摘要:

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摘要:CRISPR-Cas的基因编辑能力引发了人们对该系统的研究热潮。除了实现基因的敲除和插入，CRISPR-Cas系统还可以被应用于基因簇重组、单碱基编辑和基因转录调控，推动了生物工程领域的发展。然而，有限的同源重组效率使CRISPR-Cas系统的应用受到了一定的限制。与CRISPR-Cas系统相比，移动遗传元件(mobile genetic elements,MGE)在转座酶的调控下，不需要依赖同源重组即可将指定DNA片段定向插入到细胞染色体中。近几年，人们发现了具有转座机制的CRISPR相关的转座元件，它可以介导DNA靶向整合，同时其出色的重编程能力为该领域的研究带来了新的发展。本文主要介绍近年来CRISPR-Cas系统相关转座元件的研究方向和应用进展，以及人工融合的dCas9-transposase系统的应用策略。文中还提出了CRISPR相关转座元件未来的应用前景和潜在挑战，为基因编辑工具的发展方向提供了参考意见。

摘要:l-高丝氨酸及其衍生物(O-琥珀酰-l-高丝氨酸和O-乙酰-l-高丝氨酸)是生物合成l-甲硫氨酸的前体，同时也是合成多种C4化合物(异丁醇、g-丁内酯、1,4-丁二醇、2,4-二羟基丁酸等)和l-草铵膦等的平台化合物。因此，发酵法生产l-高丝氨酸及其衍生物成为近年内研究的热点。然而，利用生物法合成l-高丝氨酸及其衍生物仍存在一些不足之处，如发酵产量不高或糖酸转化率过低等。此外，对l-高丝氨酸及其衍生物合成的总体代谢和调控机制鲜有报道。本文综述了大肠杆菌代谢工程改造合成l-高丝氨酸及其衍生物O-琥珀酰-l-高丝氨酸和O-乙酰-l-高丝氨酸的研究进展，从底物摄取、关键节点碳流分配改造、辅酶NADPH的循环供应以及目标产物的外运输出等方面，系统分析了大肠杆菌全发酵法生产l-高丝氨酸及其衍生物的代谢途径及改造策略，为其后续代谢改造及生物法生产提供一定的研究思路。

摘要:1,5-戊二胺又名尸胺，是一种重要的生物基聚酰胺生产原料，可以与二元羧酸缩合生成生物基聚酰胺PA5X，其性能可以与石油基聚酰胺材料媲美。生物基聚酰胺以可再生能源为底物，如淀粉、纤维素、植物油等，符合绿色可持续发展战略。1,5-戊二胺的生物合成主要包括微生物从头合成及全细胞催化两种方法，而赖氨酸脱羧酶是其生物合成中的关键酶，该酶主要包括诱导型赖氨酸脱羧酶CadA和组成型赖氨酸脱羧酶LdcC两种。赖氨酸脱羧酶是一种折叠型Ⅰ型磷酸吡哆醛(pyridoxal-5' phosphate,PLP)依赖酶，但该酶在实际反应过程中易受环境因素影响，存在活性不高、结构不稳定等问题。因此，提高赖氨酸脱羧酶催化活性及稳定性成为该领域的研究热点，主要包括分子改造以及固定化研究。文中综述了赖氨酸脱羧酶的作用机理、分子改造技术及固定化策略的研究进展，并对未来进一步提升赖氨酸脱羧酶活性及稳定性策略进行了展望，旨在实现1,5-戊二胺的高效生物制备。

摘要:长链二元酸作为合成多种高附加值化学品的原料，已广泛应用于化工、农业和医药等领域，目前全球对于长链二元酸的需求呈逐年增长态势。化学法合成长链二元酸对反应条件要求严苛且工艺复杂，而微生物发酵合成在经济性和难易度等方面具有无可比拟的优势。本文综述了长链二元酸的合成方法，包括化学合成法和微生物发酵法，分子工程选育高产菌株的进展以及生物发酵法生产长链二元酸的产业化现状，并就其存在的问题进行了探讨，最后对合成生物学创制长链二元酸高产菌株进行了总结和展望。

摘要:淀粉是由葡萄糖单元通过α-1,4-葡萄糖苷键和α-1,6-葡萄糖苷键连接而成，不仅是食物的主要成分，也是淀粉深加工工业的基本原料来源。普鲁兰酶能够高效水解淀粉分子中的α-1,6-葡萄糖苷键，与其他的淀粉加工酶复合使用，能够有效提高淀粉的利用率，在淀粉深加工工业中具有“提质增效”的重要作用。本文综述了普鲁兰酶产酶菌株的筛选及编码基因的克隆表达，总结了表达元件及发酵条件优化对普鲁兰酶产酶水平的影响，探讨了普鲁兰酶结构解析及分子改造等方面的研究进展。同时分析了当前研究中存在的问题，并对未来的研究进行了展望，以期为普鲁兰酶的研究及应用提供参考和启示。

