最新刊期
2022年第3卷第1期
合成生物学前沿进展专辑
刘陈立
- 摘要：Science期刊于2021年4月30日刊登了3篇关于Z-基因组的研究论文。本文将重点评论其中赵素文、张雁和赵惠民三个实验室的合作论文：介绍多酶系统介导的Z-基因组生物合成、降低宿主菌中dATP浓度的dATPase和DUF550发现，并阐明Z-基因组的测序鉴定和功能意义。44年前，苏联科学家首次发现二氨基嘌呤（Z）存在于蓝藻噬菌体（cyanophage）S-2L的基因组中。Z是一种特殊的碱基，它完全取代了腺嘌呤并与胸腺嘧啶形成三个氢键，Z-基因组的生物合成通路一直是未解之谜。上海科技大学赵素文实验室、天津大学张雁实验室和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校/新加坡科技研究局的赵惠民实验室组成的合作团队，通过生物信息学、计算生物学和生物化学手段揭示了负责Z-基因组生物合成的多酶系统。研究发现此通路可能也存在于数十个分布在全球各地的噬菌体中，包括在上海被发现和分离的Acinetobacter phage SH-Ab 15497。合作团队使用HPLC-UV、质谱技术和纳米孔测序验证了Z碱基存在于Acinetobacter phage SH-Ab 15497中，且完全取代了A碱基，识别位点中含有A碱基的限制性核酸内切酶通常无法切割Z-DNA，因此Z-DNA赋予了噬菌体逃避宿主限制性核酸内切酶攻击的进化优势。Z基因组生物合成通路的解析，可促进新型核酸产品和相关新DNA技术的开发。关键词：噬菌体;Z-基因组;Z碱基;新型核酸;生物合成5|1|1更新时间：2025-03-20
评论
- 摘要：遗传进化是生物系统的一个基本特征，生物系统的结构与功能都是动态变化的，生物通过进化更好地适应环境。定量合成生物学作为一门新兴交叉学科，主要研究如何利用合成系统定量刻画生物学规律，以及基于理性设计和改造人工生命系统来解答生命科学前沿问题。然而，目前掌握的知识还不足以满足理性设计和定量可控的要求。尽管人工生命系统产生于实验室，但其同样受到进化法则的支配，比如突变、遗传漂变、达尔文自然选择等，因此需要利用进化规律帮助设计和构建更加稳定的人工生命系统；反过来，简单、周期短且可控的定量合成生物系统也可帮助研究生物进化原理提供更佳的生物模型，两者相互促进，为更好地探索生命法则提供了理论支撑和技术手段。本文主要综述了目前应用进化原理筛选目标蛋白的连续定向进化方法，总结了利用进化原理提高合成线路稳定性的策略；同时，介绍了用定量合成生物学的手段研究生物进化原理的进展，并提出了基于进化原理的人工生命设计的研究方向。未来合成生物学与进化生物学的融合发展将为精确控制生命系统提供思路和方法，增进合成生物学改善人类可持续发展的应用。关键词：遗传进化;定量生物学;合成生物学;人工生命系统;群落进化2|1|0更新时间：2025-03-20
- 摘要：近年来，免疫治疗在肿瘤等重大疾病治疗领域取得了突破性的进展，然而当前免疫治疗在应对实体瘤等方面的有效性和安全性仍有待提高。另一方面，合成生物学的理念和技术也取得了长足的发展，其与免疫学基础研究及免疫治疗实践相融合，诞生了“合成免疫学”新学科，后者将驱动免疫治疗的进一步发展。本文概述了肿瘤免疫治疗的现状及合成免疫学诞生的背景，对天然杀伤细胞（NK细胞）在肿瘤免疫中的作用及NK细胞疗法进行了介绍，并详细综述了设计构建合成免疫细胞和合成免疫分子的相关进展。