济源聚集 第3期 2020.06总第四十期 Cellulosome.based Saccharification biocatalysts Process substrate BGL expression Efficient mass transfer Balanced BGL and cellulosome activt Fed-batch fermentation Sugar-nch Substrate-couple adaptability vel equipment High stabilty and robustness CBS Pretreatment Fermentation Low lgnin content C5 and C6 co-fermentation Moderate conditions Tolerance to CBS hydrolysate Chemical recycling Wastewater treatment Target products wth large Fungl demand and cost sensitivty Microalgae B-FLFT BD-FEED 代谢物组学研究组在木质纤维素生物转化领域提岀新策略 仿生与固态能源系统研究组揭示钙钛矿溶液的老化过程及解决方案 碳基材料与能源应用研究组开发出石墨炔基新型高效非金属电催化剂应用于燃料电池 中阉跎青岛生物能源与过程研究所 Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences
猾源能 科研进展 2微生物代谢工程硏究组揭示洛伐他汀水解酶催化机制 3 膜分离与催化研究组开发出功能钙钛矿氧化物多孔膜及 节能再生技术 代谢物组学硏究组在木质纤维素生物转化领域提出新策略 的土情 579 单细胞中心研发出高耐久低成本的DNA合成纠错系统 碳基材料与能源应用硏究组开发岀石墨炔基新型高效非 金属电催化剂应用于燃料电池 11能源材料与纳米催化研究组开发岀廉价高效且可规模化 生产的铁单原子催化剂 ③山国科学睨 14单细胞中心开发出基于微生物组大数据的疾病检测方法 青岛生物能源与辽程研奔所 16仿生与固态能源系统研究组揭示钙钛矿溶液的老化过程 www.qibebt.cas.cn 及解决方案 17微生物代谢工程研究组揭示蓝细菌适应高盐逆境深层机制 主编:彭辉 副主编:冯埃生 责任编辑:张瑞东刘佳 所情快讯 邮编:266101 电话:0532-80662600 E-mail: liujia @qibebt accn 19青岛市委书记王清宪调研中科育成(莱西)产业基地 网址:www.qibebt.cas.cl 地址:青岛市崂山区松岭路189号 东营市市长赵志远一行来所交流 20青岛市人力资源与社会保障局调研山东能源研究院
2 3 5 7 9 11 14 16 17 科研进展 微生物代谢工程研究组揭示洛伐他汀水解酶催化机制 膜分离与催化研究组开发出功能钙钛矿氧化物多孔膜及 节能再生技术 代谢物组学研究组在木质纤维素生物转化领域提出新策略 单细胞中心研发出高耐久低成本的DNA合成纠错系统 碳基材料与能源应用研究组开发出石墨炔基新型高效非 金属电催化剂应用于燃料电池 能源材料与纳米催化研究组开发出廉价高效且可规模化 生产的铁单原子催化剂 单细胞中心开发出基于微生物组大数据的疾病检测方法 仿生与固态能源系统研究组揭示钙钛矿溶液的老化过程 及解决方案 微生物代谢工程研究组揭示蓝细菌适应高盐逆境深层机制 所情快讯 青岛市委书记王清宪调研中科育成（莱西）产业基地 东营市市长赵志远一行来所交流 青岛市人力资源与社会保障局调研山东能源研究院 主 编：彭辉 副 主 编：冯埃生 责任编辑：张瑞东 刘佳 邮编：266101 电话：0532-80662600 E-mail: liujia@qibebt.ac.cn 网址：www.qibebt.cas.cn 地址：青岛市崂山区松岭路189号 19 20