摘要:海洋固着动物分泌的粘胶蛋白在潮湿环境下可以抵御水的阻力而发挥粘性，成为当今生物医学和仿生学领域开发高性能材料的关键候选材料。藤壶作为海洋污损生物之一，通过分泌的藤壶胶可以在水下牢固地附着在不同表面特性的基底材料上。目前，对藤壶的粘附过程已经有了较为深入的了解，但其水下粘附机制尚未特别清晰，还需进一步阐明。为此，本文对藤壶胶及其粘附过程的研究进展进行了综述，介绍了藤壶胶主要粘胶蛋白的研究进展、总结了藤壶胶蛋白的获取方式及其应用，最后提出了可能的研究要点和未来发展方向。

摘要:新烟碱类化合物基于烟碱结构改造修饰制备，相较菊酯、含磷类等杀虫剂，因其选择性毒力被认为是一类对人类和生态无害的农药。然而，近年来由于新烟碱类杀虫剂(neonicotinoid insecticides)过度施用，其残余或转化的物质通过在土壤与水体中累积，影响昆虫甚至哺乳动物及其生理与行为，导致了一系列生态环境问题和继发危害。本文聚焦新烟碱类杀虫剂的产业现状，面向生物降解新烟碱类杀虫剂这一迫切需求，围绕新烟碱类杀虫剂的微生物菌株资源，重点阐述微生物降解新烟碱类杀虫剂的代谢机制及其多样性。通过梳理新烟碱类杀虫剂生物降解及其应用转化的关键问题和前沿进展，旨在为借助合成生物学和宏基因组学手段建立或筛选安全可控的新烟碱类杀虫剂的高效转化体系提供参考。

摘要:l-脯氨酸(l-proline,l-Pro)是构成生物体蛋白质20种氨基酸中唯一的一种亚氨基酸，其羟基化后的产物主要是反式-4-羟基-L-脯氨酸(trans-4-hydroxy-l-proline,T-4-Hyp)，两者均具有独特的生物活性，在生物医药和食品美容方面发挥着不可替代的作用。随着对l-Pro和T-4-Hyp功能的深度挖掘，这两者的需求与日俱增，传统生物提取和化学合成的方法已无法满足当今社会“绿色、环保、高效”的需求。近年来，合成生物学迅猛发展，通过深入解析l-Pro和T-4-Hyp的合成途径，构建了微生物细胞工厂用于规模化生产，为绿色高效生产l-Pro和T-4-Hyp开启了新的篇章。本文综述了l-Pro和T-4-Hyp的应用与生产方法、微生物合成l-Pro和T-4-Hyp的代谢途径以及微生物生产l-Pro和T-4-Hyp的改造策略与研究进展，旨在为l-Pro和T-4-Hyp的“绿色生物制造”提供理论基础，促进其工业化生产。

摘要:基于聚酮合成酶基因(polyketide synthases gene,PKS)和非核糖体多肽合成酶基因(non ribosomal polypeptide synthase gene,NRPS)，本研究从77株分离于北冰洋海泥的菌株中筛选出1株具有较高抗病原菌活性的菌株并对其进行了菌种鉴定。通过优化培养基组成和发酵条件提高了该菌株活性代谢产物的产量，并利用高分辨率质谱(high resolution mass spectrometry,HRMS)、核磁氢谱(¹H nuclear magnetic hydrogen,¹H NMR)和碳谱(¹³C NMR)对其主要代谢产物进行了结构鉴定。测定了该菌株主要代谢产物的抗菌谱及代谢产物对黄瓜枯萎病的影响。研究结果表明，该菌株为贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)，其对植物具有一定的促生作用。当发酵条件为麦芽糖5g/L、胰蛋白胨10g/L、氯化钠10g/L、温度30℃、转速150r/min、发酵时间60h时，该菌株代谢产物的抑菌圈直径由(16.23±0.42)mm提高至(24.42±0.57)mm。菌株代谢产物含有大环内酯类化合物macrolactin A，其对多种病原细菌和真菌具有明显拮抗作用。黄瓜幼苗实验表明，该菌株代谢产物对黄瓜枯萎病具有防护作用，其作为生防菌剂具有一定的开发应用潜力。

摘要:异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD)菌是一类可在高盐环境脱氮的好氧微生物，但其工程应用效果不理想。海藻糖作为相容性溶质，通过参与调节细胞渗透压帮助微生物抵抗高盐胁迫，对提升高盐环境菌群的脱氮效率起重要作用。本研究通过启动膜曝气生物膜反应器(membrane aerobic biofilm reactor,MABR)富集HN-AD菌，设计添加150μmol/L海藻糖的C₁₅₀实验组和未添加海藻糖的C₀对照组，开展了外源性海藻糖对高盐胁迫下HN-AD菌群代谢的强化机制研究。反应器运行性能及群落结构分析结果显示，C₁₅₀组相较C₀组，NH₄⁺-N、总氮(total nitrogen,TN)和化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率分别提高29.7%、28.0%和29.1%；以不动杆菌属(Acinetobacter)和假黄褐藻属(Pseudofulvimonas)为优势菌属的耐盐型HN-AD菌群总相对丰度在C₁₅₀组达到66.8%、较C₀组提高了18.2%，添加海藻糖促进高盐环境中耐性型HN-AD菌群富集并强化系统脱氮性能。代谢组学深度分析表明，外源性海藻糖加强脯氨酸合成，提高微生物对高盐胁迫的抵抗能力；通过调节细胞增殖信号通路(cGMP-PKG、PI3K-Akt)、磷脂代谢通路及氨酰基-tRNA合成通路的活性，促使甘油磷脂代谢物磷酸乙醇胺及嘌呤和嘧啶丰度上调，提升细菌聚集能力和细胞增殖，助推微生物在高盐环境生长；同时，添加海藻糖还加快三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)，为HN-AD菌群的碳、氮代谢提供更多电子供体与能量，进而优化系统脱氮性能。本研究结果为HN-AD菌在高盐高氮废水处理中的运用提供理论指导。

