最新刊期
2025年第6卷第4期
- 摘要：生物制造是战略新兴产业的典型代表，是生物经济的新质生产力。作者曾提出“道法术器”对工业生物制造的哲学指导意义。为进一步阐述生物制造中“术以立策”的原则，本文首次提出衡量生物催化剂（即“术”）水平的关键经济指标——PE值（product-to-enzyme ratio）与PX值［product-to-X（cell）ratio］。这两个指标具有简单、透明且量化的属性。PE值表示产品与非细胞催化剂（酶分子或多酶分子机器，以下简称“多酶机器”）的质量比值，也可通过技术指标总转换数（total turn-over number，TTN）计算其理论值。PX值应用于细胞工厂发酵，表示产品与细胞催化剂的质量比。基于PE值与PX值，可以快速估算不同生物制造过程中的生物催化剂成本，进而指导降低降本增效的关键路径。作者汇总了生物制造的产业案例及文献数据，展示了酶分子及多酶分子机器PE值、细胞工厂PX值的特点。研究表明，淀粉酶水解淀粉的PE值是纤维素酶水解纤维素的50～100倍；在固态纤维素水解过程中，纤维素酶的超大用量是非粮生物质糖化与利用的最大经济障碍。最后，本文探讨了PE值的技术改进路径，特别是多酶共固定技术的潜力，并明确了工业酶皇冠——纤维素酶研究的新方向。PE值与PX值的分析将为生物制造战略新兴产业的发展提供全新的视角，深化了对生物制造中关键“芯片”——生物催化剂成本的理解，为未来技术的发展提供重要参考与指导。关键词：生物制造;PE值;PX值;道法术器;多酶分子机器11|4|0更新时间：2025-09-05
观点
- 摘要：有机卤化物在医药和农业领域应用广泛，但其化学合成过程污染严重。卤化酶是实现化合物卤素修饰及功能改善的重要工具。与化学合成不同，卤化酶可以实现有机结构特定位置的精准卤化，并且反应条件温和，避免了苛刻反应条件以及有毒试剂的使用，其催化反应的过程符合绿色化学要求。本文综述了卤化酶在生物合成中的最新研究进展及其在工业生产中的潜在应用。首先，简要回顾了卤化酶的分类、结构特征及催化机制的研究现状，并介绍了相关领域的最新进展；其次，总结了近年来通过基因组挖掘、定向进化和合成生物学等技术发掘新酶资源、优化酶催化性能及扩展酶应用范围的策略；然后探讨了工程化卤化酶在药物、农药及其他生物活性物质合成中的具体应用案例；最后讨论了在机器学习迅速发展的背景下，卤化酶研究的未来发展趋势。关键词：卤化酶;生物合成;有机卤化物;酶工程;定向进化19|5|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：利用人工非生物元件对生命体进行设计与改造是合成生物学的一大机遇。开发非生物元件-生物元件合成生物杂合体系，可以突破天然生化反应的局限，实现生物元件与非生物元件的协同增效和功能超越，在生物制造和生物医药新应用领域前景广阔，已成为合成生物学研究中备受关注的前沿方向。然而，相比于类型繁多和功能丰富的非生物元件，现有杂合体系的功能还较为单一。针对这一问题，本文系统综述了近年来非生物元件-生物元件合成生物杂合体系的研究进展，依据体系类型进行分类总结，通过对典型研究的深入分析，在归纳其功能实现途径的基础上，进一步揭示了现有体系在功能扩展和机制解析方面的局限性，并展望了该领域在多平台联用、工程化设计和精准调控等方面的发展前景。关键词：非生物元件;合成生物杂合体系;协同增效;生物制造;生物医药6|2|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：可持续绿色生物制造是各国关注的战略重点，但微生物性能仍是制约生物制造产业化的瓶颈之一。传统育种方法常面临育种周期长、效率低、成本高等问题，难以满足工业化生产对高效、稳定生产菌株的需求。低温等离子体技术作为一种高效、绿色环保的微生物育种方法，可通过刺激突变位点、提升突变效率、扩展突变范围，有效提高目标菌株性能和产品产量，为工业微生物改良提供重要助力。