黄酮类化合物的合成生物学制造

章　黄酮类化合物简介  001
1.1　黄酮类化合物  004
1.1.1　黄酮类化合物的基本特性  004
1.1.2　黄酮类化合物的种类  004
1.1.3　黄酮类化合物的功能及市场  007
1.2　黄酮类化合物的生产技术  010
1.2.1　黄酮类化合物提取法生产技术  010
1.2.2　黄酮类化合物化学法合成技术  014
1.2.3　酶催化生物合成黄酮苷  018
1.2.4　黄酮类化合物的微生物法生产技术  022

第二章　黄酮类化合物合成代谢途径的挖掘与构建  029
2.1　概述  029
2.1.1　黄酮平台化合物柚皮素和生松素的合成代谢途径  029
2.1.2　常见的黄酮类化合物修饰途径  030
2.2　 组学技术驱动的水飞蓟宾原生合成途径的解析  032
2.2.1　不同植物组织水飞蓟宾及其前体含量差异性分析  034
2.2.2　水飞蓟宾合成过程的转录组学分析差异基因  036
2.2.3　体外仿生研究及水飞蓟宾全合成途径的解析  041
2.3　黄酮类骨架物质合成途径的异位重构  047
2.3.1　基于定点突变技术的途径基因挖掘  048
2.3.2　基于生物信息学分析的途径基因挖掘  049
2.3.3　基于四质粒共表达体系的合成途径构建与产物分析鉴定  049
2.4　大肠杆菌生产黄酮类物质圣草酚的研究进展  051
2.4.1　大肠杆菌以L- 酪氨酸为底物生产圣草酚的机理  051
2.4.2　大肠杆菌生产黄酮类化合物圣草酚的国内外研究现状  052
2.5　 代谢工程技术强化大肠杆菌胞内丙二酰辅酶A 的研究进展  053
2.5.1　丙二酰辅酶A 在圣草酚合成中的重要性  053
2.5.2　代谢工程技术强化大肠杆菌胞内丙二酰辅酶A 的研究现状  053
2.5.3　代谢工程技术强化丙二酰辅酶A 的积累  054
2.5.4　 可溶性表达黄酮3' - 羟化酶（F3' H）融合蛋白及平衡相应基因表达  057
2.5.5　重组菌的发酵条件优化与控制  061
2.5.6　优化条件下圣草酚产量与辅酶A 含量  064
2.5.7　基于高效黄酮3' - 羟化酶鉴定的黄杉素合成途径的挖掘  066
2.5.8　SmF3H 的序列分析  067
2.5.9　SmF3H 的功能鉴定  069
2.5.10　基于启动子优化SmF3H 表达水平  069
2.5.11　在5L 发酵罐水平进行黄杉素发酵优化  070
2.6　黄杉素从头合成途径的构建与优化  072
2.6.1　黄杉素及其微生物法合成  072
2.6.2　微生物法合成黄杉素的现状与趋势  072
2.6.3　微生物法高效合成黄杉素意义  078
2.6.4　黄杉素从头合成途径在解脂亚洛酵母中的重构  079
2.6.5　黄杉素合成途径限速步骤分析与模块化优化  082
2.6.6　通过强化前体代谢流提高黄杉素合成效率  084
2.6.7　发酵条件优化  086
2.7　小结  087