摘要:对香豆酸(p-coumaric acid)具有抗菌、抗氧化和预防心血管疾病的作用，也是许多重要化合物的前体或中间体，被广泛应用于食品、化妆品和医药等领域。酪氨酸解氨酶(tyrosine ammonia-lyase,TAL)能直接催化酪氨酸脱氨生成对香豆酸。然而，缺少高活性和高底物耐受性的酪氨酸解氨酶限制了对香豆酸的高效生物合成。为了提高对香豆酸的合成能力，本研究挖掘了2个黄杆菌来源的酪氨酸解氨酶，分别是柱状黄杆菌(Flavobacterium columnare)来源的Fc-TAL2和顺天黄杆菌(Flavobacterium suncheonense)来源的Fs-TAL。异源表达纯化表征分析显示，Fc-TAL2和Fs-TAL的最适温度和最适pH相同，分别为55℃、pH9.5。在最适条件下，Fs-TAL的比酶活为82.47U/mg，而Fc-TAL2的比酶活为13.27U/mg。结构模拟和比对分析显示，内盖环上保守的Y50残基酚羟基朝向和到底物的距离是造成Fs-TAL活性高于Fc-TAL2的主要原因。全细胞催化研究进一步证实Fs-TAL具有较高活性和特异性，能够催化10g/L酪氨酸生成6.2g/L对香豆酸，产率达到67.9%。该研究丰富了酪氨酸解氨酶的酶资源，促进了对香豆酸及其衍生物的生产。

摘要:l-半胱氨酸是一种重要的含硫氨基酸，因其多样的生理功能，l-半胱氨酸在医药、化妆品和食品工业中有着广泛的应用。模块化代谢工程策略在细胞工厂的构建中具有极大的潜力。本研究利用碳硫模块协同表达策略进行大肠杆菌的l-半胱氨酸合成途径构建，构建了一株l-半胱氨酸合成基因工程菌。首先，通过增强l-半胱氨酸前体物质l-丝氨酸(serA^f、serB和serC^Cg)的生物合成以及转录调控因子CysB的表达，l-半胱氨酸的产量由0提高到(0.38±0.02)g/L。然后，通过促进l-半胱氨酸转运和无机硫源的吸收同化、减弱l-半胱氨酸和l-丝氨酸的降解以及异源表达cysE^f和cysB^St，l-半胱氨酸的产量提升至(3.82±0.01)g/L。最后，为了优化碳模块和硫模块的代谢通量，协同表达硫酸盐同化途径与硫代硫酸盐同化途径的基因cysM、nrdH、cysK以及cysIJ，得到l-半胱氨酸高产菌株。在500mL摇瓶和2L发酵罐中分别实现了(4.17±0.07)g/L和(11.94±0.1)g/L的l-半胱氨酸积累。研究结果表明，在细胞内通过对硫碳模块间代谢通量的协调控制，可以实现l-半胱氨酸的高效生物合成。研究结果为微生物发酵生产l-半胱氨酸的产业化奠定了基础。

摘要:超短肽具有更好的稳定性、组织渗透性、生物相容性以及更低的免疫原性。GHK(glycyl-l-histidyl-l-lysine)和GQPR(glycyl-l-glutamyl-l-prolyl-l-arginine)具有刺激胶原蛋白产生、减缓胶原蛋白降解的作用，作为抗皱成分广泛应用于化妆品。超短肽一般都是通过固相合成方法制备，其缺陷是制备过程中大量使用有机化学试剂而造成环境负担，故本文探讨了一种设计和制备超短肽的新方法。因序列短而无法直接重组表达，文中首先构建了适用于融合表达的载体骨架pET28a-Trxm。以GHK和GQPR串联重复基因作为滚环扩增的基本单元(tandem repeat of short peptides,TRSP)，反应时随机掺入5-甲基胞嘧啶获得长基因片段，然后经Acc65 Ⅰ和Apa Ⅰ消化产生随机长度的基因。胶回收500 bp到1500bp的DNA片段，克隆得到表达载体pET28a-Trxm-(TRSP)_n并转化获得重组菌。双酶切及测序结果表明，成功构建获得串联重复数n=1、2、3、4、6、7、8、9的阳性克隆。蛋白表达结果显示，当串联重复数n=1、2、3、4、8、9时均有相应融合蛋白表达，表达水平随着重复数增加而降低。Trxm-(TRSP)₁表达水平最高，达总蛋白的50%，而Trxm-(TRSP)₂表达水平为总蛋白的30%。进一步地，含Trxm-(TRSP)₁的清液先后经肠激酶和胰蛋白酶切割后，HPLC分析结果表明，成功获得超短肽GHK和GQPR。该结果对于超短肽重组制备的工业化应用具有重要价值。

