Theo đuổi các chassis vi khuẩn cho kỹ thuật chuyển hóa: một cái nhìn từ vi khuẩn truyền thống đến vi khuẩn phi truyền thống

Microbial Biotechnology - Tập 12 Số 1 - Trang 98-124 - 2019
Patricia Calero1, Pablo I. Nikel1
1The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark, 2800, Kongens Lyngby, Denmark

Tóm tắt

Tóm tắt

Trong vài năm qua, chúng ta đã chứng kiến sự gia tăng chưa từng có trong số lượng các loài vi khuẩn mới có tiềm năng được sử dụng cho kỹ thuật chuyển hóa. Tuy nhiên, trong lịch sử, chỉ có một số ít loại vi khuẩn đạt được sự chấp nhận và sử dụng rộng rãi cần thiết để đáp ứng nhu cầu của sản xuất sinh học công nghiệp – và chỉ cho việc tổng hợp rất ít hợp chất, có cấu trúc đơn giản. Một trong những lý do cho tình huống không may này là sự thiếu hụt công cụ cho việc kỹ thuật gen có mục tiêu cho các chassis vi khuẩn, và ngày nay, sinh học tổng hợp đang giúp giảm bớt khoảng cách kiến thức đó. Trong bối cảnh này, trong bài đánh giá này, chúng tôi thảo luận về tình trạng hiện tại trong thiết kế hợp lý và xây dựng các chassis vi khuẩn chắc chắn cho kỹ thuật chuyển hóa, trình bày những ví dụ quan trọng về các loài vi khuẩn đã chiếm được vị trí trong sản xuất sinh học công nghiệp. Sự xuất hiện của các chassis vi khuẩn mới cũng được xem xét dưới ánh sáng những đặc tính độc đáo của sinh lý và chuyển hóa của chúng, cũng như các ứng dụng thực tiễn mà chúng được kỳ vọng sẽ vượt trội hơn so với các nền tảng vi sinh khác. Những cơ hội mới nổi, chiến lược thiết yếu để phát triển thành công các kiểu hình công nghiệp, và những thách thức lớn trong lĩnh vực phát triển chassis vi khuẩn cũng được thảo luận, phác thảo các giải pháp mà kỹ thuật chuyển hóa do sinh học tổng hợp hướng dẫn cung cấp để giải quyết những vấn đề này.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

10.1016/j.tig.2012.11.001

10.1126/science.1191652

Akkaya Ö., 2018, The metabolic redox regime of Pseudomonas putida tunes its evolvability towards novel xenobiotic substrates, bioRxiv

10.1016/j.ijbiomac.2016.04.069

10.1042/BA20060111

10.1002/anie.201708408

10.1007/s00253-010-2646-8

10.1042/BCJ20170377

10.1038/msb.2010.98

10.1038/msb4100050

10.4014/jmb.1412.12079

10.1016/j.biortech.2011.02.047

10.1016/j.copbio.2011.11.012

10.1016/j.copbio.2016.02.030

10.1128/AEM.71.4.1737-1744.2005

10.3389/fmicb.2015.00906

10.1111/1462-2920.13230

10.1007/s00253-010-2961-0

10.1128/AEM.02558-12

10.1111/j.1742-4658.2008.06648.x

10.1128/AEM.72.4.2520-2525.2006

10.7554/eLife.05826

10.1073/pnas.0803151105

10.1186/s12934-015-0381-7

10.7717/peerj.2031

10.1039/c4ob00719k

10.1016/j.copbio.2016.04.016

10.1021/acssynbio.6b00081

10.1002/bit.26495

10.1016/j.ymben.2018.03.014

10.1128/JB.00203-07

10.1111/1462-2920.12069

10.1016/j.synbio.2017.09.001

10.1007/s10529-005-4686-1

10.1186/s12934-016-0469-8

10.1007/s11274-017-2281-y

10.1002/biot.201400838

10.1016/j.ymben.2014.06.007

10.1016/j.copbio.2017.07.014

10.1021/acssynbio.7b00116

10.1111/1751-7915.12384

10.1016/B978-0-12-417029-2.00002-9

10.3389/fmicb.2015.00752

10.1073/pnas.120163297

10.3389/fbioe.2014.00021

10.1002/bit.25474

10.1016/j.ymben.2017.12.002

10.1039/b811937f

Dijl J.M., 2013, Bacillus subtilis: from soil bacterium to super‐secreting cell factory, Microb Cell Fact, 12, 1

10.1074/jbc.M509848200

10.1126/science.1258096

10.1186/1475-2859-12-64

10.1016/j.tibtech.2010.12.003

10.1007/978-1-4020-6097-7_8

10.1016/j.jbiotec.2011.08.030

10.1002/btpr.709

10.1186/s12934-015-0393-3

10.1016/j.biotechadv.2017.08.001

Eagon R.G., 1961, Pseudomonas natriegens, a marine bacterium with a generation time of less than 10 minutes, J Bacteriol, 83, 736, 10.1128/jb.83.4.736-737.1962

10.1038/nature04342

10.1016/j.cbpa.2016.12.023

10.1007/s10295-005-0253-y

10.1007/s00253-016-7816-x

10.3389/fmicb.2018.00958

10.1038/nrmicro1947

10.1016/j.ymben.2014.02.006

10.1186/s13068-016-0502-5

Gatenby A.A. Haynie S.L. Nagarajan V. Nair R.V. Nakamura C.E. Payne M.S. et al. (1998)Method for the production of 1 3‐propanediol by recombinant organisms. Patent PCT/US1997/020292.