研究表明，NK细胞由于其独特的属性，可能是“通用型”合成免疫细胞疗法的理想底盘细胞，通过精准识别肿瘤的嵌合抗原受体及智能响应性基因回路等的装载，将实现NK细胞的功能增效，并在NK细胞大规模扩增技术及封闭式、自动化、可编程“细胞工厂”等的支撑下，实现合成免疫细胞的“货架式”供应模式。除了合成免疫细胞疗法之外，减毒增效的合成免疫分子则为人工操控免疫应答提供了更多的可能性。展望未来，合成免疫学驱动的免疫细胞疗法将与新型的合成免疫分子相辅相成，进一步提高抗肿瘤免疫疗法的有效性和安全性。关键词：嵌合抗原受体;货架式供应;细胞工厂;基因编辑;检查点疗法2|1|0更新时间：2025-03-20
- 摘要：肠道菌群是人体的重要“器官”。工业化世界的发展加速了对肠道菌群研究从“传统结构”向“工业结构”的转变，而纠正肠道微生态失衡已成为解决重大慢性非传染性疾病传播难题的核心策略之一。然而，目前开发的靶向调节肠道菌群结构与功能的传统微生态疗法，如益生元疗法、益生菌疗法和粪菌移植疗法，只有少数被用于临床多发难治性重大慢病的防治，且出现了可控性差、菌群遗传背景不清晰等安全问题。合成生物学技术手段的迭代发展推动了新型微生态药物的研发，成为对重大慢病进行精准识别和精准施策的关键。本文首先以消化系统疾病、代谢性疾病和精神疾病等重大慢性疾病的干预和治疗为切入点，回顾了基于合成生物学方法设计构建工程益生菌的研究进展，并对以工程益生菌为核心的微生态疗法在上述重大慢病中的应用进行了综述。同时，考虑到单一工程益生菌的负荷和抗干扰能力等问题，本文还提出了利用工程益生菌构建人工合成肠道菌群开发新一代微生态疗法的设想，分析了这一过程所面临的机遇与挑战，旨在为工程益生菌和人工合成肠道群落基础研究和临床应用的双向转化提供借鉴，从而推动新型微生态药物的研发。关键词：重大慢性疾病;微生态疗法;益生元;益生菌;粪菌移植;工程益生菌;人工合成菌群3|1|1更新时间：2025-03-20
- 摘要：以恶性肿瘤为代表的难治性疾病仍是困扰我国乃至全球的一个重大公共卫生问题。近年来，合成生物学的蓬勃发展，极大推动了疾病创新治疗策略，并显示出巨大潜力。人工构建的基因线路可特异性地识别、区分疾病细胞和正常细胞，并控制疾病细胞命运，为精准治疗提供了新途径。然而构建基因线路用于疾病治疗的挑战之一是缺乏有效、可编程、安全和序列特异性的基因编辑工具。CRISPR/Cas自从首次被用于哺乳动物基因编辑以来，已被广泛应用于研究、工业和医学领域。除Cas9诱导的indel突变外，CRISPR/Cas能够进行DNA/RNA的碱基编辑，为基因线路设计提供了高效的工具，极大提高了每个线路元件效率。因此，基于CRISPR技术的智能化基因线路的应用，可有效保证癌症等疾病治疗的安全性、高效性和特异性。本文介绍了CRISPR/Cas技术应用于医学合成生物学基因线路设计的研究进展和潜在挑战。评估了使用CRISPR系统元件的合成基因线路在肿瘤治疗中的效果，尤其利用人工开关诱导的Cas9干预肿瘤细胞治疗的安全性和有效性；介绍了CRISPR/Cas9介导的信号传感器设计，其可同时识别多个蛋白质信号，实现了多基因同步调控，以及新一代体系小、特异性强、基因调控效率高的CRISPR/Cas12a系统及其遗传改造。基于无启动子表达CRISPReader元件的精简基因线路设计，其高效启动的特点极大提升了智能化基因线路在未来精准癌症治疗中的应用潜力。关键词：基因线路;信号传感器;恶性肿瘤;成簇的规则间隔短回文重复;CRISPR相关蛋白4|1|0更新时间：2025-03-20