摘要:肌酐水平是指示肾脏功能的重要临床指标。肌酸酶(creatinase,CRE)是肌酐的酶促检测体系中的关键酶之一，也是整个体系的限速酶，较差的活性限制了它在临床检测和工业上的应用。针对此问题，采用半理性设计策略对产碱杆菌属(Alcaligenes sp.)KS-85来源肌酸酶Al-CRE的活性进行了改造，通过对挑选出的突变热点进行饱和突变筛选和组合，最终获得多个活性提升的突变酶，活性最高的五点突变酶I304L/F395V/K351V/Y63S/Q88A比活力相较于野生型提升了2.18倍。同时对相关突变位点进行了结构分析，为肌酸酶的实际应用及对其机理的进一步解析提供了基础。

摘要:转酮醇酶(transketolase,TK,EC. 2.2.1.1)是一种焦磷酸硫胺素和二价阳离子依赖性酶，可催化二碳单位的转移，可逆形成C–C键，在多酶催化生产化学品、药物前体和不对称合成方面有广泛应用。文中以大肠杆菌(Escherichia coli)K12转酮醇酶TKTA为研究对象，通过定点饱和突变和组合突变提升对非磷酸化底物的反应活性，并探索突变酶TKTA_M催化合成酒石酸半醛。结果表明：突变酶TKTA_M(R358I/H461S/R520Q)最适反应温度为32℃，最适反应pH为7.0，以d-甘油醛为受体底物的比酶活为(6.57±0.14)U/mg，是野生型比酶活((0.71±0.02)U/mg)的9.25倍。在酶学性质研究的基础上，设计20mL的反应体系，以50mmol/L5-酮基-d-葡萄糖酸和50mmol/L非磷酸化乙醇醛为底物，TKTA_M催化合成酒石酸半醛，最终酒石酸半醛的产量为3.71g，摩尔转化率为55.34%。研究结果为生物质制备l-(+)-酒石酸提供数据支撑，同时为转酮醇酶催化非磷酸化底物提供了借鉴。

摘要:纳他霉素(natamycin)是一种高效、广谱、安全的抗真菌剂，广泛应用于食品防腐与医药领域。纳他霉素可由多种链霉菌发酵产生。它是以乙酰辅酶A、丙二酰辅酶A及甲基丙二酰辅酶A为前体经Ⅰ型聚酮合酶(polyketide synthase,PKS)催化合成的多烯大环内酯类化合物。本研究以纳他霉素产生菌——褐黄孢链霉菌为研究材料，分别对不同前体分子供给途径中的关键酶进行过表达，并确定影响纳他霉素产量的关键前体供给途径。研究结果发现：通过过表达乙酰辅酶A合成酶(acetyl-CoA synthase,ACS)加强乙酰辅酶A合成途径，以及通过过表达甲基丙二酰辅酶A变位酶(methylmalonyl-CoA mutase,MCM)加强甲基丙二酰辅酶A合成途径，重组菌株纳他霉素产量分别比野生型菌株提高了44.19%和20.51%。共过表达ACS和MCM，重组菌株纳他霉素产量获得进一步提升(达1123.34mg/L)，比野生型菌株提高了66.29%。上述发现为通过前体代谢工程的策略构建纳他霉素工业高产菌株提供了参考，也为其他聚酮类天然产物高产工程菌株的构建提供了借鉴。

摘要:β-葡萄糖苷酶在食品、医药、生物质转化等领域具有重要的应用价值，因此发掘适应性强、性质优良的β-葡萄糖苷酶是国内外研究热点。本研究从嗜热古菌Infirmifilum uzonense中成功克隆出一个GH3家族的β-葡萄糖苷酶基因，命名为Iubgl3。基因序列分析显示Iubgl3全长为2109bp，编码702个氨基酸，理论分子量为77.0kDa。将该基因在大肠杆菌中进行克隆表达并对纯化后的IuBgl3进行酶学性质研究。结果显示，重组酶IuBgl3最适pH5.0，最适温度85℃。该酶具有良好的热稳定性，80℃处理2h后仍能保持85%以上的酶活力。其具有优良的pH稳定性，在pH4.0−11.0范围内处理1h，仍维持85%以上的酶活力。通过底物特异性测定发现，该酶对对硝基苯-β-d-吡喃葡萄糖苷(p-nitrophenylβ-d-glucoside,pNPG)和对硝基苯-β-d-吡喃木糖苷(p-nitrophenyl β-d-xylopyranoside,pNPX)均有很高的水解能力，是典型的双功能酶。以pNPG为底物时的动力学参数K_m和V_max分别为0.38mmol和248.55μmol/(mg·min)，催化效率k_cat/K_m=6149.20s⁻¹mmol⁻¹。大多数金属离子对IuBgl3的酶活力没有显著影响，SDS可导致酶完全失活，而EDTA却能提高30%的酶活力。本研究丰富了高温古菌GH3家族的β-葡萄糖苷酶基因，获得了一个稳定性优良的高温酸性双功能酶，具有良好的工业应用前景。