CONTENTS目录 “山东氢能及燃料电池产业发展战略硏究”课题组彭苏萍 院士一行来所调研 22青岛能源所与青岛城投集团签署战略合作协议 山东能源硏究院与浪潮集团签署战略合作框架协议 3青岛能源所与泰国科学技术研究所签署合作协议 24青岛能源所3个项目参加2020青岛·全球创投风投网络大 会路演 党建与创新文化 p2r 5青岛能源所党委组织“我的园区我美化”主题植树活动 青岛能源所党委召开专题会议 26青岛能源所举办《与情绪对话》心理健康教育讲座 27中国共产党中国科学院青岛生物能源与过程研究所第三次 党员大会胜利召开 专题 山东能研究浪集有公可略合作协议签约仅式 0云游青能所妙趣知识多——青岛能源所举办第六届公众 科学日(线上)活动 靖聚能
综合要闻 1 “山东氢能及燃料电池产业发展战略研究”课题组彭苏萍 院士一行来所调研 青岛能源所与青岛城投集团签署战略合作协议 山东能源研究院与浪潮集团签署战略合作框架协议 青岛能源所与泰国科学技术研究所签署合作协议 青岛能源所3个项目参加2020青岛·全球创投风投网络大 会路演 党建与创新文化 青岛能源所党委组织“我的园区我美化”主题植树活动 青岛能源所党委召开专题会议 青岛能源所举办《与情绪对话》心理健康教育讲座 中国共产党中国科学院青岛生物能源与过程研究所第三次 党员大会胜利召开 专题 云游青能所 妙趣知识多——青岛能源所举办第六届公众 科学日（线上）活动 CONTENTS 目录 25 26 27 30 p19 p22 p22 21 22 23 24 p21
微生物代谢工程研究组揭示洛伐他汀水解酶催 化机制 吕雪峰研究员带领的微生物代谢工程硏究组揭示了高效特异洛伐他汀水解酶 PEST的催化机制 及其结构-功能关系,并进一步对 PCEST进行了酶工程改造,成功设计改造获得了可溶性表达和 热稳定性改善的 PEST突变体D106A。 lovastatin 2-methylbutyric acid monacolin J Lovastatin hydrolase PCEST 图洛伐他汀水解酶 PCEST高效特异地催化洛伐他汀水解,而不能水解辛伐他汀活性中心的 关键残基用棍棒形式显示,氢键网络用黑色虚线标示,参与构成 PCEST特定底物结合通道 的区域用浅粉红色展示 高血脂症是指血液中胆固醇、甘油三酯等脂类骤:土曲霉发酵生产洛伐他汀,碱水解洛伐他汀制 物质异常升高,可直接引起一些严重危害人体健康备中间体 monacolin J,化学或生物方法将 monacolin j 的疾病,通过降胆固醇药物调节血脂是目前预防和转化为辛伐他汀。但传统碱水解生产 monacolin J 治疗高血脂症的有效方法。辛伐他汀( Zocor)是序相对复杂、成本昂贵且环境污染较大。使用特异 种重要的降胆固醇药物,其工业生产包括三个步且高效的洛伐他汀水解酶进行酶促合成是绿色生产
2 科研进展 高血脂症是指血液中胆固醇、甘油三酯等脂类 物质异常升高，可直接引起一些严重危害人体健康 的疾病，通过降胆固醇药物调节血脂是目前预防和 治疗高血脂症的有效方法。辛伐他汀（Zocor）是 一种重要的降胆固醇药物，其工业生产包括三个步 骤：土曲霉发酵生产洛伐他汀，碱水解洛伐他汀制 备中间体monacolin J，化学或生物方法将monacolin J 转化为辛伐他汀。但传统碱水解生产monacolin J工 序相对复杂、成本昂贵且环境污染较大。使用特异 且高效的洛伐他汀水解酶进行酶促合成是绿色生产 微生物代谢工程研究组揭示洛伐他汀水解酶催 化机制 吕雪峰研究员带领的微生物代谢工程研究组揭示了高效特异洛伐他汀水解酶PcEST的催化机制 及其结构-功能关系,并进一步对PcEST进行了酶工程改造，成功设计改造获得了可溶性表达和 热稳定性改善的PcEST突变体D106A。 图 洛伐他汀水解酶PcEST高效特异地催化洛伐他汀水解，而不能水解辛伐他汀活性中心的 关键残基用棍棒形式显示，氢键网络用黑色虚线标示，参与构成PcEST特定底物结合通道 的区域用浅粉红色展示