- 摘要：衰老逐渐成为威胁人类健康的重要因素，其中基因突变及其累积是引发衰老的因素之一。基因编辑技术可以纠正或清除错误基因突变，从而具有延缓衰老和治疗衰老相关疾病的潜力。CRISPR/Cas（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein）的基因编辑工具是基于细菌和古细菌获得性免疫系统发明的，已证明可修改多种生物体的基因组。通过对Cas蛋白的定点突变和表达优化改造，可提高CRISPR/Cas系统在靶向位点的编辑效率、保真性及降低其脱靶效应。随后，科学家们发明了许多基于Cas蛋白的编辑器，如碱基编器、引导编辑器、转座/重组酶等。CRISPR/Cas及其衍生的编辑器，可实现多种形式精确的基因修饰，从而满足不同的基因编辑需求。本文主要概述了CRISPR/Cas系统及其种类、Cas9（CRISPR-associated protein 9）蛋白及其变体、基于Cas9蛋白衍生的基因编辑器，并讨论了这些编辑器在衰老及其相关疾病，如早衰综合症、心血管疾病、年龄相关性黄斑变性、神经退行性疾病等方面的应用研究进展。未来，高精确基因编辑器和递送技术的发明，将加速基因编辑技术用于治疗衰老相关疾病和逆转衰老的基础与临床研究，最终实现人类健康衰老。关键词：CRISPR/Cas系统;Cas蛋白衍生编辑器;衰老及衰老相关疾病2|1|0更新时间：2025-03-20
- 摘要：合成基因组学通过设计与合成大片段DNA序列，开展基因组尺度的工程化改造或从头合成，从而揭示基因型和表型的关联，并构建预定功能的生物。正如在大肠杆菌、酿酒酵母等低等模式生物中合成基因组学的实践，对哺乳动物基因组的大片段DNA设计再造也必然会加深对更为复杂的动物基因组的理解并加强对基因组的功能重塑。面对生命健康领域存在的重大挑战，设计合成哺乳动物大片段DNA为其提供了新的思路和解决方案，特别是在染色体疾病模型构建、人源化免疫系统等方面展示出独特的应用潜力。然而，目前大片段DNA在哺乳动物细胞中的设计和操纵仍是一个巨大的挑战，面临着高等哺乳动物基因组注释不完善、复杂序列组装困难、穿梭载体通用性差、大片段DNA转移低效等问题。本文围绕设计-组装-转移的技术路线，评述哺乳动物合成基因组学领域的重要研究进展，详细介绍重要的技术突破，并展望哺乳动物合成基因组学在医药健康领域的应用。关键词：合成基因组学;基因组编写;合成型哺乳动物染色体;基因组工程;哺乳动物细胞;大片段DNA操纵技术2|1|1更新时间：2025-03-20
- 摘要：材料-生物杂化体的光驱生物催化，又称为半人工光合作用，利用高效捕获光能的材料与高选择性的生物催化相结合，从而实现光能到化学能高效、高特异性的转化。天然光合系统光能到化学能的转换效率低，进而发展了光能捕获和转换效率更高的人工光合作用，然而人工光合系统很难实现特异性合成高能量密度、高附加值的多碳化合物。基于材料-生物杂化体构建的半人工光合作用，同时具备材料和生物系统两者的优势，实现优势互补，为光能到化学能的转化提供新的机遇和应用。本文详细介绍了材料-生物杂化体的构建方式，杂化体通过光吸收剂与催化剂进行复合，其复合方式包括以天然光系统作为光吸收剂与纳米催化剂相结合，和以材料作为光吸收剂与酶或微生物全细胞催化剂相结合；分别总结不同复合方式的研究进展、不同系统之间的优缺点以及不同杂化体的应用方向，并对未来发展方向进行了展望。关键词：光合作用;人工光合作用;材料-生物杂化体7|2|2更新时间：2025-03-20