摘要:海藻糖酶在工业发酵和食品医药等领域应用广泛，我国缺乏性能优良工业品种的海藻糖酶，同时在应用研究领域还不够深入。本研究从自然界筛选获得一株产酸性海藻糖酶的杓兰果胶杆菌(Pectobacterium cypripedii)，克隆获得其海藻糖酶基因PCTre，在大肠杆菌(Escherichia coli)BL21(DE3)体系中实现了重组表达，在5L发酵罐上28h产酶达到4130U/mL。酶学性质研究显示，PCTre能特异性水解海藻糖，最适反应温度和pH分别是35℃和5.5，在pH4.0、4.5、5.0处理8h后残余酶活仍超过80%，表现出良好的耐酸性。同时该酶还显示出优良的有机溶剂耐受性，在20%(V/V)乙醇溶液中处理24h仍能保留60%的酶活。进一步在含有20%(V/V)乙醇和7.5%海藻糖的模拟发酵体系中，当添加500U/L PCTre，可在16h内完全水解海藻糖，具有良好的应用于工业乙醇发酵的潜力。

摘要:聚磷酸激酶(polyphosphate kinase,PPK)在体外催化合成ATP的反应中有着重要作用。为寻找能利用短链聚磷酸盐(polyphosphate,polyP)为底物高效合成ATP的聚磷酸激酶，本文以来源于泗阳鞘氨醇杆菌(Sphingobacterium siyangensis)的聚磷酸激酶(PPK2)为研究目标，利用pET-29a构建重组质粒，在大肠杆菌(Escherichia coli)BL21(DE3)中表达，并将其作为ATP再生系统的关键酶与l-氨基酸连接酶(YwfE)联用生产丙谷二肽(Ala-Gln)。ppk2长度为810bp，编码270个氨基酸；SDS-PAGE结果表明PPK2为可溶性表达，分子量为29.7kDa。对PPK2的最适反应条件进行了优化，结果发现其在22–42℃、pH7–10的范围内均可以保持较好活性，且在37℃、pH为7、镁离子(Mg²⁺)浓度为30mmol/L、底物ADP与六偏磷酸钠浓度分别为5mmol/L和10mmol/L时酶活最大，在0.5h时ATP产率可以达到理论值的60%以上。作为模式反应体系，当PPK2与YwfE联用生产Ala-Gln时，达到与直接添加ATP相同的效果。此聚磷酸激酶作为ATP再生系统具有较好的适用性，适用的温度和pH范围广，且能以廉价易得的短链polyP为底物高效合成ATP，为依赖ATP的催化反应体系的能量再生提供了新酶的来源。

摘要:半导体纳米材料在光激发下产生光电子和空穴，会影响微生物生长，其中空穴的氧化性将对菌体造成损伤，而光电子的作用可能会促进微生物代谢。本研究以大肠杆菌(Escherichia coli)作为研究对象，通过OD₆₀₀和菌落形成单位(colony forming unit,CFU)的测定，评价添加外源硫化镉(cadmium sulfide,CdS)纳米粒子后大肠杆菌的生长变化；结合对胞内氧化酶活力、丙酮酸和丙二醛浓度的测定，及相关基因的实时荧光定量PCR分析，说明CdS对大肠杆菌代谢的影响。结果表明，在光照条件下，CdS的加入使大肠杆菌OD₆₀₀提升了32.4%，丙酮酸积累量提高了34.6%；分裂蛋白基因ftsZ上调，并维持在50%以上，三羧酸循环关键酶基因icdA和gltA相对表达量上调86%和103%。这表明微生物可利用半导体光电子，促进自身生长代谢。研究结果有助于加深对纳米粒子与微生物相互作用的认识。

摘要:红霉素(erythromycin)是由绛红色糖多胞菌(Saccharopolyspora erythraea)发酵生产的次级代谢产物，其生产水平不仅受发酵工艺的影响，也受反应器结构影响。为解决红霉素发酵过程放大问题，本研究采用时间常数法和计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟验证相结合的方法设计了500m³超大规模红霉素耗氧发酵生物反应器。首先，通过对50L反应器红霉素发酵过程研究，发现溶氧是关键性限制因素，通过氧消耗速率(oxygen uptake rate,OUR)等参数分析计算得到设备的氧供应时间常数t_mt需小于6.25s。然后，基于时间常数法和经验关联式理性设计500m³反应器搅拌桨叶组合方式，即底层BDT8桨叶+两层MSX4桨叶的搅拌桨组合，并通过经验公式及CFD方法对设计结果进行了模拟验证。两种验证方法结果均表明500m³反应器采取底层BDT8桨叶+两层MSX4桨叶的组合方式时设备的氧供应时间常数小于6.25s，且反应器内流场特性(如持气率、剪切率和速度矢量等)均能满足红霉素大规模发酵的需要。经实际发酵验证，设计的生物反应器能够满足红霉素的工业规模发酵应用。

