最新刊期
2026年第7卷第2期
- 摘要：人工智能（AI）正在深刻重塑合成生物学的研究范式，使生命系统的设计从经验驱动迈向模型驱动。传统合成生物学依赖突变筛选与试错式优化，难以应对多尺度、高维度、强耦合的生命过程。随着组学数据的爆发式增长、自动化实验平台的普及以及深度学习技术的快速发展，AI 为揭示序列-结构-功能规律、构建可预测生物模型和实现大规模生命设计提供了全新路径。AI 合成生物学已在四个关键层级形成系统化框架：在生物大分子层面，蛋白语言模型与生成式结构模型使从头设计酶、受体与自组装材料成为可能；在基因组层面，深度学习推动突变机制建模、大片段序列生成与谱系动力学推断，为可编程基因组构建奠定基础；在细胞层面，AI 与机理模型结合加速虚拟细胞构建，使细胞行为实现可量化预测；在平台层面，多智能体与自动化“设计-建造-测试-学习”（DBTL）循环支持路径规划、酶功能预测与实验调度的全流程自动化。总体而言，AI 使合成生物学从局部优化走向系统生成，从经验探索走向预测设计，为生命系统的可控重构和生物制造创新提供了核心动力。关键词：人工智能;合成生物学;生物制造;生物大分子设计;基因组设计;细胞设计799|119|0更新时间：2026-05-22
观点
- 摘要：光生物催化是一种整合了光催化和生物合成的强大合成策略，能够驱动许多非天然反应。然而，其规模化应用受限于酶载量高、辅因子昂贵以及反应稳定性差等问题。近期，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的赵惠民团队利用合成生物技术成功将光酶反应整合到细菌的代谢通路中，构建了首个能够通过发酵放大生产非天然产物的大肠杆菌“生产工厂”。该技术成功实现了对苯酚-吲哚类化合物4-［2-（3a，7a-二氢-1H-吲哚-3-基）乙基］苯酚（DIEP）的完全生物合成。该研究不仅展示了光酶反应在活细胞中实现完全生物合成和工程化放大的可能性，还验证了所合成的非天然产物具有生物活性，这表明该技术具有工业应用潜力。本文将介绍该研究成果，并结合相关研究工作提出见解，以期推动光生物催化从概念验证迈向工业生产。关键词：合成生物学;烯还原酶;光生物催化;全生物合成;双相-补料发酵策略251|77|0更新时间：2026-05-22
评论
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人工合成益生菌群的组装策略 封面论文
摘要：人工益生菌群作为新一代合成生物技术，在疾病干预和治疗中展现出广阔的应用前景。然而，其设计与组装方法目前尚缺乏系统性的归纳与总结。本文系统梳理并评析了常见益生菌单菌株在多种疾病防治中的应用现状与潜力，重点围绕人工益生菌群的三大组装策略展开系统综述：鸡尾酒策略、基于物理接触的互作策略以及基于小分子的非接触互作策略。鸡尾酒策略通过功能互补的菌株组合实现协同增效；物理接触策略借助基因编码黏附素、DNA介导组装及生物材料封装等技术，提升菌群定植和靶向递送能力；非接触策略则依赖群体感应系统和代谢交叉喂养策略等，实现对菌群结构和功能的精准调控。文章详细剖析了各类策略的作用设计与组装、典型应用与面临挑战，并进一步展望了多策略融合、人工智能辅助设计、临床转化等未来研究方向，为构建高效、稳定、安全的益生菌治疗体系提供理论依据和技术支撑。关键词：益生菌;人工合成菌群;鸡尾酒策略;微生物相互作用;微生态366|66|0更新时间：2026-05-22 - 摘要：高通量基因组编辑是快速分析大量基因突变功能和进行遗传育种的有效方法。相比于传统随机诱变，基于规律间隔成簇短回文重复序列（CRISPR）系统的基因组编辑具有效率高、可靶向的优点。通过设计靶向目标基因的向导RNA文库可以实现高通量基因组编辑和筛选。近年来，多种CRISPR系统以及CRISPR衍生基因编辑技术的开发进一步丰富了高通量基因组编辑工具箱。本文主要介绍基于CRISPR系统的高通量基因组编辑方法，包括CRISPR辅助的同源定向修复、碱基编辑系统、引导编辑系统等，并阐述了这些方法在不同领域的应用，如工业微生物育种、人类功能基因组学和作物改良。最后，对相关方法存在的物种适用性有限、突变多样性低、编辑范围窄、多基因编辑困难等问题以及潜在的解决方法进行讨论和展望。关键词：规律间隔成簇短回文重复序列（CRISPR）;基因组编辑;高通量;同源定向修复;碱基编辑;引导编辑70|60|0更新时间：2026-05-22