- 摘要：利用来源广、价格低、易制备且储量丰富的一碳化合物作为底物，通过构建甲基营养型细胞工厂，生物合成多种高附加值化学品，不仅可以促进一碳资源的洁净利用，同时可以缓解能源短缺、环境污染等问题。因此，深入了解甲基营养型微生物（天然型和合成型）的一碳代谢网络，是高效利用一碳化合物进行生物炼制的关键。本文综述了多种一碳化合物（甲烷、甲醇、甲酸和二氧化碳）生物炼制的研究进展，主要包括两个部分：（1）甲基营养型微生物（天然型和合成型）的关键代谢酶及多种代谢网络；（2）基于多种甲基营养型微生物进行生物合成的研究现状。文章最后讨论了一碳化合物作为底物进行生物转化所面临的主要瓶颈，并据此提供可行的研究策略，以期推动一碳化合物作为原材料进行生物炼制的工业化进程。关键词：甲基营养型微生物;一碳代谢;一碳化合物;生物转化;代谢工程2|1|6更新时间：2025-03-20
- 摘要：纤维小体是一种高效降解木质纤维素的多酶复合体，主要由自然界中一些梭菌纲厌氧细菌合成及分泌。纤维小体具有模块化、多样化、自组装、协同高效、底物自适应等特征，与合成生物学的工程化策略非常吻合，近年来在生物技术特别是合成生物技术中得到了大量的应用。本文简要介绍了纤维小体的基本架构和高效作用机制，从不同的方面综述了纤维小体在合成生物学研究中的应用研究进展，包括人工纤维小体、底物通道与合成代谢通路构建、细胞表面展示与酶固定化、仿纤维小体设计与构建等。并对纤维小体当前研究的热点问题及其在合成生物学中的应用方向进行了展望，可以预见，基于纤维小体研究所获得的多种蛋白质元件以及建立的工程化策略将在合成生物学中发挥重要作用。关键词：纤维小体;模块化;自组装;协同作用;多酶复合体;分子机器2|1|2更新时间：2025-03-20
- 摘要：功能性菌群构建作为一个新兴的研究方向，随着合成生物学、微生物组学技术的发展，逐渐成为研究热点。本文将从以下4个方面介绍功能性菌群的研究进展。第一，功能性菌群研究的初衷及其相对于单一生物体工程的优势和设计难点；第二，功能性菌群研究中自下而上（bottom-up）和自上而下（top-down）的设计策略；第三，功能性菌群的分析工具，包括“宏组学”和“多组学联用”手段以及相关的数据处理流程和软件。第四，分别从设计策略和分析工具方面出发，总结了功能性菌群构建过程中的主要挑战，并展望了未来以“智能设计”为核心的发展方向：①利用可解释的时空数据模型解析区域范围内功能性菌群的时空变化关系；②结合图神经网络与多模态学习方法建立多组学群落分析流程；③通过强化学习设计功能性菌群内分布式代谢回路。关键词：功能性菌群;自下而上;自上而下;宏组学;多组学;智能设计5|1|5更新时间：2025-03-20
- 摘要：五环三萜皂苷类化合物具有丰富的药理、生理活性，广泛应用于医药、功能食品、保健品、化妆品等领域。目前五环三萜皂苷类化合物的主要获取方式是植物提取，随着合成生物学的发展，利用微生物细胞工厂合成植物天然产物逐渐成为研究热点，它具有生产周期短、工艺简单、环境友好、条件温和等优势，是未来的发展方向。本文结合五环三萜皂苷类化合物的来源及其天然合成途径，综述了典型五环三萜皂苷类化合物的分类、功能活性、结构特点及目前利用微生物细胞工厂合成五环三萜皂苷类化合物的研究现状；分析了部分五环三萜皂苷类化合物合成途径当中的未解析的关键修饰位点及关键酶，并结合已报道的体内、体外研究，对部分未知途径当中催化母核形成苷元的P450酶以及对苷元进行糖基化修饰的糖基转移酶进行了合理预测；结合当前研究现状分析、总结、归纳了利用微生物细胞工厂合成五环三萜皂苷类化合物存在的主要瓶颈，讨论了现阶段工业化生产现状及利用生物合成进行工业化生产所面临的挑战，为高效合成五环三萜皂苷类天然产物的微生物细胞工厂构建提供了理论支持和新思路。关键词：合成生物学;五环三萜皂苷;微生物细胞工厂;糖基化修饰;合成途径2|1|3更新时间：2025-03-20
