微生物细胞计

细胞工厂操作系统 图片来源：百度图片　　自然微生物能生产的化学品种类很少，远不能满足生产能源、化工、材料和药物领域各种化学品的需求。另一方面，自然微生物即使能生产某些化学品，其产量也很低，不具备经济可行性。　　如何拓展微生物细胞生产化学品的种类和如何提高细胞的生产效率是限制细胞工厂产业化的两个关键技术问题。　　生物制造瓶颈　　石油资源是目前运输燃料和整个化工产业的基础。然而，石油资源是不可再生的，并且以其为基础的化工炼制是一个高能耗、高污染的过程。　　而从另一个角度看，天然产物在药物开发方面有着广泛的应用，很多产物具有抗肿瘤、消炎、抗寄生虫、抗氧化防衰老等功效，一直是新药来源的重要组成部分。　　天然产物的生产目前主要从药用植物中直接提取分离。然而，植物生长周期长、产物含量低，导致这种生产方式对野生植物资源造成严重破坏。　　如何以一种可持续、绿色清洁的方式生产燃料、大宗化学品和天然产物，对于保障社会经济可持续发展至关重要。　　生物质是一种可再生的清洁资源。通过生物制造技术，生物质可以被转化为燃料、大宗化学品和天然产物，从而替代石油化工炼制和植物资源提取。生物制造的核心技术是构建高效的微生物细胞工厂，将生物质原材料转化为各种终端产品。　　然而，自然微生物能生产的化学品种类很少，远不能满足生产能源、化工、材料和药物领域各种化学品的需求。另一方面，自然微生物即使能生产某些化学品，其产量也很低，不具备经济可行性。　　如何拓展微生物细胞生产化学品的种类和如何提高细胞的生产效率是限制细胞工厂产业化的两个关键技术问题。　　合成生物学助力　　合成生物学技术的发展极大地提升了细胞工厂的构建能力。通过以下四个方面的改造，可以快速构建出生产各种化学品的高效细胞工厂：　　最优合成途径的设计：生产目标化学品的合成途径可能不存在于单一生物中，通过计算机模拟设计，可以将不同的生化反应组装到一个细胞中，形成一条完整的合成途径。在此基础上，根据基因组代谢网络和调控网络模型，设计出目标化学品的最优合成途径，使其合成过程中能量供给充足、氧化还原平衡，碳代谢流最大程度地流入产品合成。另一方面，自然界中可能不存在某步关键的生化反应，导致合成途径不能被打通。通过计算机模拟设计，可以人工合成出一个全新的蛋白，使其催化该步生化反应，从而进一步拓展化学品的合成种类。　　合成途径的创建：目标产品合成途径由一系列生化反应及相关的编码基因组成，其中某些基因是外源生物的。传统的PCR(聚合酶链式反应)扩增方法周期长，而且很多外源基因在宿主细胞中的表达及翻译效率很低。DNA合成技术的发展很好地解决了这一问题。基于芯片的高通量、高保真DNA合成技术显著降低了合成时间、合成成本和错误率 单个酶的大量合成和高通量筛选相结合，能有效解决外源基因的表达和翻译问题。另外，标准化的结构元件和调控元件文库，如启动子、核糖体结合位点和信使RNA稳定区文库，为合成途径的创建提供了坚实的物质基础。多片段DNA组装技术，如酵母体内同源重组技术，则能快速高效地实现功能模块组装和合成途径创建　　合成途径的优化：合成途径创建完之后，通常效率都很低，远远达不到产业化生产的要求，因此需要对合成途径进行优化，提高其效率。高效的合成途径很多时候不仅仅只受限于某个单一的限速反应步骤，而且需要多个酶的协同平衡。基于标准化调控元件文库，可以对合成途径各个基因的表达进行精确调控，从而获得多个基因协调表达的状态。多重基因组自动改造技术则可以同时对染色体上的多个基因进行改造，结合高通量筛选技术，可以快速高效地鉴定出最优的调控组合。另外，通过人工合成的蛋白骨架，既可以使合成途径相邻的两个酶聚集在物理空间比较近的区域，提高两个生化反应的速率，也可以获得这些酶的最优组合比例。　　细胞生产性能的优化：合成途径优化完之后，可以获得一个初步的人工细胞。需要进一步提高人工细胞的生理性能和生产环境适应能力，才能将其转变为实际生产可用的细胞工厂。进化代谢和全局扰动等技术的发展可以有效地提高细胞的生产性能。在此基础上，使用各种高通量组学分析技术可以解析细胞性能提升的遗传机制，并可用于新一轮细胞工厂的构建。　　产业化初见成效　　使用上述的合成生物学技术，科学家们成功构建出一系列高效的细胞工厂。在燃料化学品方面，生产长链醇(丙醇、异丁醇、异戊醇)、脂肪酸酯、脂肪醇、烷烃、烯烃等燃料的细胞工厂相继面世。　　另外，利用二氧化碳和钢厂废气为原料生产乙醇、脂肪醇等燃料的细胞工厂也被成功开发。