瓷珠菌种保存管

发酵工程是生物技术的重要组成部分，也是生物技术产业化的重要环节。现代发酵工程不仅包括菌体生产和代谢产物的发酵生产，还包括微生物机能的利用。其主要包括生产菌种的选育，发酵条件的优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提取和精制等。 　　然而，能耗大却是发酵产业的致命弊端，因此，实现节能减排就成为该产业发展的重要目标。 　　清华大学生命科学学院教授陈国强告诉记者，由于我国的发酵产业在硬件方面已经达到很高的水平，因此，实现发酵产业节能减排目标的关键在于菌种的改造及提高菌种的效率。 　　例如，一个细胞要想具有多种功能，就需要实现跨种属染色体在一个细胞内共存 要想获得优化的发酵产品合成途径，就需要攻克低成本染色体的化学合成技术 要想解决复杂化合物的微生物发酵生产问题，就需要解决大片段基因的获得和在染色体里的整合与表达…… 　　而菌种的改造工作，事实上也是合成生物学正在研究的题目。陈国强认为，合成生物学提出的方法将有利于对现有生产菌种的根本性改造。目前科学家们已经不局限于非常辛苦地进行基因剪接，而是开始构建遗传密码，以期利用合成的遗传因子构建新的生物体，因此，通过合成生物学改造菌种，有望推动生物发酵产业的不断升级。 　　目前，我国已经是全球第一的发酵产品生产国，陈国强表示，未来产业定位也应该向着更高端的方向发展。他认为，发酵产业应更加注重利用农业生物质为原料生产材料、能源、化工产品，替代部分石油资源 要向着无高温灭菌、低耗水和连续发酵的目标发展，以最终实现节能减排。

上一篇推文，我们介绍了WIGGENS的CGQ生物量在线监测系统监测微生物或细胞的生长阶段，本期我们介绍生物量监测对微生物（细胞）效能评价/菌种筛选的应用。 首先我们来看一篇使用CGQ系统监测生物量的已发表文献。 Bruder et al. (2016):Parallelised onlinebiomass monitoring in shake flasks enables efficient strain and carbon sourcedependent growth characterisation of Saccharomycescerevisia (MicrobialCell Factories). Bruder对酿酒酵母的高效菌株（CEN.PK2-1C）和碳源依赖性生长特性监测。 上图中生物量曲线（OD值）是CGQ系统实时在线测量。葡萄糖浓度和酒精浓度用在线生化分析仪进行实时在线监测的数据。 从上图的数据曲线中我们可以清晰的看出生物生长量与培养基中葡萄糖浓度和酒精产量三者的关联性。发酵过程希望使用的菌种是能够更高效率的将糖类等底物转化为酒精。底物与产物的效能比是对酿酒酵母菌株效能的最直接评价。 CGQ和生化分析仪的在线监测联合使用，可以对菌种的综合效能进行直观评价。 对微生物或细胞的突变体研究，是寻找高效菌种的一种有效手段。突变体与野生型的对比研究，用于对突变体进行效能评估。 上图是德国最格赖夫斯瓦尔德大学（成立于1456年），使用CGQ系统对Staphylococcus aureus（金黄葡萄球菌）野生型和突变体生物量分析。 作为菌种筛选的有力工具，CGQ系统可以对同一培养条件下，或不同培养条件下的生物量进行实时监控，根据生物量的监测数据对菌种筛选提供数据支持。 CGQ与生化分析仪同时使用，可以对多参数相关性进行综合评估，有效的拓展了应用范围，可以通过多参数变化，对微生物效能进行综合评价。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-cinnamic acidderivatives 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).