本文综述了等离子体诱变技术的理论基础、三种等离子体源（ARTP、DBD、CD）的技术特点、等离子体诱变作用机制及其与高通量筛选、传统诱变、理性育种等技术的联用进展，归纳出生物酶、有机酸、生物能源、生物材料等生物制造领域的典型等离子体育种案例，为相关领域的研究和产业化提供参考。未来需要开发基于空气源的新型等离子体发生器，在小型化的基础上实现低成本、低能耗、低温升；与高通量筛选和AI等技术相融合进行菌株精准诱变和高效育种，实现技术瓶颈突破，最终推动生物制造产业升级。关键词：生物制造;工业微生物;等离子体诱变技术;筛选;诱变机制;生物材料9|2|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：高黏性蛋白材料因其卓越的生物黏附性和潜在的生物相容性，在生物医用材料和黏合剂领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统方式获取的高黏蛋白材料面临诸多挑战，如产量低、结构复杂、难以规模化生产等。合成生物学作为新兴的交叉学科，为解决这些瓶颈提供了创新策略。本综述系统总结了近年来高黏性蛋白材料的生物合成、改性及应用进展，重点突出了合成生物学在解决高黏性蛋白材料产量、可控性以及功能多样性等方面的优势。全面梳理了基因工程实现对贻贝黏蛋白、藤壶胶蛋白和扇贝足丝蛋白等黏附蛋白的精确设计和高效表达，从而克服高黏蛋白材料在产量和可控性方面的限制。同时，综述了这些蛋白材料在生物黏合剂和医用功能涂层方面的独特优势，如贻贝蛋白的湿面黏附性、藤壶胶蛋白的强黏附性以及类弹性蛋白的可调控性。通过合成生物学方法，可以突破高黏蛋白材料在产量、性能和功能方面的限制，加速其在组织工程、表界面改性等领域的应用。最后，总结了当前合成生物学在高黏蛋白材料领域的最新进展和创新点，并展望了其未来的发展方向，为开发高性能、多功能的高黏蛋白材料提供了新的思路和策略。关键词：高黏性蛋白;生物黏合剂;功能涂层;合成生物学8|2|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：微生物细胞工厂作为绿色生物制造的重要实现形式，广泛应用于食品、化工、医药和能源等领域。然而，利用传统代谢工程策略改造微生物细胞工厂生产目标产品时，仍面临静态代谢调控的局限性与代谢通量实时监测的滞后性等问题，制约着生物基产品的高效生物合成。基于转录因子生物传感器通过实时感知代谢物浓度信号或环境信号，自动调控目的基因表达，为微生物细胞工厂的高效构建与智能化调控提供了创新性解决方案。本文介绍了基于转录因子生物传感器的组成、分类及作用机制，围绕传感器配体识别模块的设计和信号输出模块的元件重构，总结了基于转录因子生物传感器的构建策略，对基于转录因子生物传感器在微生物细胞工厂中的应用进展进行了综述，包括高通量筛选、代谢工程靶点挖掘以及动态调控。聚焦目前基于转录因子生物传感器面临的代谢物响应元件匮乏、检测范围受限、配体识别特异性不足、转录依赖的耗时性和传感器元件鲁棒性缺陷等挑战，对未来的研究方向进行展望，为未来基于转录因子生物传感器的构建与应用提供借鉴。关键词：转录因子生物传感器;微生物细胞工厂;高通量筛选;靶点挖掘;动态调控15|2|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：在当今全球公共卫生领域，疫苗作为预防和控制传染病的关键手段，其研发和生产技术的创新备受瞩目。植物源疫苗作为一种新兴的疫苗生产技术，凭借其独特的优势逐渐崭露头角。与传统疫苗生产方式相比，植物源疫苗具有显著优势，在分子生物学技术的加持下，能够在较短时间内实现大规模生产，有效应对传染病的大规模爆发。本文首先介绍了植物源疫苗的基本概念，阐述了植物源疫苗的发展历程，同时对植物源疫苗的不同分类方法进行了系统梳理，此外还探讨了植物源疫苗的表达平台和表达体系，比较了不同平台和体系如稳定表达和瞬时表达体系的优缺点，总结了提高疫苗效力和安全性的策略和优化方法，系统探讨了国内外植物源疫苗的开发进展。