吳敬等[13]優(yōu)化了大腸桿菌表達(dá)嗜熱子囊菌角質(zhì)酶的發(fā)酵條件，最終使3 L發(fā)酵罐中角質(zhì)酶酶活達(dá)到 506 U/mL，是迄今國內(nèi)外報(bào)道細(xì)菌來源角質(zhì)酶的最高水平。集美大學(xué)蔡慧農(nóng)等[14]優(yōu)化了7 L罐中法夫酵母產(chǎn)蝦青素的pH值調(diào)控方式及補(bǔ)料培養(yǎng)基成分對發(fā)酵的影響，最終在 1 m3罐中試補(bǔ)料發(fā)酵時(shí)，蝦青素和總類胡蘿卜素的體積產(chǎn)率分別達(dá)到279.96 mg/L和618.01 mg/L。而在生化工程方面，四川大學(xué)廖學(xué)品等[15]用三價(jià)鐵改性膠原纖維，在固定過氧化氫酶時(shí)表現(xiàn)出了優(yōu)良的固定化載體性能。
生物催化與生物轉(zhuǎn)化是用具有催化能力的全細(xì)胞或酶將原料轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)品，被 經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織 (OECD) 定位為構(gòu)建和環(huán)境協(xié)調(diào)的產(chǎn)業(yè)體系的關(guān)鍵技術(shù)。在這一方面，江南大學(xué)石貴陽等[16]在枯草芽胞桿菌中表達(dá)羰基還原酶，實(shí)現(xiàn)了用全細(xì)胞催化底物 1-苯基-2-甲氨基丙酮生成 d-偽麻黃堿。由于該酶促反應(yīng)需要NADH，所以研究者把該反應(yīng)置于枯草芽胞桿菌中進(jìn)行，并利用細(xì)胞內(nèi)源的葡萄糖脫氫酶完成輔酶再生。最終在葡萄糖存在的情況下，該重組枯草芽胞桿菌生成d-偽麻黃堿的產(chǎn)量為97.5 mg/L，底物摩爾轉(zhuǎn)化率為24.1%。為了研究溫度在β-1,3-葡聚糖酶分解酵母β-葡聚糖時(shí)的作用，山東大學(xué)盧雪梅等[17]采用分體模塊設(shè)計(jì)，研制了一種新型的溫度梯度產(chǎn)生裝置，可以快速、精準(zhǔn)、連續(xù)地實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫度的控制。研究結(jié)果不但能為寡糖生產(chǎn)提供精確的溫度控制參數(shù)，也為其他需要精確連續(xù)控溫的實(shí)驗(yàn)提供了方便。通過分子定向進(jìn)化，改善和提高酶的性能，一直是這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。暨南大學(xué)姚冬生等[18]采用易錯(cuò)PCR的方法，獲得了耐高溫和在酸、堿條件下均穩(wěn)定的黃曲霉毒素解毒酶突變體，為提高體外直接降解黃曲霉毒素的效率奠定了基礎(chǔ)。
最后，在生物技術(shù)與方法方面，衛(wèi)生部抗生素生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武臨專等[19]開發(fā)了一種快速檢測抗生素洋橄欖葉素的化學(xué)方法，主要包括TLC硅膠板分離、NaOH溶液顯色、HPLC和LC-MS分析。同時(shí)，還可以利用該抗生素生物合成基因簇中的tgd基因的PCR檢測與序列分析，對該抗生素的生產(chǎn)菌進(jìn)行快速檢測。
希望本期?？転閲鴥?nèi)從事相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供借鑒和參考，促進(jìn)我國工業(yè)生物技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。
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