CN117756597A - 一种螺环二萜骨架及其高效合成酿酒酵母平台及合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于基因工程及生物合成技术领域,具体涉及一种细菌及真菌螺环二萜骨架,并进一步公开了可用于高效合成所述二萜骨架的酿酒酵母平台,以及基于所述酿酒酵母平台生物合成所述二萜骨架的方法及应用。本发明所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台,通过表达酿酒酵盘MVA途径中的限速酶IDI和tHMG,同时加入GGPP合成酶SdnC,形成新的高产二萜骨架的酿酒酵母底盘,然后将细菌和真菌的萜合成酶基因转入酿酒酵母底盘,筛选新型细菌和真菌二萜骨架,并通过投喂13C标记的醋酸钠探究新型细菌和真菌二萜骨架的合成机制,可以实现利用酿酒酵母平台生产细菌和真菌中二萜骨架产物。
Description
技术领域
本发明属于基因工程及生物合成技术领域,具体涉及一种细菌及真菌螺环二萜骨架,并进一步公开了可用于高效合成所述二萜骨架的酿酒酵母平台,以及基于所述酿酒酵母平台生物合成所述二萜骨架的方法及应用。
背景技术
植物来源的萜类化合物具有广泛的商业和工业应用。萜类是最具结构多样性和功能多样性的天然产物,从中诞生了大量的药物和生物活性分子,如抗癌药物紫杉醇、抗疟疾药物青蒿素、天然香料檀香醇、抗氧化剂类胡萝卜素等。目前,萜类化合物的用途的主要包括专用燃料、农用化学品、香料、营养制品和药物等。然而,目前用于石油化工合成、提取和纯化来自天然植物来源的萜类化合物的方法具有有限的经济可持续性。
目前,植物、真菌中萜类报道较多,而细菌来源的萜类报道的较少。基于合成生物学思维,本领域研究者们已经打造了多种用于萜类高产表达的底盘细胞和元件单元去高效生产萜类骨架。如用于紫杉醇前体和青蒿素前体生产的大肠杆菌底盘和酿酒酵母底盘。然而,由于细菌萜类在大肠杆菌中遵循MEV途径,不利于13C醋酸钠标记;在酿酒酵母底盘中遵循MVA途径,但细菌来源的基因在兼容性上较却差,并影响其产量较低。
近年来,随着萜类天然产物生物合成途径的不断解析以及酶定向进化技术的发展,为深入研究萜类化合物的生物合成和工业生产奠定了重要基础。基于廉价原料为底物设计高效的生物合成策略制备萜类骨架(母核),进而通过对这些母核分子的羟基化、环氧化、糖基化以及卤化等多种修饰作用,形成种类丰富的生物活性物质,可以有效弥补有机合成化学在复杂天然产物类药物生产方面的不足,实现化学合成与生物合成的强强联合。
发明内容
为此,本发明所要解决的技术问题在于提供一种二萜类化合物骨架;
本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种可高效合成所述二萜类化合物骨架的酿酒酵母平台,并进一步公开其构建方法;
本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种基于所述酿酒酵母平台进行生物合成二萜类化合物骨架的方法。
为解决上述技术问题,本发明所述的一种螺环二萜骨架,所述螺环二萜骨架包括如下式(Ⅰ)所示的细菌二萜骨架(SpcB)和/或如下式(Ⅱ)所示的真菌二萜骨架(SdnA):
本发明还公开了一种高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,包括如下步骤:
(1)过表达酿酒酵母MVA途径中的限速酶IDI和tHMG,并加入GGPP合成酶SdnC,形成高产二萜骨架的酿酒酵母底盘;
(2)将细菌和真菌的二萜合成酶基因转入所述酿酒酵母底盘进行表达,并筛选新型细菌和真菌二萜骨架,即得。
具体的,所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,所述步骤(1)具体包括:
提取pRS425质粒,用限制性内切酶XhoI和SacI对所述pRS425进行酶切并回收,备用;
提取酵母基因组,并PCR扩增酿酒酵母中的异构酶IDI和tHMG还原酶的基因;
PCR扩增二萜化合物生物合成过程中的GGPP合成酶基因SdnC;
将所述IDI、tHMG、SdnC基因及对应的启动子和终止子构建到pRS425载体上,获得pRS425(IDI+tHMG+SdnC);