10.1111/jam.12808

10.1126/science.1190719

10.5772/31847

10.1038/msb.2010.33

10.1007/s00253-013-5303-1

10.1016/j.ymben.2018.05.006

10.1007/s00253-014-6118-4

10.1111/j.1365-2958.2004.04386.x

10.1002/biot.201400590

10.1038/ng1906

10.1016/bs.aambs.2015.02.002

10.1016/j.jbiosc.2013.01.010

10.1016/j.ymben.2016.12.001

10.1128/AEM.01614-17

10.1111/j.1574-6968.2004.tb09671.x

Hohmann H.P., 2017, Industrial Biotechnology: Microorganisms, 221, 10.1002/9783527807796.ch7

10.3389/fmicb.2018.00155

Huang H.T., 1961, Production of L‐threonine by auxotrophic mutants of Escherichia coli, Appl Microbiol, 9, 419, 10.1128/am.9.5.419-424.1961

10.1016/S0168-1656(01)00252-8

10.1126/science.aad6253

10.1038/338264a0

10.1128/mBio.00314-12

10.1038/nbt.2508

10.1128/AEM.04023-14

10.1046/j.1462-2920.2002.00370.x

10.1016/j.ymben.2016.01.008

10.1016/j.biotechadv.2015.02.011

10.1016/j.ymben.2017.11.014

10.1038/nature24996

10.1093/dnares/2.4.153

10.1126/science.1193990

10.1002/anie.199207741

10.1002/1097-0290(20000220)72:4<408::AID-BIT1003>3.0.CO;2-H

10.1111/1758-2229.12090

10.1073/pnas.0914833107

10.1021/sb3001003

10.1016/j.cels.2016.12.013

10.1039/c3gc40434j

10.3389/fmicb.2015.01310

10.1016/j.biotechadv.2017.10.004

10.1128/jb.177.9.2403-2407.1995

10.1111/j.1365-2958.1995.tb02309.x

10.1016/j.ymben.2013.09.007

10.1021/acssynbio.5b00297

10.1016/j.tibtech.2018.04.007

10.1128/AEM.02246-14

10.1186/s13068-016-0452-y

10.1016/j.ymben.2011.04.004

10.1016/j.jbiotec.2016.11.016

Lee H.H., 2016, Vibrio natriegens, a new genomic powerhouse, bioRxiv

10.1111/j.1462-2920.2012.02730.x

10.1016/j.ymben.2006.01.003

10.1186/s12934-015-0207-7

10.1016/j.bej.2016.10.010

10.1016/j.ymben.2009.10.001

10.1073/pnas.1410657111

10.1016/j.copbio.2017.12.006

10.1016/j.ymben.2015.06.008

10.1016/j.biotechadv.2016.11.003

10.1016/j.ymben.2014.02.005

10.1016/j.ymben.2014.04.004

10.1007/s00253-015-6745-4

10.1021/sb3000657

10.1016/j.ymben.2017.10.008

Lorenzo V., 2015, Chemical reactivity drives spatiotemporal organisation of bacterial metabolism, FEMS Microbiol Rev, 39, 96

10.1016/j.ymben.2011.07.001

10.1128/genomeA.00648-13

10.1186/1475-2859-12-18

10.1007/s00253-016-8045-z

10.1007/s00248-006-9165-2

10.1038/nbt833

10.3389/fbioe.2015.00145

10.1111/j.1462-2920.2011.02538.x

10.1016/j.copbio.2016.09.001

10.1016/j.copbio.2017.06.013

Martínez‐García E., 2014, New transposon tools tailored for metabolic engineering of Gram‐negative microbial cell factories, Front Bioeng Biotechnol, 2, 46

10.1186/s12934-014-0159-3

10.1111/1462-2920.12309

10.1093/nar/gku1114

10.1111/j.1462-2920.2004.00734.x

10.1271/bbb1961.46.2347

10.1016/j.biortech.2017.05.008

10.1038/msb.2013.18

10.1073/pnas.0607048103

10.1186/s12934-014-0170-8

10.1006/jmbi.1996.0399

10.1186/s12934-017-0855-x

10.1042/BA20060107

10.1186/s12934-017-0819-1

10.1093/dnares/dsn002

10.1007/s00253-009-2219-x

10.1016/j.ymben.2016.11.008

10.1046/j.1462-2920.2002.00366.x

10.1007/s00253-009-2003-y

10.1016/j.ymben.2010.03.004

10.1016/j.cell.2016.02.004

10.1007/s00253-005-1973-7

10.1016/j.ymben.2012.09.006

10.1016/j.ymben.2018.05.005

10.1111/1462-2920.12224

10.1038/nrmicro3253

10.1074/jbc.M115.687749

10.1128/mBio.00340-15

10.1016/j.cbpa.2016.05.011

10.1016/j.ymben.2015.11.007

10.1186/1752-0509-2-79

10.1073/pnas.1117907109

Nogales J., 2017, Expanding the computable reactome in Pseudomonas putida reveals metabolic cycles providing robustness, bioRxiv