植物源疫苗作为一种具有巨大潜力的新兴疫苗技术，有望在未来的公共卫生事业中发挥更加重要的作用。关键词：植物源疫苗;病毒样颗粒;分子生物学;免疫原性;瞬时表达系统8|2|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：高级醇是指含有三个或以上碳原子的醇类。传统高级醇的生产主要依赖于石化资源，然而其不可再生性限制了相关产业的发展，因此开发可持续的生物基高级醇生产技术成为研究热点。本文综述了高级醇的市场规模、主要应用领域及其经济价值，并重点分析了异丁醇、1，3-丁二醇和2，3-丁二醇的市场表现。进一步探讨了高级醇的生物合成路径，包括乙酰辅酶A依赖途径、支链氨基酸合成途径和脂肪酸链延长途径，同时总结了代谢工程优化策略，如辅因子平衡调节、竞争途径敲除、酶优化及高产菌株筛选。此外，本文还综述了基于新技术的多维度优化策略，未来有望通过生物传感器、高效基因编辑和计算机辅助代谢工程等技术的结合，进一步优化微生物细胞工厂的设计，有助于提高高级醇的工业化生产效率，为可再生能源和绿色化学工业的发展提供重要支持。关键词：生物燃料;高级醇;合成途径;代谢工程;合成生物学12|1|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：癌症作为一个全球性公共卫生难题，其发病率和死亡率不断攀升。益生菌作为一种潜在的辅助防治恶性肿瘤的手段，近年来受到广泛关注。本文系统综述了益生菌在辅助防治恶性肿瘤方面的研究进展。在肿瘤预防方面，益生菌及其代谢产物可通过调控肠道菌群并抑制致癌物生成，调节免疫细胞，减轻炎症反应，降低癌症发生风险。此外，益生菌及其代谢产物短链脂肪酸（SCFA）、吲哚类化合物通过调节肿瘤微环境如调节癌症相关基因表达、PI3K-AKT信号通路及色氨酸-吲哚代谢途径发挥抗肿瘤作用。在辅助治疗恶性肿瘤方面，益生菌对消化系统、生殖系统等多种肿瘤均表现出抑制作用，可通过调节肿瘤微环境中的多种成分和功能，影响肿瘤细胞的增殖和凋亡。益生菌在改善肿瘤治疗副作用方面也发挥积极作用，既可以缓解肿瘤放化疗副作用，如减轻口腔黏膜炎、放射性腹泻等，又有助于肿瘤术后恢复，改善肠道屏障功能，减轻术后的炎症反应。合成生物技术的发展为益生菌的抗肿瘤应用提供了新方向。通过基因工程改造的益生菌，如大肠杆菌Nissle 1917和减毒沙门氏菌VNP20009，已在肿瘤靶向治疗中展现出潜力。结合纳米技术和光动力治疗等新兴手段，益生菌在肿瘤治疗中的应用将更加精准和高效。然而，工程菌的安全性和有效性仍需进一步研究。随着合成生物学的发展，通过深入探索益生菌抗肿瘤的作用机制、优化临床应用方案，并结合新兴技术手段，工程益生菌有望成为肿瘤综合治疗中的重要组成部分，为患者提供更加安全、有效的治疗选择。关键词：益生菌;肠道菌群;抗肿瘤;肿瘤微环境;合成生物学12|2|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：在全球碳中和战略背景下，绿色生物制造正加速取代传统高污染、高能耗的化工生产方式。多酶级联反应（multi-enzyme cascade reaction， MECR）作为新一代生物催化平台技术，通过模块化酶网络实现“一锅式”高效转化，展现出卓越的原子经济性、显著降低的能耗以及突出的环境友好性。本综述明确聚焦于体外多酶级联催化系统（in vitro multi-enzyme systems），涵盖以下研究范畴：①体外多酶级联体系的定义；②体外多酶级联体系的分类；③体外多酶级联体系的相关技术及应用。系统解析了体外多酶组装与生物级联催化的分子机制与技术体系：基于反应拓扑学特征，提出四类级联模型（线性/趋同/平行/循环），阐明其动力学优势；突破性技术涵盖AI驱动的酶理性设计、纳米限域空间组织及光/电辅因子再生系统。