将构建好的pRS425(IDI+tHMG+SdnC)转入到营养缺陷型酿酒酵母中获得酿酒酵母地盘。
具体的,所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,所述步骤(1)中,所述PCR扩增步骤的引物包括:
pRS425-idi-F:
GTCAACTGTCAATTATATTATAATACACTAGATCTATGACTGCCGACAACAATA;
pRS425-idi-R:
AAAAATCATAAATCATAAGAAATTCGCTTATTTATAGCATTCTATGAATTTGCCTG;
pRS425-tHMG-F:
CATACAATCAACTATCTACCATACCATAATACACAATGCCGCCGCTATTCAA;
pRS425-tHMG-R:
AATTACATGATATCGACAAAGGAAAAGGGGCCTGTTTAGGATTTAATGCAGGTGACGG;;
pRS425-SdnC-F:CAACGAAAACTCGAGATGAGTTTCGACCAATTTG;
pRS425-SdnC-R:
GCAGCCTTTTGAGCAGCCTTGGTAACCTTAGCGGCTCAGACCCTCAAAACCTCCACG。
具体的,所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,所述步骤(2)包括:
提取pYET质粒,用限制性内切酶MssI和KpnI对所述pYET进行酶切并回收;
PCR扩增细菌来源的二萜合成酶SpcB的DNA序列和真菌来源的二萜合成酶SdnA的cDNA序列,并将其分别与对应的启动子和终止子构建到pYET载体上,分别获得载体pYET-SpcB和pYET-SdnA;
分别将所述pYET-SpcB和pYET-SdnA转入到步骤(1)构建的所述酿酒酵母地盘中进行表达。
具体的,所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,所述PCR扩增步骤的引物包括:
pYET-SpcB-F:
CTATATCGTAATACCATCATATGGTGACCACCGCCCGC;
pYET-SpcB-R:cgtgaaggcatgtttaaactcatcgcgcgttcgcctccc;
pYET-SdnA-F:ctatatcgtaataccatcatATGTCACTATACGGGTTATT;
pYET-SdnA-R:
cgtgaaggcatgtttaaacCTAAGGAAGATCCATAATCCTCGTCT。
本发明还公开了一种由所述方法构建得到的高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台,包括酿酒酵母ScRC01-01-SpcB和/或ScRC01-01-SdnA。
本发明还公开了一种高效合成所述螺环二萜骨架的方法,包括将所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台进行发酵的步骤,以及,收集发酵液进行分析检测和/或结构鉴定的步骤。
具体的,所述高效合成所述螺环二萜骨架的方法,所述方法还包括通过投喂13C标记的醋酸钠探究所述螺环二萜骨架的合成机制的步骤。
本发明还公开了所述螺环二萜骨架用于制备萜类化合物的用途。
本发明所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台,通过表达酿酒酵盘MVA途径中的限速酶IDI和tHMG,同时加入GGPP合成酶SdnC,形成新的高产二萜骨架的酿酒酵母底盘,然后将细菌和真菌的萜合成酶基因转入酿酒酵母底盘,去筛选新型细菌和真菌二萜骨架,并通过投喂13C标记的醋酸钠探究新型细菌和真菌二萜骨架的合成机制。本发明通过构建能够生产细菌二萜骨架的酿酒酵母平台,可以实现利用酿酒酵母平台生产细菌和真菌中二萜骨架产物,为大规模生物合成萜类化合物提供了合成基础。
本发明所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台,不仅能够生产细菌二萜骨架的酿酒酵母平台,例如获得了新型5/6/6螺环二萜骨架,并实现了利用酿酒酵母平台探究5/6/6螺环二萜骨架的合成机制,进一步推动了萜类化合物生物合成的研究基础。