- 摘要：真核微藻作为一类重要的生物资源，可以直接利用CO2和光能合成有机物，且自身就可合成多种天然产物，其作为合成生物学细胞工厂具有天然优势。然而，真核微藻的化合物合成产量较低的问题仍制约着其产业化的发展。通过代谢工程与合成生物技术改造微藻，不仅能有效提升目标产物的产量，还进一步拓宽了其可合成的天然产物范围。本文围绕几种研究较多的真核微藻种类展开讨论，从遗传元件的开发、基因编辑技术的应用和基因表达与调控策略等方面介绍了合成生物技术在真核微藻领域的研究进展。讨论了人工智能技术和多组学数据在微藻培养条件筛选以及代谢途径优化中的应用潜力，并结合实际应用展现了微藻细胞工厂在高值化合物合成方面工程化改造的结果。最后对微藻底盘细胞的应用前景和发展方向进行了展望，包括“定向微藻底盘”的构建、人工智能技术在微藻底盘设计中的应用、新型细胞器定位信号以及微藻底盘综合利用等，旨在为真核微藻合成生物学提供一定的指导。关键词：微藻;人工智能;代谢工程;合成生物学;高值化合物142|77|0更新时间：2026-05-22
- 摘要：1，4-丁二醇（1，4-BDO）作为一种重要的化工原料，广泛应用于医药、材料、纺织、军工等多个领域。随着全球各国环保政策日趋严格，传统1，4-BDO合成中催化剂昂贵、能耗大等弊端日益凸显。以可再生资源木质纤维素生物质制备可发酵糖，基于合成生物学策略开发低碳、经济、可持续的1，4-BDO生物合成途径显得愈发重要。然而，木质纤维素水解液中多种可发酵糖共存的情况降低了碳源利用效率，木质纤维素预处理后所产生的发酵抑制物同样影响微生物代谢活性。本文综述了以大肠杆菌为底盘细胞，利用不同可发酵糖作为碳源合成1，4-BDO途径的构建思路，总结了提高大肠杆菌耐受多种发酵抑制物的遗传工程策略，探讨了通过构建分工协作、互利共生的多功能模块微生物体系以实现混合糖共利用、原位脱毒以及1，4-BDO高产的可能性。在此基础上，通过计算机辅助1，4-BDO合成途径的挖掘与理性设计、开展基因组尺度代谢网络模型的模拟与优化、对1，4-BDO合成关键酶进行智能设计，在未来将进一步改善1，4-BDO合成效率，为稳定、高产1，4-BDO的大肠杆菌多细胞联合体的构建提供可行性见解与思路。关键词：大肠杆菌;合成生物学;木质纤维素水解液;1，4-丁二醇;细菌联合体;原位脱毒发酵217|83|0更新时间：2026-05-22
- 摘要：合成生物学作为21世纪前沿科技领域，正驱动医药、农业和工业等多个行业的变革，已成为全球主要经济体的战略竞争焦点。知识产权保护是激励创新和保障产业健康发展的重要机制，然而，现有体系在面对合成生物制造技术的颠覆性特征时，显露出一定的滞后与模糊。本文系统分析了全球合成生物制造知识产权保护的现状，比较了美国、欧盟、日本、韩国及中国在政策与司法实践方面的差异与动向，识别出我国在该领域面临的核心问题。针对上述问题，从顶层设计、司法保护、行政保护、技术支撑和产业生态五个维度，提出一系列完善我国合成生物制造知识产权保护体系的系统性对策，包括制定国家战略、完善司法指引、建立审批联动机制、推动数据赋能与技术标准化、营造协同知识产权生态等，以构建符合我国技术创新特点、产业发展阶段、具备国际竞争力且能有效激励创新的知识产权治理体系。关键词：合成生物学;生物制造;知识产权保护;专利;司法保护;行政保护154|44|0更新时间：2026-05-22
- 摘要：替代蛋白产业作为应对全球粮食安全与可持续发展挑战的新路径、新业态，正迎来快速发展与技术迭代。在全球蛋白危机将至的背景下，中国如何抓住替代蛋白这一战略机遇，通过有前瞻性的原始技术创新和高质量的专利布局，逐步转变为未来的技术和产业领导者，是我们面临的现实问题。研究显示，中国在专利申请量与增速上已跃居全球领先地位，但在基础性与平台型技术储备、创新策源结构方面仍存在挑战。本文首先系统剖析了全球蛋白危机与替代蛋白兴起的时代背景，继而全景式扫描了全球及中国产业发展与竞争格局，再通过专利数据分析，聚焦于单细胞蛋白、细胞培养肉、植物分子农业蛋白，为中国加速发展替代蛋白产业提出了系统性的技术创新与专利布局建议，如构建基础专利体系以突破关键平台技术，强化全球专利布局，提升国际竞争能力等。随着合成生物学与发酵工程等底层技术的持续突破，中国有望在替代蛋白领域构建从源头创新到产业落地的完整生态体系，成为全球替代蛋白技术与产业标准的重要引领者。关键词：替代蛋白;单细胞蛋白;微生物蛋白;专利分析;合成生物学66|31|0更新时间：2026-05-22