科研进展 monacolin J的可替代方法之一。 PeEST能够高效特异地水解洛伐他汀而不能水解辛伐 青岛能源所吕雪峰研究员带领的微生物代谢他汀。在此基础上,研究人员基于结构分析,进一步对 工程研究组(http://mme.qibebt.ac.cn/)致力于他汀PeESt进行了酶工程改造,成功设计改造获得了可溶 类降血脂药物的生物合成研究( Metab eng.2017;性表达和热稳定性改善的 PeEST突变体D106A。这些 Biotechnol J.20l8; ACS Synth Biol.2019)。近期,该性质的改良意味着Dl06A突变体在 monacolin J工业生 研究组进一步揭示了高效特异洛伐他汀水解酶 PeEST产中可能具有更广阔的应用前景。 的催化机制及其结构-功能关系,相关工作发表在 这是首次描述洛伐他汀水解酶催化机理和结构- Journal of Biological Chemistry期刊上。 功能关系的报道,该研究成果为进一步的洛伐他汀 研究人员成功解析了4个高分辨ⅹ射线晶体结水解酶的筛选、酶工程改造和工业应用提供了基础 构,包括PEST单体蛋白,PEST- monacolin J复合物 和理论指导。 PeESt与底物类似物辛伐他汀的复合物、以及 PeEST 上述研究工作得到了国家自然科学基金、山 失活突变体S57A与底物洛伐他汀的复合物。基于结构东省自然科学基金、中国科学院科技服务网络计划 分析,结合突变、质谱和ITC等多种生化分析方法,研SS计划)和山东省人才工程的共同资助。■ 究人员发现:Ser-57(亲核试剂)-Tyr-170(广义碱)- (文/图梁雅静) Lys-60(广义酸)催化三联体、活性位点周围的氢键 原文链接: 网络和特定的底物结合通道共同决定了 PesT高效特 https://www.jbe.org/content/295/4/1047 异地水解洛伐他汀生成 monacolin j,并回答了为什么full?sid=e735fd-94ac-4e04-910-4185b425205 膜分离与催化研究组开发出功能钙钛矿氧化物多 孔膜及节能再生技术 江河清研究员带领的膜分离与催化研究组采用钙钛矿氧化物Lao.rSro.3CoO3(LSCO)多孔 膜,不仅能够促进高效的太阳光驱动水蒸发,同时可催化降解生物污染物,实现多孔膜的节 能再生。 钙钛矿氧化物具有独特的光电及催化活性,在采用钙钛矿氧化物 Lao sr3CoO3(LSCO)多孔膜,不 高温催化、气体分离及光催化等领域具有广泛的应仅能够促进高效的太阳光驱动水蒸发,同时可催化 用前景。青岛能源所膜分离与催化研究组前期在新降解生物污染物,实现多孔膜的节能再生 型钙钛矿氧化物开发及其催化-膜分离性能研究方面 自然水域中往往存在藻类等生物污染物,以及 开展了大量工作。近期,该研究组王玉超副研究员种类繁多的有机污染物。在太阳光驱动的蒸发过程
科研进展 3 monacolin J的可替代方法之一。 青岛能源所吕雪峰研究员带领的微生物代谢 工程研究组（http://mme.qibebt.ac.cn/）致力于他汀 类降血脂药物的生物合成研究（Metab Eng. 2017； Biotechnol J. 2018；ACS Synth Biol. 2019）。近期，该 研究组进一步揭示了高效特异洛伐他汀水解酶PcEST 的催化机制及其结构-功能关系，相关工作发表在 Journal of Biological Chemistry期刊上。 研究人员成功解析了4个高分辨X射线晶体结 构，包括PcEST单体蛋白，PcEST-monacolin J复合物、 PcEST与底物类似物辛伐他汀的复合物、以及PcEST 失活突变体S57A与底物洛伐他汀的复合物。基于结构 分析，结合突变、质谱和ITC等多种生化分析方法，研 究人员发现：Ser-57（亲核试剂）-Tyr-170（广义碱）- Lys-60（广义酸）催化三联体、活性位点周围的氢键 网络和特定的底物结合通道共同决定了PcEST高效特 异地水解洛伐他汀生成monacolin J，并回答了为什么 PcEST能够高效特异地水解洛伐他汀而不能水解辛伐 他汀。在此基础上，研究人员基于结构分析，进一步对 PcEST进行了酶工程改造，成功设计改造获得了可溶 性表达和热稳定性改善的PcEST突变体D106A。