在大宗化学品方面，科学家们成功开发出生产C3(乳酸、聚乳酸、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、3-羟基丙酸、丙烯酸、丙氨酸)、C4(丁二酸、苹果酸、富马酸、1,4-丁二醇、异丁烯、丁二烯)、C5(异戊二烯、戊二胺、戊醇、木糖醇)和C6(己二酸、葡萄糖酸、甘露醇)等化学品的细胞工厂，其中很多已实现产业化生产，并被进一步用于塑料、纤维、尼龙、橡胶等一系列终端产品的生产。　　在天然产物方面，生产青蒿素、紫杉醇、银杏内酯、丹参酮、吗啡、白藜芦醇、莽草酸、番茄红素、虾青素、辅酶Q10等产物及其关键前体化合物的细胞工厂也被成功开发。　　随着合成生物学各种新技术的不断发展，微生物细胞工厂的构建技术也将越发完善。其必将极大地推动石油化工制造和药物生产的产业升级，为人类社会的可持续发展作出巨大的贡献。

上一篇推文，介绍了WIGGENS的CGQ生物量在线监测系统，在微生物（细胞）效能评价/菌种筛选的应用。 本期介绍生物量监测在微生物（细胞）培养条件优化中的应用。培养基为微生物（细胞）的生长提供环境条件以及碳源，氮源，生长因子等。培养基具有通用性，但每种培养物都有特殊性。在通用培养基的基础上针对培养物的特性做适当的调整或成分添加，对目的产物的高效产出，具有重要正作用。 下图是德国法兰克福歌德大学，使用CGQ生物量监测系统对Saccharomyces cerevisiae (一种酿酒酵母)在不同碳源组分中的生长曲线。 三种碳源Glc（葡萄糖）、Gal（半乳糖）、Mal（酰胺）不同浓度对酿酒酵母的生长有着明显的影响，对迟缓期和对数期的影响显著。碳源各组分浓度不同，对酿酒酵母进入平台期的时间甚至有超过6小时的差距影响。这对注重效率的工业发酵来说，减少迟缓期的时间段，有着重要的参考意义。 下图是，在M9培养基中，通过加入不同浓度的甘油，Escherichia coli (大肠杆菌)的生长曲线 从上图大肠杆菌的生长曲线可以看出，在M9培养基中，甘油浓度是对大肠杆菌最终生长量的最大影响因素。0.4%的甘油浓度对比0.1%的甘油浓度，对数生长期有明显提升，最终得到的生物量也是低浓度甘油的4倍以上。 下图是通过培养过程的摇瓶补液，CGQ进行的实时生物量监测。 在大肠杆菌培养中，通过LIS摇瓶补液系统，在摇瓶培养过程中进行在线补入缓冲液，缓冲液对pH值进行了调节。在使用LB培养基培养大肠杆菌的过程中，对生物量的限制的最大因素不是培养基组分，而是pH值，持续的进行pH调节，可以有效的增加生物量，提高培养基的利用率。更多的CGQ生物量监测应用，请参考如下文献：[1]Tripp et al (2017):Establishing a yeast-based screening system for discovery of human GLUT5inhibitors and activators (Nature – Scientific Reports)[2]Bruder, S. &Boles, E. (2017): Improvement of the yeast based (R)-phenylacetylcarbinol productionprocess via reduction of by-product formation (Biochemical EngineeringJournal).[3]Gottardi et al. (2017):De novo biosynthesis of trans-cinnamicacidderivatives in Saccharomycescerevisiae (AppliedMicrobiology and Biotechnology).[4]Bracharz et al. (2017):The effects of TORC signal interference on lipogenesis in theoleaginous yeast Trichosporonoleaginosus (BMCBiotechnology). [5]Bruder et al. (2016):Parallelised onlinebiomass monitoring in shake flasks enables efficient strain and carbon sourcedependent growth characterisation of Saccharomycescerevisia (MicrobialCell Factories).