螺环化合物是现代药物发现的重点,其在医药化学期刊上的发表数量也逐年增加,这是由于螺环化合物不仅能够提供较高的Fsp3值和更强的三维性,还可以通过调控合成步骤和立体中心的数量来影响药物性质,因此引入螺环支架成为药物设计中的一种创新策略。而本发明筛选的螺环二萜化合物骨架结构,具有如下潜在的优势:
(1)提高活性和选择性:所述螺环二萜化合物的系统限定了分子的构象,可以锁定配体与靶点之间的理想构象,如对肾上腺素受体的选择性改善和对PARP酶的高效抑制;
(2)改善药代动力学性质:所述螺环二萜化合物有助于提高化合物的代谢稳定性,例如,通过取代烯烃键来引入螺环结构,改良PLK4抑制剂;
(3)改善理化性质:所述螺环二萜化合物可以增加分子的刚性,有利于溶解性和脂溶性的平衡。
综上,本发明所述螺环二萜化合物可以作为螺环支架成为药物设计中新的策略。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中,
图1为所述二萜骨架cycloaraneosene的1H谱信号;
图2为所述二萜骨架spirotricdene的1H谱信号;
图3为所述二萜骨架spirotricdene的结构及关键二维信号;
图4为所述二萜骨架spirotricdene的13C NMR谱图及信号比对结果;
图5为投喂13C标记的醋酸钠探究所述二萜骨架spirotricdene的合成机制结果。
具体实施方式
实施例1
本实施例用于构建生产细菌和真菌二萜骨架酿酒酵母底盘。
提取pRS425质粒,分别用限制性内切酶XhoI和SacI对pRS425进行酶切,37℃酶切3h后胶回收,备用。
提取酵母基因组,并采用PCR扩增酿酒酵母中的异构酶IDI和tHMG还原酶基因。
PCR扩增sordarin生物合成过程中的GGPP合成酶基因SdnC。
本实施例中,所述PCR扩增步骤的引物包括:
pRS425-idi-F:
GTCAACTGTCAATTATATTATAATACACTAGATCTATGACTGCCGACAACAATA;
pRS425-idi-R:
AAAAATCATAAATCATAAGAAATTCGCTTATTTATAGCATTCTATGAATTTGCCTG;
pRS425-tHMG-F:
CATACAATCAACTATCTACCATACCATAATACACAATGCCGCCGCTATTCAA;
pRS425-tHMG-R:
AATTACATGATATCGACAAAGGAAAAGGGGCCTGTTTAGGATTTAATGCAGGTGACGG;;
pRS425-SdnC-F:CAACGAAAACTCGAGATGAGTTTCGACCAATTTG;
pRS425-SdnC-R:
GCAGCCTTTTGAGCAGCCTTGGTAACCTTAGCGGCTCAGACCCTCAAAACCTCCACG。
本实施例中,所述PCR扩增步骤的PCR体系及程序包括:
PCR体系50μl:buffer 25μl、引物5μl、DMSO 2.5μl、dNTP 1μl、模板1μl、酶0.5μl、dH2O 15μl;
PCR程序:95℃预变性5min,95℃变性15s,60℃退火15s,72℃延伸60s,30个循环。
进一步将扩增的IDI、tHMG、SdnC基因及对应的启动子和终止子构建到pRS425载体上,获得pRS425(IDI+tHMG+SdnC),具体过程如下:利用引物扩增IDI、tHMG、SdnC以及启动子和终止子基因片段,利用限制性内切酶处理pRS425质粒获得线性片段备用。通过试剂盒方法获得酿酒酵母感受态细胞,将IDI、tHMG、SdnC、启动子、终止子、pRS425线性载体与酿酒酵母感受态细胞抚育,利用酿酒酵母自身的同源重组能力构建pRS425(IDI+tHMG+SdnC)载体,转化子进行质粒提取和酶切验证。
将上述构建好的pRS425(IDI+tHMG+SdnC)转入到营养缺陷型酿酒酵母S.cerevisaeRC01中进行表达,获得酿酒酵母地盘ScRC01-01。
实施例2
本实施例用于对细菌和真菌二萜合成酶进行表达和检测。
提取pYET质粒,用限制性内切酶MssI和KpnI对pYET进行酶切,37℃酶切3h后胶回收,备用。