这些 性质的改良意味着D106A突变体在monacolin J工业生 产中可能具有更广阔的应用前景。 这是首次描述洛伐他汀水解酶催化机理和结构- 功能关系的报道，该研究成果为进一步的洛伐他汀 水解酶的筛选、酶工程改造和工业应用提供了基础 和理论指导。 上述研究工作得到了国家自然科学基金、山 东省自然科学基金、中国科学院科技服务网络计划 （STS计划）和山东省人才工程的共同资助。 （文/图 梁雅静） 原文链接： https://www.jbc.org/content/295/4/1047. full?sid=ef7355fd-94ac-4e04-9c10-4185b4252f95 钙钛矿氧化物具有独特的光电及催化活性，在 高温催化、气体分离及光催化等领域具有广泛的应 用前景。青岛能源所膜分离与催化研究组前期在新 型钙钛矿氧化物开发及其催化-膜分离性能研究方面 开展了大量工作。近期，该研究组王玉超副研究员 采用钙钛矿氧化物La0.7Sr0.3CoO3（LSCO）多孔膜，不 仅能够促进高效的太阳光驱动水蒸发，同时可催化 降解生物污染物，实现多孔膜的节能再生。 自然水域中往往存在藻类等生物污染物，以及 种类繁多的有机污染物。在太阳光驱动的蒸发过程 膜分离与催化研究组开发出功能钙钛矿氧化物多 孔膜及节能再生技术 江河清研究员带领的膜分离与催化研究组采用钙钛矿氧化物La0.7Sr0.3CoO3（LSCO）多孔 膜，不仅能够促进高效的太阳光驱动水蒸发，同时可催化降解生物污染物，实现多孔膜的节 能再生
1g Energy-saving Regeneration Solar-driven 437 Evaporation Biofouling Energssaving Regeneration 图1钙钛矿氧化物多孔膜微结构在生物污染和节能再生过程中的变化 中,污染物会在光热膜中富集生长,造成膜污染,膜高的热稳定性,在多次膜再生循环后性能几乎可 导致膜材料的性能下降。高温降解能够有效去除生以完全恢复。该工作巧妙利用钙钛矿氧化物的光热 物以及有机污染物,是实现膜再生的理想手段。但和催化性能,解决了光热膜在实际应用中的生物污 污染物热分解过程需要较高温度,从而造成能源的染问题。 巨大耗费。而降低污染物燃烧分解温度能够有效降 该研究工作获得了国家自然科学基金、山东省 低能耗,实现膜材料的节能再生,推动光热材料在自然科学基金项目的支持。相关研究结果已发表在 实际水环境中的应用。 Nano energy杂志上( Nano energy,2020.70,104538)。■ 该研究组负责人江河清研究员提出同时利用钴 (文/图王玉超) 基钙钛矿的催化和光热性能,开发多功能钙钛矿氧 原文链接 化物多孔膜。在以水藻、三聚氰胺为污染物的测试 l/www.sciencedirect.com/science/article/pii/ 中,LSCO多孔膜显著降低了附着其上的污染物的S2211285520300951 燃烧分解温度,减少了多孔膜在燃烧过程中再生能 Multifunetional perovskite oxide for efficient solar 耗,达到节能再生的目的。由于钙钛矿氧化物多孔 driven Evaporation and Energy- Saving regeneration
4 科研进展 中，污染物会在光热膜中富集生长，造成膜污染， 导致膜材料的性能下降。高温降解能够有效去除生 物以及有机污染物，是实现膜再生的理想手段。但 污染物热分解过程需要较高温度，从而造成能源的 巨大耗费。而降低污染物燃烧分解温度能够有效降 低能耗，实现膜材料的节能再生，推动光热材料在 实际水环境中的应用。 该研究组负责人江河清研究员提出同时利用钴 基钙钛矿的催化和光热性能，开发多功能钙钛矿氧 化物多孔膜。在以水藻、三聚氰胺为污染物的测试 中，LSCO多孔膜显著降低了附着其上的污染物的 燃烧分解温度，减少了多孔膜在燃烧过程中再生能 耗，达到节能再生的目的。由于钙钛矿氧化物多孔 膜高的热稳定性，在多次膜再生循环后性能几乎可 以完全恢复。