合成生物学作为生物经济发展的关键技术已经被推向了风口。2022年，中美先后发布生物经济领域的发展规划。5月，国家发展改革委发布《“十四五”生物经济发展规划》，这是我国首部生物经济的五年规划，明确了生物经济发展的具体任务。9月12日，美国总统拜登签署《关于推进生物技术和生物制造创新以实现可持续、安全和可靠的美国生物经济的行政命令》。据企查查数据显示，在存量方面，我国现存27.1万家合成生物相关企业；在注册量方面，近十年，我国合成生物相关企业每年注册量逐年增加，其中， 2020年新注册的企业数量增至3万家，同比陡增226.8%，此后三年虽增速放缓，但2023年全年新注册8.2万家合成生物相关企业，成为近十年新高。可见，在政策和技术优势的双重加持下，国内合成生物学产业发展迅速。近十年我国合成生物相关企业注册量&增速（单位：万家）（注：本次数据来源于企查查；统计时间为2024/5/10）合成生物学作为一种具有颠覆性意义的新兴技术，其应用范围已经涵盖农业、食品、医药健康、化工等各个方面，为绿色生物制造产业的发展提供着技术支持。微生物战略资源严重短缺：我国核心菌种自主率不到20%工业菌株作为生物制造的“灵魂”，同时也是合成生物学研究中的底盘细胞，经过基因编辑等技术重新设计合成通路，最终成为高效细胞工厂：只需获取简单物质便能合成出人类所需的产品，例如胶原蛋白、乙醇等。因此，积极开展自主工业菌种的设计创制研究是爆涨我国生物制造产业新质生产力发展的关键。然而，有数据显示，我国核心菌种自主率不到20%、核心工业酶的自主率不到25%、益生菌核心菌株的自主率不到10%，微生物战略资源严重短缺，工业菌种创新率低严重制约着我国生物制造产业的发展，那么，如何突破工业菌种的创新难题呢？清华大学邢新会教授在报告中表示，“设计-构建-测试-学习（DBTL）”循环能力是关键，而科学仪器作为产业发展不可或缺的一环，其在提高“DBTL”循环能力方面也发挥着重要作用。全球首创微生物进化仪，加快“DBTL”循环能力提到这里，邢教授以自动化生物铸造系统为例向我们展示了提高DBTL循环的方法：用机器人/机械臂将菌种、涂布接种仪、菌落挑取仪、摇床、移液工作站、酶标仪等关键仪器设备进行连接。但同时他也指出，该系统存在设备系统复杂、运行成本高、通量受限于培养体系等问题。因此，邢教授及其生物育种技术与装备团队长期致力于高通量生物育种技术与装备的研发，同时，也在“合成生物制造技术”、“活性-药效-安全筛选评价技术与装备”方面开展了许多工作，涵盖了从生物功能发现到功能制造。邢教授团队通过等离子技术研发出了ARTP（Atmospheric and Room Temperature Plasma）高通量诱变育种仪，该装备实现了常温常压下的突变育种，并成功孵化了天木生物进行商品化制造。在实现了突变后，邢教授与清华大学张翀教授合作利用微流控实现了高通量/自动化细胞培养和单细胞筛选。至此，基于微流控技术开发出了一系列高通量工业表型测试技术与装备，然后通过基因编辑技术开展高通量基因型-工业表型关联新方法的研究，进而产出系列新装备、带动新标准、研发新菌种，为合成生物学与绿色生物制造产业的发展提供技术平台支撑。常压室温等离子体诱变育种仪ARTP（点击进入详情页）邢教授团队研发出的高通量皮升级液滴单细胞分选系统DREM Cell、高通量微升级液滴单细胞分选系统 MISS Cell的核心技术指标相当甚至优于国际竞争仪器，高通量微升级微生物液滴培养仪MMC和毫升体系微生物适应性进化仪EVOL Cell为全球首创。其中，MMC可以实现连续15天200克隆，EVOL Cell可以实现4通道无气泡供养。（点击下方仪器名称即可进入页面详情页）左：高通量皮升级液滴单细胞分选系统DREM Cell，右：M高通量微升级液滴单细胞分选系统 MISS Cell左：高通量微升级微生物液滴培养仪MMC，右：毫升体系微生物适应性进化仪EVOL Cell在报告的最后，邢教授通过分子克隆全自动挑取、自动进化培养甲醇依赖型大肠杆菌、创制下一代蛋白和多肽合成细胞工厂等6个实际场景的应用，充分证明了这几款仪器在自动化、高通量工业菌株性能精准改造等方面的应用优势。注：上述内容节选自清华大学邢新会教授的《创新高通量育种装备体系，支撑生物制造新质生产力发展》。“合成生物学先进工具与解决方案”主题约稿活动合成生物学的快速发展正在改变生物技术行业的产业布局。目前，合成生物技术已经广泛应用于食品、农业、医疗等多个领域。伴随我国《“十四五”生物经济发展规划》的颁布，被誉为“第三次生物科技革命”的合成生物学研究热度高涨，但当前构建合成生物系统的内在逻辑尚处于摸索阶段，整个合成生物学领域正处于发展初期，需要先进的使能技术及解决方案推动合成生物学产业快速发展......为帮助广大科研工作者及时了解前沿技术进展、创新产品与解决方案，仪器信息网特此约稿。欢迎投稿，投稿文章将于话题专栏展示并在仪器信息网相关渠道推广，投稿邮箱：chensh@instrument.com.cn，关于征稿内容要求也可邮件咨询或电话联系：13171925519（同微信）。（点击下图进入专题详情页面）