对细菌来源的二萜合成酶SpcB的DNA序列和真菌来源的二萜合成酶SdnA的cDNA序列进行PCR扩增,并将其扩增产物分别与对应的启动子和终止子构建到pYET载体上,获得载体pYET-SpcB和pYET-SdnA。
本实施例中,所述PCR扩增步骤的引物包括:
pYET-SpcB-F:
CTATATCGTAATACCATCATATGGTGACCACCGCCCGC;
pYET-SpcB-R:cgtgaaggcatgtttaaactcatcgcgcgttcgcctccc;
pYET-SdnA-F:ctatatcgtaataccatcatATGTCACTATACGGGTTATT;
pYET-SdnA-R:
cgtgaaggcatgtttaaacCTAAGGAAGATCCATAATCCTCGTCT。
本实施例中,所述PCR扩增步骤的PCR体系及程序包括:
PCR体系50μl:buffer 25μl、引物5μl、DMSO 2.5μl、dNTP 1μl、模板1μl、酶0.5μl、dH2O 15μl;
PCR程序:95℃预变性5min,95℃变性15s,60℃退火15s,72℃延伸60s,30个循环。
分别将上述pYET-SpcB和pYET-SdnA转入到实施例1中构建的酿酒酵母地盘ScRC01-01中进行表达,分别获得所需酿酒酵母平台,分别记为酿酒酵母ScRC01-01-SpcB和酿酒酵母ScRC01-01-SdnA。
实施例3
本实施例采用实施例2中构建的酿酒酵母ScRC01-01-SpcB和酿酒酵母ScRC01-01-SdnA进行目标产物螺环二萜骨架的发酵。
取上述酿酒酵母ScRC01-01-SpcB和酿酒酵母ScRC01-01-SdnA进行大规模发酵,使用实施例1中构建的ScRC01-01作为空白对照。
本实施例中,作为示例性发酵培养基选择YPD,即包括如下成分(以1L计):酵母膏10g、蛋白胨20g、葡萄糖20g,加水至1L,控制200mL/1Lbuffer瓶,于30℃、220rpm进行发酵3天。
发酵结束后,收集上述发酵液并进行离心弃上清,收集菌体,再将菌体经过甲醇浸提3遍、萃取液低压浓缩干后,用少量乙酸乙酯进行溶解,经高速离心后,收集上清通过TLC和GCMS进行分析检测,可分析鉴定所述发酵产物的组成。
实施例4
本实施例中,利用实施例3中发酵获得的发酵液进行二萜骨架产物结构分析及鉴定。
收集发酵液并进行离心弃上清,收集菌体,再将菌体经过甲醇浸提3遍、萃取液低压浓缩干后,用少量乙酸乙酯进行溶解,经高速离心后,收集上清利用硅胶进行分离,经石油醚洗脱,分别用青霉素小瓶收集洗脱液,3mL/瓶,经TLC点板显色分析后,选取纯品使用核磁共振测定NMR谱图,并进行解析结构。
本实施例中,分别收集两种骨架化合物,分别记为SpcB和SdnA。
本实施例中,对上述收集的产物SdnA进行结构鉴定,其1H谱信号见附图1所示,1H和13C NMR数据归属见下表1。
表1化合物SdnA的1H和13C NMR数据归属
注:aMeasured at 400MHz for 1H NMR and at 100MHz for 13C NMR in CDCl3
综上,本实施例收集的化合物SdnA的结构如下,经鉴定属于真菌二萜骨架结构cycloaraneosene。
本实施例中,对上述收集的产物SpcB进行结构鉴定,其1H谱信号见附图2所示,1H和13C NMR数据归属见下表2,进一步检测所述化合物的关键二维信号见附图3。
表2化合物SpcB的1H和13C NMR数据归属
No. | δC type | δH(mult,J in Hz) | No. | δC type | δH(mult,J in Hz) |
1 | 47.5,CH2 | 1.82(1H,m),1.57(1H,m) | 11 | 42.2,CH | 2.12(1H,m) |
2 | 38.1,C | 12 | 31.2,CH2 | 1.80(1H,m),1.24(1H,m) | |
3 | 45.9,CH | 1.30(1H,m) | 13 | 30.9,CH2 | 2.33(1H,m),2.22(1H,m) |
4 | 31.2,CH2 | 1.40(1H,m),1.37(1H,m) | 14 | 143.4,C | |