该工作巧妙利用钙钛矿氧化物的光热 和催化性能，解决了光热膜在实际应用中的生物污 染问题。 该研究工作获得了国家自然科学基金、山东省 自然科学基金项目的支持。相关研究结果已发表在 Nano Energy杂志上(Nano Energy, 2020, 70, 104538)。 （文/图 王玉超） 原文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S2211285520300951 Multifunctional Perovskite Oxide for Efficient Solardriven Evaporation and Energy-Saving Regeneration 图1 钙钛矿氧化物多孔膜微结构在生物污染和节能再生过程中的变化
科研进展 代谢物组学研究组在木质纤维素生物转化领域提 出新策略 崔球研究员带领的代谢物组学研究组提出了基于纤维小体全菌催化剂的木质纤维素“整合生物 糖化”策略,并系统阐述了该策略的研究现状、技术优势,以及未来需要解决的问题和方向 为木质纤维素生物转化的工业化实现提供了技术指引。 木质纤维素生物质具有替代化石资源的巨化可行性的决定性因素。为此,青岛能源所崔 大潜力,从而有效缓解了全球对原油的依赖。 球研究员带领的代谢物组学研究组另辟蹊径 虽然目前国内外已有一些纤维素乙醇等木质纤维提出了基于纤维小体全菌催化剂的木质纤维素 素产品问世,但与化石来源的产品相比,木质纤“整合生物糖化”(简称CBS)策略,并在2020 维素产品迄今为止大多仍不具备市场竞争力,因年2月24日上线的综述文章中系统阐述了该策略 此亟需提高木质纤维素转化技术的经济性。木质的研究现状、技术优势,以及未来需要解决的 纤维素转化主要包括预处理、酶解糖化以及发酵问题和方向[Liu,Y.-J.,etal.,2020 Consolidated 三个步骤,其中糖化被认为是木质纤维素生物转bio- saccharification: Leading lignocellulose 木质纤维素生物转化策略 离线糖化 在线糖化 生物质 酸 其他产品 纤维素乙醇 可发酵糖 图1现有木质纤维素生物转化技术比较 靖源聚能5
科研进展 5 木质纤维素生物质具有替代化石资源的巨 大潜力，从而有效缓解了全球对原油的依赖。 虽然目前国内外已有一些纤维素乙醇等木质纤维 素产品问世，但与化石来源的产品相比，木质纤 维素产品迄今为止大多仍不具备市场竞争力，因 此亟需提高木质纤维素转化技术的经济性。木质 纤维素转化主要包括预处理、酶解糖化以及发酵 三个步骤，其中糖化被认为是木质纤维素生物转 化可行性的决定性因素。为此，青岛能源所崔 球研究员带领的代谢物组学研究组另辟蹊径， 提出了基于纤维小体全菌催化剂的木质纤维素 “整合生物糖化”（简称CBS）策略，并在2020 年2月24日上线的综述文章中系统阐述了该策略 的研究现状、技术优势，以及未来需要解决的 问题和方向[Liu, Y.-J., et al., 2020 Consolidated bio-saccharification: Leading lignocellulose 代谢物组学研究组在木质纤维素生物转化领域提 出新策略 崔球研究员带领的代谢物组学研究组提出了基于纤维小体全菌催化剂的木质纤维素“整合生物 糖化”策略，并系统阐述了该策略的研究现状、技术优势，以及未来需要解决的问题和方向， 为木质纤维素生物转化的工业化实现提供了技术指引。 图1 现有木质纤维素生物转化技术比较