p style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/ec296395-275f-46fc-bea1-5b15c8fc0771.jpg" title="image001.jpg" alt="image001.jpg"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong仪器信息网讯 /strong2020年12月22日，由长春长光辰英生物科学仪器有限公司分公司长光辰英（杭州）科学仪器有限公司主办的“2020年第二届微生物功能单细胞分离研讨会”在杭州顺利召开。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/1ea571b9-7b49-4024-8683-59d48132155a.jpg" title="合影 单细胞02.jpg" alt="合影 单细胞02.jpg"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "本次会议以“微生物拉曼分选技术与应用”为主题，以科学性、专业性、前瞻性为特色，汇聚了来自北京、广州、上海、江苏、南京等地的微生物领域知名专家学者与青年学生六十余人。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/3eca1e8a-a8f1-4b15-96ff-058dcecea113.jpg" title="image003.jpg" alt="image003.jpg"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "会议深入探讨了单细胞技术在微生物领域的最新研究成果及应用需求与前景，旨在进一步推动单细胞技术及国产高端光学装备在微生物研究领域的创新应用，促进科研成果转化。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "会议开始，上海交通大学特聘教授、中国微生物学会环境微生物学专业委员会主任周宁一教授进行了精彩的开幕致辞，并围绕“环境微生物学研究进展与存在的问题”做了大会主旨报告。在环境微生物研究中，传统方法（如培养法、宏基因测序等）存在一定的局限性，单细胞技术可逐一表征微生物细胞在其原生微生物群落中的特性，为研究未/难培养微生物提供了一种新方法。周宁一教授回顾了自首届微生物功能单细胞分离研讨会（2019年6月）以来，多个研究团队应用单细胞拉曼光谱技术与可视化分选技术的最新研究成果，认为在单细胞层面对微生物群落进行研究将是未来的重要科研方向。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/6be1efe8-3d26-4a8b-8260-1277e4bb7713.jpg" title="image004.jpg" alt="image004.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "周宁一教授开幕致辞/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "会议学术报告环节分别由南京农业大学生命科学学院院长蒋建东教授及上海交通大学唐鸿志教授主持。广东省微生物研究所杨永刚研究员、浙江大学沈超峰副教授、复旦大学全哲学教授、中科院长春光机所李备研究员、浙江大学吕镇梅教授、中科院苏州生物医学工程技术研究所宋一之研究员、中国水产科学研究院东海水产研究所迟海副研究员分别作了精彩的学术报告，分享了各自的研究进展及所在领域对单细胞技术的应用需求，引起了与会者的热烈交流与讨论。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/ec0449eb-f231-4a9c-91b6-f6803362d802.jpg" title="image005.jpg" alt="image005.jpg"//pp style="text-align: center "span style="text-indent: 0em "蒋建东教授主持学/spanspan style="text-indent: 0em "术报告/span/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/efe09b16-1349-4cd5-bb5a-930852eba356.jpg" title="image006.jpg" alt="image006.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "唐鸿志教授主持学术报告/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/0f1204c5-3c23-4261-af9f-15720b2bd03c.jpg" title="image007.jpg" alt="image007.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "杨永刚研究员做题为《胞外电子传递功能菌的单细胞示踪和挑选》的学术报告/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/c9ef28d0-5a24-4c1d-9408-bbf232fc1e39.jpg" title="image008.jpg" alt="image008.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "沈超峰副教授做题为《基于拉曼光谱分析休眠状态下的多氯联苯降解菌》的学术报告/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/95470f83-d423-43ef-9743-dea80b5e6750.jpg" title="image009.jpg" alt="image009.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "全哲学教授做题为《基于拉曼光谱技术在微生物学研究中的应用》的学术报告/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/8a8c8e62-113f-4159-9608-b3212913967e.jpg" title="image010.jpg" alt="image010.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "吕镇梅教授做题为《污染物降解混合菌群中功能菌的发现与分选》的学术报告/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/a1b431f9-30ca-4e26-b38a-34ec9feca4bc.jpg" title="image011.jpg" alt="image011.