通过智能适配设计理念，本文深入解析了跨尺度酶模块的拓扑优化与催化耦合机制，整合了计算流体力学建模、载体界面分子工程及微环境传质调控等关键技术。产业化实践表明，该技术已成功实现手性药物中间体、高值天然产物等的高效绿色合成，推动医药、材料等领域的工艺革新。展望未来，动态微环境精准适配、人工智能辅助的酶网络设计及连续流规模化制备等方向将引领技术发展，为绿色生物制造的产业化升级提供重要理论支撑与技术路径。关键词：多酶级联反应;多酶组装;生物级联催化;绿色生物制造;拓扑优化;酶工程14|4|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：作为全球科技战略发展的重点领域，合成生物学正受到各主要经济体的战略性重视。本文从政策规划、基础研究、技术创新及产业化等多个维度，系统分析了美国、欧洲和中国在合成生物学领域的竞争态势。结果表明，美国在该领域具有显著优势，特别是在基础研究方面拥有大量关键底层技术成果与知识产权。欧洲凭借其独特的区域协同创新模式和产学研深度融合机制，在科研成果转化方面取得显著成效。中国虽然近期在合成生物学领域投入力度持续加大，但在高水平研究产出、高价值专利创造及科技成果转化效率等方面与欧美国家相比仍有待提升。值得指出，在一些特殊领域（体外合成生物学）以及重大应用（如二氧化碳合成淀粉、纤维素变淀粉等）方面，中国已经取得领先地位。基于上述分析，本文建议从完善政策顶层设计、提升企业创新主体地位、突破关键底层技术、优化知识产权布局以及健全产业生态体系等方面着手，推动我国合成生物学产业的高质量发展。关键词：合成生物学;合成生物技术;生物制造;生物经济;文献计量分析12|3|0更新时间：2025-09-05
特约评述
- 摘要：微生物克隆挑选是基因工程生物实验中的关键环节，需要从生长有大量菌落的培养皿中将符合质量要求的单克隆菌落准确、快速挑取出来并接种到培养基中，以便进一步扩大培养或检测。在高通量实验中，克隆挑选环节任务量大、记录繁复、容易交叉污染，依靠人工操作难以在短时间准确完成。针对这一难题，本项目成功研制出一种自动化克隆挑选工作站，通过菌落图像的深度学习实现克隆定位和筛选，并利用机器人技术完成挑取-接种-清洗-高温灭菌过程。在所研制的可视化工作界面中，工作站系统能够个性化编辑适用于多种微生物克隆的多项实验操作流程。通过样机验证实验结果，证明了所研制系统和方法的可行性和有效性，为高通量实验室自动化发展提供了有效工具和有益实践。关键词：自动化平台;深度学习;克隆挑选;机器视觉;合成生物学10|2|0更新时间：2025-09-05
- 摘要：低聚木糖（XOSs）是一类由2～7个木糖分子通过β-1，4糖苷键连接而成的功能性寡糖，被公认为具有益生元活性的可溶性膳食纤维。在温和条件下的酶催化从廉价生物质提取木聚糖制备高附加值低聚木糖引起了广泛关注。本研究从宇佐美曲霉中克隆了一种阿拉伯呋喃糖苷酶Abf62A基因，并实现其在毕赤酵母X33中的异源表达。利用木聚糖酶Xyn11A（300 U/g 底物）和阿拉伯呋喃糖苷酶Abf62A（20 U/g 底物）对高浓度麦秆木聚糖（100 g/L）进行协同酶水解，生成50.32 g/L低聚木糖，相较于木聚糖酶Xyn11A单酶水解（34.42 g/L低聚木糖）展现了显著的协同效应。协同水解低聚木糖产物分析结果显示50.32 g/L低聚木糖中包含木二糖（31.71 g/L）、木三糖（15.92 g/L）、木四糖（1.65 g/L）和木五糖（1.04 g/L），其中木二糖和木三糖的含量高达94.7%。此外，从纯化后酶解低聚木糖产物显示可有效清除自由基，抗氧化活性>90%。综上所述，本研究通过木聚糖酶和阿拉伯呋喃糖苷酶Abf62A的协同生物催化作用，以绿色可持续的方式从麦秆木聚糖中制备低聚木糖，为人类和动物健康提供了一种益生元寡糖。16|2|0更新时间：2025-09-05
研究论文
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