cellulosome based Saccharification BGL expression Efficient mass transfer Balanced BGL and cellulose ≥ Fed-batch fermentaton Substrate-couple adaptability r Novel equipment Hgh stabity and robustness CBS Low lgnin content C5 and c8 co-fermentaton Moderate condions Chemical recycling N2c om Tolerance to CBS hydrolysate Wastewater treatment demand and cost senstivity Fung k &EdgED 图2整合生物糖化技术未来的研究方向和需要解决的关键问题 bioconversion into the real world. Biotechnol ady工艺的木质纤维素生物转化技术应用于实际工业 doi:10.1016/ biotechadv.2020.107535],为木质纤生产的前提。为此,该论文中详细讨论了未来进 维素生物转化的工业化实现提供了技术指引。 步提高CBS糖化效率和糖产量的研究方向以及在 与目前已知的其他木质纤维素生物转化策略CBS生物催化剂和工艺的优化方面需要解决的关键 相比,CBS策略一方面采取类似于“整合生物加工问题,包括提高CBS全菌催化剂对预处理衍生的抑 (简称CBP)”的方式将酶的生产与水解步骤有制物的耐受性、优化纤维小体中不同功能组分的 机整合,因此与其他策略相比,在用酶成本方面活力平衡、研制新工艺和配套装备提高糖化的传 具有优势;另一方面将下游发酵步骤进行一定程质效率以提高底物载量、提高预处理方法和下游 度上的分立,并将可发酵糖用作下游发酵中的平应用技术与CBS工艺的兼容性等(图2) 台化学品,与CBP相比具有显著的产品出口灵活 该研究组目前正在与企业合作将CBS工艺进 性(图1)。该研究组研究人员前期已成功构建了行中试放大,解决中试放大过程中的工程技术问 高效的CBS全菌催化剂,优化了糖化过程以降低生题,建立基于该工艺的工业示范系统,完成整套 产成本并缩短了过程,并且通过偶联预处理工艺基于CBS工艺的木质纤维素生物转化技术方案。通 和下游应用技术初步建立了基于CBS工艺的整个木过研究人员的不懈努力,CBS工艺最终有望以具有 质纤维素生物转化途径,在实验室小试水平完成经济实用性和可持续性的方式将木质纤维素生物 了CBS工艺开发 转化带入实际的工业应用中,从而极大地促进木 CBS工艺以可发酵糖作为产品,因此,使可质纤维素生物质资源的大规模应用。 发酵糖的生产成本低于淀粉糖成本,是将基于CBS 代谢物组学研究组刘亚君副研究员为该论文
6 科研进展 bioconversion into the real world. Biotechnol Adv doi: 10.1016/j.biotechadv.2020.107535]，为木质纤 维素生物转化的工业化实现提供了技术指引。 与目前已知的其他木质纤维素生物转化策略 相比，CBS策略一方面采取类似于“整合生物加工 （简称CBP）”的方式将酶的生产与水解步骤有 机整合，因此与其他策略相比，在用酶成本方面 具有优势；另一方面将下游发酵步骤进行一定程 度上的分立，并将可发酵糖用作下游发酵中的平 台化学品，与CBP相比具有显著的产品出口灵活 性（图1）。该研究组研究人员前期已成功构建了 高效的CBS全菌催化剂，优化了糖化过程以降低生 产成本并缩短了过程，并且通过偶联预处理工艺 和下游应用技术初步建立了基于CBS工艺的整个木 质纤维素生物转化途径，在实验室小试水平完成 了CBS工艺开发。 CBS工艺以可发酵糖作为产品，因此，使可 发酵糖的生产成本低于淀粉糖成本，是将基于CBS 工艺的木质纤维素生物转化技术应用于实际工业 生产的前提。为此，该论文中详细讨论了未来进 一步提高CBS糖化效率和糖产量的研究方向以及在 CBS生物催化剂和工艺的优化方面需要解决的关键 问题，包括提高CBS全菌催化剂对预处理衍生的抑 制物的耐受性、优化纤维小体中不同功能组分的 活力平衡、研制新工艺和配套装备提高糖化的传 质效率以提高底物载量、提高预处理方法和下游 应用技术与CBS工艺的兼容性等（图2）。 该研究组目前正在与企业合作将CBS工艺进 行中试放大，解决中试放大过程中的工程技术问 题，建立基于该工艺的工业示范系统，完成整套 基于CBS工艺的木质纤维素生物转化技术方案。通 过研究人员的不懈努力，CBS工艺最终有望以具有 经济实用性和可持续性的方式将木质纤维素生物 转化带入实际的工业应用中，从而极大地促进木 质纤维素生物质资源的大规模应用。 代谢物组学研究组刘亚君副研究员为该论文 图2 整合生物糖化技术未来的研究方向和需要解决的关键问题