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "宋一之研究员做题为《单细胞表型分析与分选在微生物研究中的应用》的学术报告/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/dd8c68a8-45f6-4540-b3d3-fc6957bf749b.jpg" title="image012.jpg" alt="image012.jpg"//pp style="text-align: center "span style="text-indent: 0em "迟海副研究员做题为《水产品中副溶血性弧菌快速检测技术研究》的学术报告/span/pp style="text-align: center"br//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "会上，李备研究员介绍了单细胞拉曼分选技术在微生物领域中的作用与意义，重点介绍了自主研制的拉曼分选系统在病原菌鉴定、微生物代谢监测、肠道菌群分析、深海微生物的原位观测等方向的应用进展。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/429e94b6-e9a4-4158-9974-9f9a2a9eded0.jpg" title="image013.jpg" alt="image013.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "李备研究员做题为《拉曼光谱技术在微生物学研究中的应用》的学术报告/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "在随后开展的圆桌讨论环节中，各位专家学者围绕对单细胞拉曼分选的个性化需求、单细胞分选在环境微生物领域的实际应用价值、微生物拉曼数据库构建的方式及意义、共聚焦三维成像在微生物研究中的应用需求等具体问题进行了深入探讨，指出了微生物领域对单细胞研究技术的共性需求，认为免标记单细胞原位识别技术与适应微生物单细胞形态特征（尺寸小、形态各异等）的分离技术的缺乏，是目前微生物单细胞研究领域的限制因素。将共聚焦拉曼光谱系统与可视化单细胞精准分选系统相结合，对接后续微生物单细胞培养组、基因组、代谢组等研究，将为复杂环境下微生物生态、菌群互作、代谢机制及功能研究提供有力工具。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/fe99a60c-569a-4937-850f-c610e746958b.jpg" title="image014.jpg" alt="image014.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "圆桌会议讨论/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/9b851baa-b912-47a1-9783-006a06725222.jpg" title="image015.jpg" alt="image015.jpg"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "会议茶歇环节，与会者参观并试用了辰英科仪的单细胞领域系列产品，包括可视化单细胞分选仪、拉曼单细胞分选仪、超快共聚焦三维成像系统等。工作人员重点讲解了仪器性能、优势以及应用方案，并针对来宾关注的问题进行了现场解答，得到了到场专家及同学们的一致好评。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/341de611-dbe6-411b-abff-3003eea43ae7.jpg" title="image016.jpg" alt="image016.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "辰英科仪副总李文杰向专家介绍仪器/pp style="text-align: center"img style="" src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/3a57c3a7-fedc-4ef9-88f3-2be0cb7e5778.jpg" title="image017.jpg"//pp style="text-align: center"img style="" src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/6b4139da-8dc5-4be2-b30d-efe413118d6a.jpg" title="image018.jpg"//pp style="text-align: center"img style="" src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/bb45fa5b-c11a-4b7a-ab63-763dbb9db6ef.jpg" title="image019.jpg"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "未来，单细胞拉曼分选技术与应用研讨会将陆续在其他省份举办，届时欢迎更多各领域的专家学者参与到大会研讨中来，共同推进前沿光学技术与生物应用的创新融合。希望各位专家老师给予我们更多的意见与支持，辰英科仪将始终致力于国产原创性生物医学高端仪器的研发与制造，为探索生命科学提供有力工具，为共同推动人类健康事业发展贡献力量。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong关于长光辰英（杭州）科学仪器有限公司/strong/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/309fe1e5-616e-4e1f-b087-0f8c3baba387.jpg" title="image020.jpg" alt="image020.jpg"//pp style="text-align: justify text-indent: 2em "长光辰英（杭州）科学仪器有限公司成立于2020年11月18日，是由辰英科仪与杭州长光产业技术研究院联合创办的企业，注册资金3000万。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "辰英（杭州）将建设单细胞创新技术平台，为长三角及全国的科研工作者提供前沿单细胞系列装备及技术服务。/p