- 摘要：合成生物学研究中，海量的工程化试错实验远远超出传统的劳动密集型研究范式的能力范畴，故建立一个可以实现生命体工程化大批量合成的合成生物学研究平台迫在眉睫。然而目前国内外已建成的工程化平台只能基于少数孤立设备或功能岛实现部分流程，不能满足合成生物学全生命周期的研究需求。基于此背景，在国家、省市相关部门的大力支持下，由中国科学院深圳先进技术研究院牵头建设的“合成生物研究重大科技基础设施”，目前已完成全部立项程序，进入全面实施建设阶段，预计于2023年开展试运营和验收工作。本文将从建设背景、过程、内容、目标和特色等方面对合成生物研究重大科技基础设施进行介绍。设施工程一期将重点搭建“设计学习”、“合成测试”和“用户检测”三大平台，二期拟建设医学转化平台。合成生物大设施主要围绕自动化合成生物技术，以合成生物学基础研究为理论基础，把自动化工业发展过程中的智能制造、智能工厂理念引入到合成生物学研究中，实现生命体工程化大批量合成。通过建立基于信息管理系统的智能生产单元，快速、低成本、多循环地完成“设计-构建-测试-学习”的闭环，实现理性可预测的设计合成，达成合成生命体的远程定制、异地设计和规模经济生产等目标。同时将信息技术与生物技术交叉融合，发展出适用于自动化、高通量设备平台的标准化实验方法、算法和流程，以期推动合成生物研究过程和工作流程的标准化，进而推动我国合成生物研究水平的提升，成为行业标杆，领跑国际。此外，合成生物大设施还将催动基础研究的原创突破及学科之间的交叉融合，助力生命科学研究实现跨越式发展。关键词：合成生物学;工程化平台;合成生物学自动化平台;重大科技基础设施2|3|9更新时间：2025-03-20
- 摘要：现代生物技术、合成生物学和化学生物学研究中经常需要处理大量样本，对通量、精准度和时效性有很高要求。手动液体分装、转移和分发等操作不仅给科研人员带来很大工作负荷，还是导致实验误差和效率低下的重要原因。搭建以移液工作站为核心的小型集成化自动移液工作站系统，整合必要的外围设备，并通过软件和人机交互界面协调各个设备运行，可用于完成大量耗费人力的工作，提高工作效率和科研数据质量。本文结合研究团队所搭建的自动移液工作站系统，介绍了集成化移液工作站系统的主要组成，分享其在菌株及培养基评价、酶的定向进化筛选、自动诱导表达及粗酶液制备、酶联免疫吸附筛选、高通量质粒提取等方面的应用，并对集成化移液工作站系统的不足和购置及使用中的注意事项做了简要说明。预计集成化移液工作站系统将在国内高校和科研院所得到越来越普遍的应用，但还需要加大研发投入，从硬件、软件、人才、多学科交叉等多方面入手，共同推动国产实验室自动化设备进步。希望能为科研人员今后设计和添置类似的集成化移液工作站系统提供参考。关键词：移液工作站;合成生物学;自动化;集成化4|1|1更新时间：2025-03-20