科研进展 第一作者,刘亚君副研究员、冯银刚研究员和崔 (文/图刘亚君) 球研究员为该论文的通讯作者。该工作得到了中 原文链接 科院战略性先导专项、国家自然科学基金委、山 https://www.sciencedirect.com/science/article. 东省自然科学基金委的资助。 abs/pii/s073497502030032X? via%03Dihub 单细胞中心研发出高耐久低成本的DNA合成纠 错系统 徐健研究员带领的单细胞中心近期构建了名为 iMICO的DNA合成纠错系统,在保证纠错性能 的前提下,能够保持峰值酾活长达63天,因此不再需要频繁地重复制备新鲜的MutS。同时, 成品挂柱的储存方式还大大提高了使用的便捷性。 DNA的从头合成是合成生物技术的基础平台着核酸链的复制而传播和扩散,导致DNA合成 之一。但是,由于大规模DNA合成过程中难以避产物中一般只有5%-60%具有完全正确的序列。 免地产生错误,DNA纠错环节的效率和经济性已因此,DNA纠错环节的效率和经济性已经成为 经成为限制DNA合成质量、通量与成本的关键问限制DNA合成质量、通量与成本的关键问题之 题之一。针对此瓶颈,青岛能源所单细胞中心研 发出高耐久低成本的DNA合成纠错系统,大幅度 与其它的酶纠错系统相比,DNA错配修复蛋 提高了DNA纠错环节的效率和经济性。该工作发白(MutS)的纠错效率较高,而且使用相对简 表于 A CS Synthetic Biology 便。但在实际应用中,MutS酶活的持久性较差, 就像我们写字一样,DNA合成是一个容易在7天左右即开始显著下降,导致在一个完整的基 出错的过程。寡核苷酸的化学合成、DNA聚合因组合成流程中需要多次表达与纯化。这不仅阻 酶的延伸、基于寡核苷酸的基因片段组装等大片碍了纠错环节的通量化和规模化,也限制了MutS 段DNA合成的每一步骤均可能引入错误碱基。纠错系统的工业化应用。 这些“错误”如果没有及时“纠正”,它们将随 汁对这一瓶颈问题,单细胞中心张佳博土带 靖聚能7
科研进展 7 DNA的从头合成是合成生物技术的基础平台 之一。但是，由于大规模DNA合成过程中难以避 免地产生错误，DNA纠错环节的效率和经济性已 经成为限制DNA合成质量、通量与成本的关键问 题之一。针对此瓶颈，青岛能源所单细胞中心研 发出高耐久低成本的DNA合成纠错系统，大幅度 提高了DNA纠错环节的效率和经济性。该工作发 表于ACS Synthetic Biology。 就像我们写字一样，DNA合成是一个容易 出错的过程。寡核苷酸的化学合成、DNA聚合 酶的延伸、基于寡核苷酸的基因片段组装等大片 段DNA合成的每一步骤均可能引入错误碱基。 这些“错误”如果没有及时“纠正”，它们将随 着核酸链的复制而传播和扩散，导致DNA合成 产物中一般只有5%-60%具有完全正确的序列。 因此，DNA纠错环节的效率和经济性已经成为 限制DNA合成质量、通量与成本的关键问题之 一。 与其它的酶纠错系统相比，DNA错配修复蛋 白（MutS）的纠错效率较高，而且使用相对简 便。但在实际应用中，MutS酶活的持久性较差， 在7天左右即开始显著下降，导致在一个完整的基 因组合成流程中需要多次表达与纯化。这不仅阻 碍了纠错环节的通量化和规模化，也限制了MutS 纠错系统的工业化应用。 针对这一瓶颈问题，单细胞中心张佳博士带 单细胞中心研发出高耐久低成本的DNA合成纠 错系统 徐健研究员带领的单细胞中心近期构建了名为iMICC的DNA合成纠错系统，在保证纠错性能 的前提下，能够保持峰值酶活长达63天，因此不再需要频繁地重复制备新鲜的MutS。同时， 成品挂柱的储存方式还大大提高了使用的便捷性。 第一作者，刘亚君副研究员、冯银刚研究员和崔 球研究员为该论文的通讯作者。该工作得到了中 科院战略性先导专项、国家自然科学基金委、山 东省自然科学基金委的资助。 （文/图 刘亚君） 原文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/ abs/pii/S073497502030032X?via%3Dihub