10.1046/j.1462-2920.1999.00002.x

10.3389/fbioe.2013.00007

10.1016/j.cell.2015.05.019

10.1074/jbc.M703759200

10.1038/msb.2011.65

10.1002/mabi.200600187

10.1016/j.tibtech.2015.12.008

10.1016/j.mib.2018.03.004

10.1038/ncomms15188

10.1186/1471-2164-10-S3-S18

10.1007/s00253-014-5739-y

10.1007/BF02538432

10.1371/journal.pone.0002671

10.1371/journal.pgen.1003764

10.1007/s00253-012-3928-0

Poblete‐Castro I., 2017, Industrial Biotechnology: Microorganisms

10.1016/j.ymben.2018.04.008

10.1126/science.1126439

10.1038/s41586-018-0124-0

10.1111/1462-2920.12760

10.1371/journal.pcbi.1000210

10.1016/j.cell.2013.02.022

10.1126/science.1246843

10.1146/annurev.micro.56.012302.161038

10.1007/s00253-017-8211-y

10.2337/diacare.4.1.64

10.1007/978-1-62703-764-8_1

10.3389/fmicb.2014.00172

10.1016/j.jbiotec.2016.03.040

10.1186/s12934-016-0584-6

10.1038/s41467-018-03232-w

10.1007/s11274-013-1556-1

Sabra W., 2016, Microbial cell factories for diol production, Adv Biochem Eng Biotechnol, 155, 165

Salgado J.M., 2014, Bioproduction of 4‐vinylphenol from corn cob alkaline hydrolyzate in two‐phase extractive fermentation using free or immobilized recombinant E. coli expressing pad gene, Enzyme Microb Technol 58‐59:, 2, 2

10.1007/s10811-011-9699-7

10.1021/acssynbio.6b00230

10.1002/pmic.200300793

10.1038/nbt.4022

10.1016/j.copbio.2014.09.007

10.1139/w03-076

10.3389/fmicb.2015.00284

10.1038/nbt.4111

10.1128/AEM.01386-15

10.1128/AEM.03034-10

10.3390/genes9050249

Shi T., 2014, Deregulation of purine pathway in Bacillus subtilis and its use in riboflavin biosynthesis, Microb Cell Fact, 13, 101, 10.1186/s12934-014-0101-8

10.1016/S0960-8524(01)00074-8

10.1016/j.biotechadv.2005.04.004

10.1093/nar/gks1119

Singh A.K., 2018, Advances in cyanobacterial polyhydroxyalkanoates production, FEMS Microbiol Lett, 364, 1

Singh R., 2016, Microbial enzymes: industrial progress in 21st century. 3, Biotech, 6, 1

10.1038/nrmicro.2015.24

10.1002/biot.201000124

10.4014/jmb.1501.01028

10.1007/s00253-018-8884-x

10.1073/pnas.44.10.1072

10.1007/s002530051649

10.1016/S1369-703X(03)00036-6

10.1021/sb300094q

10.1007/s10295-016-1840-9

10.1016/j.biortech.2011.05.068

10.1016/S0922-338X(97)89261-6

10.1038/srep35528

10.1186/s12934-017-0655-3

10.1186/s12866-016-0866-5

10.1007/s00253-006-0465-8

Tiso T., 2014, Industrial Biocatalysis, 323

10.1186/s12934-017-0838-y

10.1128/MMBR.68.2.207-233.2004

10.1002/bit.26568

10.1002/biot.201400041

10.1128/AEM.02186-08

10.1038/nature08187

10.3389/fmicb.2012.00427

10.1016/j.ymben.2013.01.001

10.1128/AEM.02178-16

10.1128/mBio.02118-15

10.1128/jb.172.11.6581-6584.1990

10.1038/nmeth.3970

10.1016/j.copbio.2014.05.004

10.1016/j.jbiotec.2016.07.022

10.1186/s12934-016-0514-7

10.1016/j.bbamcr.2004.02.011

10.1128/AEM.71.12.8221-8227.2005

10.1093/nar/gkv1227

10.1186/1475-2859-10-80

10.1128/jb.173.16.4952-4958.1991

10.1128/AEM.68.7.3261-3269.2002

10.1016/j.ymben.2018.03.011

10.1128/MMBR.00050-13

10.1038/nchembio.580

10.1007/s00253-014-5959-1

10.1021/acssynbio.7b00086

10.3390/md11082894

10.3389/fbioe.2016.00090

10.1126/science.1177263

10.1111/1751-7915.12405

10.1016/j.tim.2011.05.003

10.1016/j.ymben.2016.11.007

10.1021/ja2114486

10.1021/acssynbio.5b00058