- 摘要：细胞培养肉有望改进当前肉类生产体系，缓解未来粮食资源短缺、公共卫生及动物福利等问题。无论是在研究领域还是在产业市场，细胞培养肉已成为当前热点。欧美国家纷纷启动相关战略部署，大力推动细胞培养肉的发展。然而，细胞培养肉的研发与商业化过程对现行相关法律规范与监管制度带来挑战。欧盟、美国及新加坡等国家及地区积极探寻细胞培养肉在法律规范与监管制度方面的完善与更新。2020年，新加坡更是率先批准细胞培养肉产品入市并发布具体监管措施。我国细胞培养肉在生产技术研发方面已不断取得突破，但在法律规范与监管制度方面的研究探讨相对不足。在此背景下，本文结合细胞培养肉的研究进展与发展现状，重点考察欧美及新加坡细胞培养肉商业化相关法律规范，识别法律法规挑战，并为我国细胞培养肉的研发与商业化法律规范、监管制度建设提供建议。关键词：细胞培养肉;商业化;法律规范;法律挑战;法律对策4|1|5更新时间：2025-03-20
- 摘要：当前针对合成生物学技术的伦理治理已取得初步进展，基于后果主义和义务论的合成生物学伦理研究分别从事先规则制定和事后价值评估的角度为合成生物学技术的伦理治理提供了参考，但由于该技术的不确定性特质，已有的伦理治理方案依然在不同程度上面临科林格里奇困境。本研究认为，还应当寻求一条连接前者和后者，能够贯穿整个合成生物学研究过程的伦理治理路径。合成生物学科研人员作为唯一贯穿技术立项、研究及应用全过程的科研主体，对技术发展中的风险决策以及产品构建等都具有主导性影响。本文认为厘清以合成生物学科研人员为对象的伦理规范，将对当前的合成生物学技术治理研究构成有益补充，有效促进该技术的正向发展。为此，文章首先论证合成生物学科研人员伦理道德水平对技术发展与应用的巨大影响；其次讨论已有合成生物学科研人员伦理理论与规范，分析其在实践及理论上的困境；最后，引入美德伦理学视角，从理论角度探讨美德伦理学对合成生物学科研人员伦理规范的指导意义，并在此基础上尝试提出基于美德伦理和生物安全协同共治的合成生物学技术伦理综合治理建议。关键词：合成生物学;美德伦理;科研人员;美德教育1|1|0更新时间：2025-03-20
特约评述
- 摘要：基因克隆是解析基因功能的重要手段，但仍有很多基因难以克隆，比如高AT含量（>60%）基因组来源的DNA。ExoCET克隆技术通过联合核酸外切酶介导的体外同源重组和大肠杆菌RecET重组酶介导的细胞内同源重组，不仅能从微生物基因组中靶向抓取>100 kb的大片段，而且能高效组装>13个DNA片段，是基因克隆的有力工具，迄今未有利用ExoCET技术从AT含量>63%的基因组克隆大片段的报道。本研究以AT含量为69%的海洋单细胞光合蓝细菌原绿球藻MIT 9301菌株的基因组为研究对象，探究了利用ExoCET技术进行高AT含量基因组大片段克隆的最佳条件。结果显示：①在核酸外切酶介导的体外同源重组时使用Gibson体系较T4聚合酶体系能获得更高的克隆效率；②载体应选择单拷贝的细菌人工染色体（BAC），多拷贝质粒载体会导致克隆失败；③ExoCET可以从原绿球藻基因组上抓取>80 kb的大片段，并且能以100%的正确率组装11个3 kb的DNA片段；④可以一步同时抓取4个7～20 kb的基因组大片段。大规模基因组测序显示高AT含量生物占比超过30%，该研究建立的ExoCET-BAC策略将为高AT含量生物的基因组功能研究提供高效使能技术。关键词：难克隆DNA;高AT含量;基因组;同源重组;直接克隆;DNA组装;ExoCET3|1|0更新时间：2025-03-20
研究论文
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