Durability engineering of Muts IMICC for efficient and low-cost error removal in DNA synthesis (eMuts--eMuts-L157C-G233C) e ntroducing ten disulfide bone Disulfide by design Re-annealed subpools I High enzyme Column High-durability error L157cG233 Cellulose correction system(iMICC) Creating MaP fusion Improving storage condition 领的攻关小组,首先提出了基于搭建人工二硫键合成木糖还原酶同源基因等的验证表明, iMICC 来提高酶活持久性的思路,根据MutS的射线晶能够将基因合成产物的错误率分别降低到0.64 体结构,理性设计了10组可能显著提高蛋白质稳Kb和041/Kb,组装成的正确片段占比72.1%和 定性的二硫键,并从实验中筛选出最佳的组合。86.4%,而成本仅为$0.37/反应。因此, iMICC能 其次,通过与麦芽糖结合蛋白(MBP)的融合表够将基因合成过程中的碱基准确性提高37.6倍, 达,来提高MutS蛋白的异源表达量。最后,通过同时大幅度提高了使用寿命。与常用的商品化纠 储存条件的优化,将MutS蛋白与纤维素结合挂柱错酶 CorrectAse相比, iMIC的纠错性能高出6.6 并保存在4℃,进一步提高了MutS的使用寿命。 倍,却便宜了26.7倍。 终构建的名为 iMICO的DNA合成纠错系统,在保 因此, iMICC为建立一个更为简便、高效 证纠错性能的前提下,能够保持峰值酶活长达63稳定和低成本的工业化纠错流程奠定了基础。此 天,因此不再需要频繁地重复制备新鲜的MutS 外,这也是首次证明了二硫键的理性设计与搭建 同时,成品挂柱的储存方式还大大提高了使用的可以提高酶活的持久性,该思路为包括DNA纠错 便捷性。 酶在内的诸多核酸工具酶的提质改性提供了有益 针对在溶液中合成Cas9同源基因和在芯片上启发
8 科研进展 领的攻关小组，首先提出了基于搭建人工二硫键 来提高酶活持久性的思路，根据MutS的X射线晶 体结构，理性设计了10组可能显著提高蛋白质稳 定性的二硫键，并从实验中筛选出最佳的组合。 其次，通过与麦芽糖结合蛋白 (MBP)的融合表 达，来提高MutS蛋白的异源表达量。最后，通过 储存条件的优化，将MutS蛋白与纤维素结合挂柱 并保存在4℃，进一步提高了MutS的使用寿命。最 终构建的名为iMICC的DNA合成纠错系统，在保 证纠错性能的前提下，能够保持峰值酶活长达63 天，因此不再需要频繁地重复制备新鲜的MutS。 同时，成品挂柱的储存方式还大大提高了使用的 便捷性。 针对在溶液中合成Cas9同源基因和在芯片上 合成木糖还原酶同源基因等的验证表明，iMICC 能够将基因合成产物的错误率分别降低到0.64 / Kb和0.41 / Kb，组装成的正确片段占比72.1％和 86.4％，而成本仅为$0.37/反应。因此，iMICC能 够将基因合成过程中的碱基准确性提高37.6倍， 同时大幅度提高了使用寿命。与常用的商品化纠 错酶CorrectASE相比，iMICC的纠错性能高出6.6 倍，却便宜了26.7倍。 因此，iMICC为建立一个更为简便、高效、 稳定和低成本的工业化纠错流程奠定了基础。此 外，这也是首次证明了二硫键的理性设计与搭建 可以提高酶活的持久性，该思路为包括DNA纠错 酶在内的诸多核酸工具酶的提质改性提供了有益 启发