摘要:过氧化氢酶(catalase,CAT)是一种在食品、医疗、纺织等领域广泛应用的工业酶，具有催化效率高、专一性强、绿色环保等突出特点。工业中游离过氧化氢酶无法回收再利用，导致以其为核心的工业生物转化过程成本较高。开发一种简单、温和、低成本并且体现绿色化学理念的方法对过氧化氢酶进行固定化有望提高其利用率并且强化酶学性能，具有迫切的现实需求。本研究将源自枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)168的过氧化氢酶KatA在大肠杆菌中进行重组表达，之后将分离纯化得到的纯酶以酶-无机杂化纳米花形式制备成固定化酶并进行酶学性质研究。结果显示，利用乙醇沉淀、DEAE阴离子交换层析、疏水层析3步纯化，最终获得电泳纯的重组KatA，之后通过优化制备条件获得了一种新型KatA/Ca₃(PO₄)₂杂化纳米花固定化酶。酶学性质研究结果显示，游离酶KatA的最适反应温度为35℃，KatA/Ca₃(PO₄)₂杂化纳米花的最适反应温度为30−35℃，二者最适反应pH值均为11.0。游离酶KatA和KatA/Ca₃(PO₄)₂杂化纳米花在pH4.0−11.0和25−50℃条件下均表现出较好的稳定性。KatA/Ca₃(PO₄)₂杂化纳米花显示出比游离酶KatA更好的储存稳定性，在4℃储存14d后仍保留82%的酶活力，而游离酶仅具有50%的酶活力。此外，纳米花在进行5次催化反应后仍具有55%的酶活力，表明其具有较好的操作稳定性。动力学研究结果显示，游离酶KatA对底物过氧化氢的K_m为(8.80±0.42)mmol/L，k_cat/K_m为(13151.53±299.19)L/(mmol·s)；而KatA/Ca₃(PO₄)₂杂化纳米花的K_m为(32.75±2.96)mmol/L，k_cat/K_m为(4550.67±107.51)L/(mmol·s)。与游离酶KatA相比，KatA/Ca₃(PO₄)₂杂化纳米花对底物过氧化氢的亲和力下降，同时其催化效率也有所降低。综上所述，本研究以Ca²⁺作为自组装诱导剂，成功将KatA以酶-无机杂化纳米花形式制备成固定化酶，不仅对部分酶学性能实现了强化，而且为固定化过氧化氢酶的绿色制备和规模化应用奠定了基础。

摘要:副溶血弧菌(Vibrio parahaemolyticus)是世界范围内引起海产品相关食物中毒的主要致病菌，具有很强的生物膜形成能力。ToxR是一种膜结合调控蛋白，对副溶血弧菌生物膜形成具有一定的调控作用，但具体机制尚未见报道。c-di-GMP是一种普遍存在于细菌中重要的第二信使，参与调控细菌的多种生物学行为包括生物膜的形成。本文探究ToxR对副溶血弧菌中c-di-GMP代谢的调控作用。利用酶联免疫吸附法(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)测定副溶血弧菌野生株(wild-type,WT)和toxR突变株(ΔtoxR)中c-di-GMP水平的差异。挑选c-di-GMP代谢相关基因scrA、scrG和vpa0198为进一步研究的靶标，采用实时定量qPCR实验检测靶基因在WT和ΔtoxR中的转录水平差异；将靶基因调控区DNA序列克隆入pHRP309质粒中无启动子的β半乳糖苷酶基因上游，采用lacZ报告基因融合实验进一步研究ToxR对靶基因的转录调控关系；将重组质粒分别导入含有pBAD33或pBAD33-toxR的EC100lpir中，采用lacZ报告基因融合实验研究ToxR是否能在异体宿主中调控靶基因的表达；PCR扩增靶基因上游调控区DNA序列，并纯化His-ToxR蛋白，用凝胶阻滞实验(electrophoresis mobility shift assay,EMSA)研究His-ToxR与靶基因启动子区DNA序列是否具有结合作用。ELISA结果显示ΔtoxR中c-di-GMP含量显著性高于WT中的，说明ToxR抑制c-di-GMP的产生；实时定量qPCR结果表明WT中scrA、scrG和vpa0198的转录水平显著性高于ΔtoxR中的，表明ToxR抑制它们的转录；lacZ报告基因融合实验结果表明ToxR可抑制副溶血弧菌和EC100lpir中scrA、scrG和vpa0198的启动子区活性；EMSA实验显示His-ToxR能特异性地结合到scrA和scrG的上游调控区DNA序列上，而对vpa0198的上游调控区DNA序列无结合作用。综上所述，ToxR通过直接调控相关酶蛋白基因的转录来抑制副溶血弧菌内c-di-GMP的合成，从而有助于精确调控生物膜形成等细菌行为。