5 | 28.7,CH2 | 1.75(1H,m),1.32(1H,m) | 15 | 122.1,C | |
6 | 32.8,CH2 | 2.15(1H,m),1.97(1H,m) | 16 | 24.2,CH3 | 1.61(3H,s) |
7 | 144.1,C | 17 | 20.8,CH3 | 1.73(3H,s) | |
8 | 118.7,CH | 5.33(1H,m) | 18 | 17.5,CH3 | 0.83(3H,d,J=6.9) |
9 | 30.4,CH2 | 2.42(1H,m),1.93(1H,m) | 19 | 19.1,CH3 | 1.03(3H,s) |
10 | 47.4,C | 20 | 15.9,CH2 | 0.80(3H,d,J=6.4) |
注:aMeasured at 400MHz for 1H NMR and at 100MHz for 13C NMR in CDCl3
综上,本实施例收集的化合物SpcB的结构如下,经鉴定属于细节二萜骨架结构spirotricdene。
综上,本实施例纯化提取得到的化合物分别为如下式(Ⅰ)所示的细菌二萜骨架(SpcB)和/或如下式(Ⅱ)所示的真菌二萜骨架(SdnA):
实施例5
本实施例对上述实施例4中获得的新型5/6/6螺环二萜骨架的合成机制进行探讨。
取上述构建的酿酒酵母ScRC01-01-SpcB进行大规模发酵(参见实施例3),分别在发酵在24h、36h、48h、60h向发酵液中投喂13C标记的醋酸钠。
收集发酵液进行实施例3中同样的处理过程,并测定13C NMR谱图,并与未标记的谱图进行对比,进一步确定5/6/6螺环二萜的结构及可能的重排过程。
本实施例中,所述细菌二萜骨架化合物spirotricdene(SpcB)的13C NMR谱图及信号比对结果分别见附图4中(A)和(B)所示。
本实施例中,投喂13C标记的醋酸钠探究所述二萜骨架spirotricdene的合成机制结果见附图5。
可见,利用本发明构建的所述酿酒酵母平台,不仅可以生产真菌中二萜骨架产物,同时也可以生产细菌中二萜骨架产物,方便了后续细菌中二萜骨架产物重排机制的探究。而本发明所述螺环二萜化合物可以作为螺环支架成为药物设计中新的策略。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种螺环二萜骨架,其特征在于,所述螺环二萜骨架包括如下式(Ⅰ)所示的细菌二萜骨架(SpcB)和/或如下式(Ⅱ)所示的真菌二萜骨架(SdnA):
2.一种高效合成权利要求1所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)过表达酿酒酵母MVA途径中的限速酶IDI和tHMG,并加入GGPP合成酶SdnC,形成高产二萜骨架的酿酒酵母底盘;
(2)将细菌和真菌的二萜合成酶基因转入所述酿酒酵母底盘进行表达,并筛选新型细菌和真菌二萜骨架,即得。
3.根据权利要求2所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,其特征在于,所述步骤(1)具体包括:
提取pRS425质粒,用限制性内切酶XhoI和SacI对所述pRS425进行酶切并回收,备用;
提取酵母基因组,并PCR扩增酿酒酵母中的异构酶IDI和tHMG还原酶的基因;
PCR扩增二萜化合物生物合成过程中的GGPP合成酶基因SdnC;
将所述IDI、tHMG、SdnC基因及对应的启动子和终止子构建到pRS425载体上,获得pRS425(IDI+tHMG+SdnC);
将构建好的pRS425(IDI+tHMG+SdnC)转入到营养缺陷型酿酒酵母中获得酿酒酵母地盘。
4.根据权利要求3所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述PCR扩增步骤的引物包括:
pRS425-idi-F:
GTCAACTGTCAATTATATTATAATACACTAGATCTATGACTGCCGACAACAATA;
pRS425-idi-R:
AAAAATCATAAATCATAAGAAATTCGCTTATTTATAGCATTCTATGAATTTGCCTG;
pRS425-tHMG-F:
CATACAATCAACTATCTACCATACCATAATACACAATGCCGCCGCTATTCAA;
pRS425-tHMG-R:
AATTACATGATATCGACAAAGGAAAAGGGGCCTGTTTAGGATTTAATGCAGGTGACGG;;
pRS425-SdnC-F:CAACGAAAACTCGAGATGAGTTTCGACCAATTTG;
pRS425-SdnC-R:
GCAGCCTTTTGAGCAGCCTTGGTAACCTTAGCGGCTCAGACCCTCAAAACCTCCACG。
5.根据权利要求2-4任一项所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,其特征在于,所述步骤(2)包括:
提取pYET质粒,用限制性内切酶MssI和KpnI对所述pYET进行酶切并回收;
PCR扩增细菌来源的二萜合成酶SpcB的DNA序列和真菌来源的二萜合成酶SdnA的cDNA序列,并将其分别与对应的启动子和终止子构建到pYET载体上,分别获得载体pYET-SpcB和pYET-SdnA;
分别将所述pYET-SpcB和pYET-SdnA转入到步骤(1)构建的所述酿酒酵母地盘中进行表达。
6.根据权利要求5所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台的构建方法,其特征在于,所述PCR扩增步骤的引物包括:
pYET-SpcB-F:
CTATATCGTAATACCATCATATGGTGACCACCGCCCGC;
pYET-SpcB-R:cgtgaaggcatgtttaaactcatcgcgcgttcgcctccc;
pYET-SdnA-F:ctatatcgtaataccatcatATGTCACTATACGGGTTATT;
pYET-SdnA-R:
cgtgaaggcatgtttaaacCTAAGGAAGATCCATAATCCTCGTCT。
7.一种由权利要求2-6任一项所述方法构建得到的高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台,其特征在于,包括酿酒酵母ScRC01-01-SpcB和/或ScRC01-01-SdnA。
8.一种高效合成权利要求1所述螺环二萜骨架的方法,其特征在于,包括将权利要求7所述高效合成所述螺环二萜骨架的酿酒酵母平台进行发酵的步骤,以及,收集发酵液进行分析检测和/或结构鉴定的步骤。
9.根据权利要求8所述高效合成所述螺环二萜骨架的方法,其特征在于,所述方法还包括通过投喂13C标记的醋酸钠探究所述螺环二萜骨架的合成机制的步骤。
10.权利要求1所述螺环二萜骨架用于制备萜类化合物的用途。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
CN202311608816.8A CN117756597A (zh) | 2023-11-28 | 2023-11-28 | 一种螺环二萜骨架及其高效合成酿酒酵母平台及合成方法 |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115305254A (zh) * | 2021-05-08 | 2022-11-08 | 中国科学院天津工业生物技术研究所 | 一种萜类底盘微生物与工程菌及其构建方法和应用 |
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2023
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Patent Citations (1)
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CN115305254A (zh) * | 2021-05-08 | 2022-11-08 | 中国科学院天津工业生物技术研究所 | 一种萜类底盘微生物与工程菌及其构建方法和应用 |
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Title |
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