第三章　黄酮类化合物从头合成代谢途径的构建  089
3.1　 基于高效酶级联转化体系的松柏醇全合成途径的构建  089
3.1.1　过氧化氢对香草醇氧化酶的抑制及松柏醇的过度氧化作用  090
3.1.2　过氧化氢酶的表达与分析  092
3.1.3　强化过氧化氢酶活性的松柏醇酶级联转化体系分析  093
3.1.4　体系条件优化及3L 发酵罐发酵  093
3.2　高效水飞蓟宾体外合成新途径构建  096
3.2.1　过氧化物酶的选择及其催化水飞蓟宾合成的功能分析  097
3.2.2　酶级联的设计与构建  100
3.2.3　血红素合成过程的强化  102
3.2.4　体外反应条件优化  102
3.3　基于限速分析的柚皮素从头合成途径的构建  106
3.3.1　柚皮素从头合成菌株的构建  107
3.3.2　莽草酸途径对柚皮素积累的影响  109
3.3.3　外源基因表达强度对柚皮素积累的影响  110
3.3.4　发酵罐水平优化柚皮素积累  110
3.4　益生酵母的对香豆酸合成途径的构建  111
3.4.1　对香豆酸及其衍生物  111
3.4.2　对香豆酸及其衍生物的生物合成  113
3.4.3　酿酒酵母合成天然产物  119
3.4.4　产对香豆酸酿酒酵母工程菌株的构建  122
3.4.5　酿酒酵母生产对香豆酸合成途径的优化  126
3.4.6　酿酒酵母生产对香豆酸的发酵优化  131
3.5　基于酵母整合包的黄杉素从头合成途径构建  135
3.5.1　构建Ty 表达包  137
3.5.2　Ty 表达包的整合能力验证  138
3.5.3　单位点Ty 整合菌株生产能力的鉴定  140
3.5.4　丙二酰辅酶A 途径对柚皮素和黄杉素积累的影响  141
3.5.5　三位点Ty 整合菌株从头合成黄杉素的能力  142
3.5.6　在5L 发酵罐中从头合成黄杉素  144
3.6　小结  144

第四章　黄酮类化合物代谢途径的理性调控策略  147
4.1　概述  147
4.1.1　微生物代谢途径的传统调控方法  147
4.1.2　微生物代谢途径的精细调控策略  148
4.2　基于模块化代谢途径关键基因上调策略  148
4.2.1　黄酮骨架物质总合成途径的模块划分  148
4.2.2　黄酮骨架物质总合成途径的瓶颈步骤分析  149
4.2.3　特异模块的精细划分改造瓶颈步骤  150
4.2.4　模块化的单独优化  151
4.2.5　芳香族氨基酸合成黄酮骨架物质途径的整合  152
4.3　基于内源启动子的基因上调策略  154
4.3.1　启动子-5' - 非转录区域（PUTR）文库筛选与准备  154
4.3.2　PUTR 转录特性研究  157
4.3.3　细胞生长不同时期PUTR 蛋白质表达特性研究  158
4.3.4　相同PUTR 荧光蛋白表达与mRNA 转录水平对比  159
4.3.5　启动子工程构建高强度PUTR  161
4.3.6　工程化PUTR 普适性研究  163
4.4　 基于反义RNA 的脂肪酸代谢途径关键基因下调策略  164
4.4.1　起始反义RNA 表达系统的构建  165
4.4.2　反义RNA 不同结合区域对抑制效率的影响  166
4.4.3　反义RNA 系统对于胞内脂肪酸含量的影响  168
4.4.4　反义RNA 系统协同抑制fabB 和fabF 基因  168
4.4.5　反义RNA 系统对胞内丙二酰辅酶A 浓度的影响  170
4.4.6　反义RNA 系统对柚皮素产量的影响  171
4.4.7　反义RNA 系统对生松素产量的影响  172
4.5　 基于CRISPR/dCas9 的中心代谢途径关键基因下调策略  174
4.5.1　CRISPR 干扰系统的构建  176
4.5.2　利用CRISPR 干扰系统鉴定出与丙二酰辅酶A 合成相关的基因  177
4.5.3　菌体生长和丙二酰辅酶A 合成的协调  178
4.5.4　单个基因抑制对于柚皮素产量的影响  181
4.5.5　多个基因抑制对于柚皮素产量的影响  182
4.5.6　单个或多个基因抑制对于生松素产量的影响  182
4.6　小结  184

第五章　黄酮类化合物合成过程的半理性调控策略  187
5.1　概述  187
5.1.1　黄酮及其中间代谢产物的高效检测方法  187
5.1.2　微生物高效积累目标产物的高通量筛选策略  187
5.2　 定向改造技术驱动的高效对香豆酸合成菌株的构建  188
5.2.1　对香豆酸简介  188
5.2.2　酪氨酸解氨酶的研究进展  189
5.2.3　定向进化方法概述  191
5.2.4　酪氨酸解氨酶高通量筛选方法的建立  192
5.2.5　随机突变改造酪氨酸解氨酶  197
5.2.6　突变位点的单一及叠加突变与分析  201
5.3　 黄酮类化合物及其中间代谢产物的半理性筛选策略  205
5.3.1　柚皮素、对香豆酸和L- 酪氨酸的紫外- 可见光光波谱学特性  206
5.3.2　柚皮素、对香豆酸和L- 酪氨酸的荧光光谱学特性  206
5.3.3　柚皮素检测条件优化  208
5.3.4　中间产物干扰性验证  209
5.3.5　TtgR 对柚皮素浓度响应特性研究  210
5.3.6　基于TtgR 的超高通量筛选方法  211
5.3.7　质粒文库多样性验证  213
5.3.8　柚皮素高产菌株轮高通量筛选  216
5.3.9　柚皮素高产菌株迭代高通量筛选  217
5.3.10　柚皮素合成关键代谢节点解析  218
5.4　小结  219