摘要:乳酸菌发酵可赋予茶饮料独特的香气与滋味，且可改变其物质组成，产生益生因子等。目前，针对乳酸菌在不同发酵阶段对茶汤中风味物质形成影响的研究较少。本研究以从中国传统泡菜中筛选获得的棒状乳杆菌FZU63为发酵菌株，对不同发酵阶段红茶汤中的挥发性香气成分、还原糖、游离氨基酸、有机酸等含量的变化过程进行分析，并对发酵红茶汤的感官品质进行评价。结果表明，棒状乳杆菌FZU63以红茶汤中的葡萄糖、果糖、甘露糖和木糖作为发酵过程中的主要碳源物质。红茶汤经棒状乳杆菌FZU63发酵作用后，香气成分丰度显著增加，且主要香气组分结构发生改变，发酵红茶汤在花香、坚果香的基础上增添了水果香；此外，部分苦味氨基酸含量下降，甜味和鲜味氨基酸含量增加；并且，乳酸、苹果酸、柠檬酸等有机酸含量在发酵过程中呈现积累。同时，感官评定结果表明棒状乳杆菌FZU63发酵可改善红茶汤的感官品质，且在发酵48h后达到较优。本文系统分析了经棒状乳杆菌发酵不同阶段对红茶汤风味的影响，可为乳酸菌发酵茶饮料的品质控制与产业化应用提供理论参考。

摘要:黑曲霉(Aspergillus niger)是一种重要的工业生产菌株，被广泛地应用于生产酶制剂和有机酸，但仍需要进行基因组改造提高它的应用潜力。CRISPR/Cas9技术是一种被广泛采用的黑曲霉基因组编辑技术，但由于需要在基因组中整合选择标记或基因编辑效率还有待提高，影响了其在工业菌株改造中的应用。本研究建立了一种基于CRISPR/Cas9技术的高效无选择标记的基因编辑方法。首先，利用5S rRNA启动子启动sgRNA的表达，构建了一个含有AMA1(autonomously maintained in Aspergillus)复制起始片段的sgRNA和Cas9共表达质粒；同时通过敲除kusA基因构建非同源末端连接(non-homologous end joining pathway,NHEJ)修复缺陷的高效同源重组菌株；最后利用含有AMA1片段质粒的不稳定性，通过无抗平板传代丢失含有sgRNA和Cas9共表达质粒。利用该方法，在采用同源臂长度仅为20bp的无选择标记供体DNA进行基因编辑时，基因编辑效率可达到100%。该方法为黑曲霉基因功能的研究和细胞工厂的构建奠定了基础。

摘要:硒(Se)是生物体必不可少的微量元素，硒缺乏会导致人产生克山病、大骨节病等疾病，缺硒也会给畜牧业带来巨大损失。目前的补硒产品存在硒含量和生物利用度低、安全性差等问题，而通过小球藻培养可获得生物利用度高、安全性好的有机硒，因此是非常有应用前景的补硒产品。首先，为了获得对硒的耐受性和富集能力更强的藻种，研究通过定向驯化的方式逐步提高培养基中Na₂SeO₃浓度来驯化蛋白核小球藻，并对驯化时间和驯化过程中Na₂SeO₃的浓度梯度进行了优化。结果表明，驯化后的藻种对硒的耐受性和富集能力明显提高。在5L发酵罐中，驯化后的藻株可以耐受40mg/L的Na₂SeO₃，胞内有机硒合成速率提高了175.6%。之后，在5L发酵罐中进一步优化了硒的补加方式，在异养培养过程中分批补料添加40mg/LNa₂SeO₃时，最终获得的蛋白核小球藻细胞干重达106.4g/L，有机硒含量为1227mg/kg，有机硒合成速率为1.36mg/(L·h)。研究结果与已有蛋白核小球藻异养富硒文献报道的最高细胞密度75g/L和最高有机硒含量560mg/kg相比分别提高了41.9%和119.1%。上述结果表明，通过定向驯化的方法，可大大提高蛋白核小球藻对硒的耐受性和富集能力。

摘要:厌氧消化是乳酸和乙醇发酵之外的另一条重要的无氧分解代谢途径，对促进资源高效利用、维持生态平衡、优化能源结构、缓解能源危机、推动实施“双碳”战略都具有重要意义。如此重要的代谢过程在大学生物化学课程教材和教学中没有涉及，使得教学体系不完整，亟需教学改革。厌氧消化过程涉及的反应众多，代谢途径复杂，为了让学生全面了解这一过程，教师通过查阅大量文献，将厌氧消化的主要反应途径归纳成图，较为完整地展现厌氧消化代谢过程，并通过BOPPPS教学模式融入课堂教学中。以代谢途径全图的形式直观展示分散冗杂的代谢过程，可以帮助学生构建厌氧消化代谢的系统框架，有助其丰富代谢知识体系，达到了良好的教学效果。本文介绍了厌氧消化代谢途径的内容及教学过程的设计，为生物化学、环境工程微生物学、新能源工程等课程教材的修订及相关课堂教学改革提供参考和借鉴。

摘要:工程教育是我国高等教育的重要组成部分，随着新工科人才培养内涵的不断深化，全方位开展课程改革，提高工科人才培养质量正当其时。为了突出新工科人才培养的特色，专业课和实习实践类课程正在成为课程教学改革的重点。但是，在专业基础课中如何突出工科特色人才培养的实践亟待探索。本文以生物化学课程为例，采用问题引导式教学方法，选择合适的教学案例，从科学与技术问题出发探索教学设计，引导学生凝练问题、分析问题并解决问题。实现引导学生从“被动式”到“主动式”学习的转变，提升学生思辨能力的同时，突出科学与技术的工程化应用，并为持续甚至终生学习奠定基础，为新工科背景下应用型人才培养提供参考和借鉴。

摘要:生物经济的快速发展迫切需要新型生物工程人才支撑，建立以创新型工程教育为理念的新工科人才培养模式，能够为区域经济发展与产业升级提供支撑作用。大连理工大学生物工程学院紧密围绕“服务国家战略”“对接产业行业”“引领未来发展”“以学生为中心”等新工科建设的教育教学理念，从“面向新经济”的培养体系构建、“多学科交叉”的课程体系重构和“项目式”教学方式改革、“多元化”评价体系实施等方面进行生物工程专业建设改革和探索，提出了“价值引领、深厚的基础理论、强烈的创新意识、技术和非技术核心能力素养”四位一体的生物工程新工科人才培养标准。满足了产业对人才多样化、个性化和动态变化的需求，保障了产业与教育的深入融合发展，为生物工程一流本科专业建设提供了思路。

摘要:生物技术产业是我国战略新兴产业，近年来发展极为迅速，对实践创新型人才需求极大。作为生物工程专业核心课程，“生物工程设备”在生物技术产业实践创新型人才培养中具有重要意义。本课程针对当前课程教学中的设备可及性低、工程实训机会少和学生学习缺乏主动性等痛点，以设备资源和素材库建设、虚实结合工程实训、学生学习积极性调动为抓手，构建“育德、育智、育能(实践创新能力)、对接社会发展新需求、融入学科前沿新进展、引入科研实践新成果(三育三新)”教学内容，创新教学方式和优化考核评价，通过课内外联动-校内外联动、引入前沿进展及科研成果、多样化资源集成、线上线下结合等手段，提高学生的主动性和创新能力，以达到“三会一能”。通过教学探索和实践，提高了课程教学的有效性，学生实践创新能力显著提升。

摘要:受新型冠状病毒肺炎疫情的影响，生物制药工程课程以线上的方式完成了教学任务，并取得了满意的教学效果。针对如何提升线上教学效果，确保线上线下实质等效，实现有效教学，本文以生物制药工程课程为例，从学习者特征分析、网络平台选择与教学资源建设、教学内容优化、基于BOPPPS教学法的教学结构设计、有效教学反思等方面，对线上教学的探索与实践进行了总结，以期对线上课程教学提供有益的借鉴。

摘要:国际基因工程机器大赛(international genetically engineered machine competition,简称iGEM竞赛)是合成生物学国际顶级大学生学术竞赛。iGEM竞赛赛况及项目成果受到Science、Nature、Scientific American、The Economist、英国广播公司(BBC)等顶级学术期刊或国际媒体的关注，具有广泛的国际影响力。吸引了来自世界40多个国家和地区的队伍参赛。2011年起开始有高中队参赛，参赛队伍数量逐年增加，高中生日益成为推动iGEM竞赛及合成生物学发展的重要力量之一，iGEM竞赛也成为培养中学生核心素养的重要平台。基于2017–2021年全球高中队参赛情况，本文总结了高中队赛道规则、选题倾向及获奖情况，进一步分析iGEM竞赛对高中生核心素养培养的意义，探究全球高中参赛队伍的发展趋势，为未来高中参赛队伍建设提供理论参考。

摘要:近年来，在国家政策支持和用人环境需求下，生物类专业不断发展壮大。为实现“双一流”背景下高校对生物类人才培养的需求和高质量地为社会输送生物类人才，本文对湖州师范学院生物类专业在读本科生就业观以及他们对生物类专业的认同度等进行调查分析，以探索生物类专业高质量就业驱动的人才培养模式，并为相关专业培养模式改革提供参考。

摘要:“环境污染的生物修复(Bioremediation of Environmental Pollution)”是环境科学、环境工程、农业资源与环境等专业的专业选修课，在专业人才培养体系中具有重要地位。针对课程前期教学中存在的问题，任课教师结合高质量人才培养需求，从课程教学目标优化、课程教学内容重构与知识整合、教学方法改革与创新等环节对课程教学进行了改革探索。实践结果表明，改革后的课程教学不仅显著提升了课程教学目标的达成度，还有效提高了学生自主学习能力、思维能力和知识综合运用能力，取得了较好的教学效果。