第六章　黄酮类化合物生物合成途径的动态调控策略  221
6.1　概述  221
6.1.1　代谢网络的动态调控策略  221
6.1.2　生物传感器及其在代谢网络调控中的应用  222
6.2　 基于CRISPRi 的脂肪酸动态调控黄杉素前体代谢途径  223
6.2.1　随机和定点整合方法的构建  224
6.2.2　脂肪酸诱导型启动子分析  228
6.2.3　sgRNA 单靶点阻遏效果分析  228
6.2.4　多基因组合阻遏效果分析  230
6.2.5　脂肪酸合成动态调控下黄杉素与脂肪酸合成  231
6.3　柚皮素合成过程的动态调控  232
6.3.1　柚皮素响应启动子结构研究  233
6.3.2　对香豆酸响应启动子结构研究  235
6.3.3　柚皮素动态调控模块放大效应  236
6.3.4　脂肪酸代谢途径优化  238
6.3.5　丙二酰CoA 来源代谢途径优化  240
6.3.6　双动态调控系统组合发酵  242
6.3.7　文库构建与转化效率检测  243
6.3.8　高通量筛选柚皮素高产菌株  243
6.4　小结  248

第七章　黄酮类化合物转运途径的发掘  251
7.1　概述  251
7.1.1　苯丙素类化合物简介  251
7.1.2　利用大肠杆菌生产苯丙素类化合物的可行性及限制因素  252
7.2　膜蛋白质组学  254
7.2.1　蛋白质组学简介  254
7.2.2　蛋白质组学的主要研究技术及技术路线  255
7.2.3　蛋白质组学在大肠杆菌中的应用  258
7.3　 大肠杆菌AraE 蛋白对苯丙素类化合物转运的情况  259
7.3.1　araE 基因过量表达和基因沉默菌株构建及验证  259
7.3.2　过量表达和沉默araE 基因对大肠杆菌苯丙素类化合物转运的影响  260
7.4　E .coli BL21（DE3）膜蛋白质组学双向电泳方法优化  262
7.4.1　不同蛋白质纯化方法对双向电泳结果的影响  262
7.4.2　不同凝胶参数的确定  263
7.5　 不同苯丙素类化合物刺激下E.coli BL21（DE3）膜蛋白质组学研究结果  264
7.5.1　不同苯丙素类化合物对E.coli BL21（DE3）膜蛋白表达的影响  264
7.5.2　差异表达蛋白质的鉴定及鉴定结果分析  266
7.5.3　关键差异蛋白质的分析及定量PCR 验证  269
7.6　E.coli BL21（DE3）中鉴定关键膜蛋白对苯丙素类化合物耐受性的影响  270
7.6.1　关键蛋白质基因过量表达菌株的构建  270
7.6.2　 过量表达膜蛋白基因对E.coli BL21（DE3）苯丙素类化合物耐受性的影响  271
7.6.3　关键蛋白质基因沉默菌株的构建  274
7.6.4　 沉默膜蛋白基因对E.coli BL21（DE3）苯丙素类化合物耐受性的影响  277
7.7　小结  279

第八章　合成生物学制造黄酮类天然产物的工业化展望  281
8.1　化学品绿色制造核心技术——合成生物学  281
8.2　合成生物学与代谢工程育种新方法  281
8.2.1　代谢途径精细调控策略的深入研发  281
8.2.2　合成生物学在微生物系统定向进化中的应用  283
8.2.3　体外合成生物学的应用  287
8.3　展望  290

参考文献  292