- 摘要：通过合成生物学和精准发酵技术生产新食品原料，已成为生物制造领域的重要发展方向，具有来源可控、纯度稳定和可规模化持续生产等优势，可有效突破传统农业提取模式在成本、资源与环境方面的限制。随着技术成熟度提升，生物制造食品原料逐步进入产业化阶段，但其市场转化仍受制于监管路径不够清晰、审批周期较长及公众认知不足等因素。本文以麦角硫因这一典型生物合成功能性氨基酸为例，比较分析欧美新食品审批经验与我国监管实践，系统梳理其在制度准入与社会接受层面的主要瓶颈。研究表明，当前制约生物制造原料商业化的关键不在技术能力，而在审批规则、风险评估机制与信任治理的适配不足。基于此，本文提出完善技术指南、实施风险分层审评、优化实质等同路径及加强风险沟通等政策建议，以构建兼顾安全与效率的适应性监管框架。本文旨在为推动我国新食品原料合规上市与生物制造产业高质量发展提供参考。关键词：麦角硫因;合成生物学;新食品原料;监管政策;生物制造;市场准入;安全评价206|58|0更新时间：2026-05-22
特约评述
- 摘要：气囊（gas vesicle）是一类由蛋白质构成的刚性中空细胞器，常见于水生微生物，由其基因组内完整的气囊合成基因簇编码组装而成。值得注意的是，同源的气囊基因簇也广泛分布于土壤链霉菌中，但其生理功能尚未明确。本研究克隆出来自链霉菌 Streptomyces sp. CB03234 的气囊基因簇 gvpOAFGJLSK（gvp3234，3.4 kb），并通过接合转移技术将其导入模式链霉菌 Streptomyces albus J1074 中。透射电子显微镜（TEM）观察未在重组菌株中检测到典型气囊结构，但发现异源表达 gvp3234 能显著促进宿主菌的早期生长，并引发代谢组的广泛重编程。非靶向代谢组学分析表明，重组菌株中有170种代谢物的积累水平显著上调。通过与数据库比对，确认了包括2-氨基苯甲酸、Albaflavenone在内的多种已知活性物质的产量大幅提高，并鉴定出22种被激活的未知代谢物。此外，在另一株链霉菌 Streptomyces venezuelae ISP5230 中异源表达 gvp3234，同样观察到了代谢组的显著变化及沉默代谢途径的激活。研究进一步发现，异源表达 gvp3234 还能有效增强异源酶蛋白的合成效率。本研究首次报道了异源表达气囊基因簇 gvp3234 在两株链霉菌中具有提升已知代谢产物产量、激活宿主沉默代谢途径的普适性功能，为链霉菌代谢工程中目标产物的理性优化及新型活性分子的挖掘提供了新的工具与理论依据。关键词：气囊;生物合成基因簇;异源基因表达;白色链霉菌;代谢产物372|28|0更新时间：2026-05-22
- 摘要：本研究目的是利用生物信息学技术，系统研究NCBI数据库中共同携带碳青霉烯类耐药基因（blaKPC）和多黏菌素耐药基因（mcr）肠杆菌科细菌流行分布特征，及耐药基因遗传背景，为共耐药菌株的感染防控提供参考依据。从NCBI数据库中下载了携带blaKPC和mcr基因的细菌全基因组数据，分析并鉴定了菌株中blaKPC和mcr的不同亚型。通过对细菌质粒的注释和复制子类型的鉴定，揭示这两种耐药基因在特定质粒中的存在情况，并分析了blaKPC和mcr基因的上下游遗传结构。结果显示，共同携带blaKPC和mcr基因细菌主要为肠杆菌科细菌，且以美国、英国和中国为主要分布国家。共同携带blaKPC和mcr基因菌株菌属分布多样性在2012—2018年有所增加。blaKPC-2+mcr-9.1以及blaKPC-3+mcr-9.1为优势基因型组合，且本研究中blaKPC-2+mcr-9.1+mcr-9.2基因型分布于多种ST的大肠埃希氏菌（58株，46.03%）。遗传环境分析表明：blaKPC主要位于pKPC-CAV1193质粒，并大量鉴定到tnpR-tnpA-ISkpn7-blaKPC-ISkpn6（Tn4401b）这一转座子结构；mcr-9.1主要位于IncHI2（2A）质粒中，且上下游遗传结构保守，核心结构为rcnR-rcnA-pcoE-pcoS-IS903B-mcr-9.1-wbuC-IS26。可得出结论：共同携带blaKPC和mcr基因菌株有显著的地域分布差异；应特别关注特定ST型大肠埃希氏菌（如ST167和ST10）在传播中的潜力，及在临床环境中的变化。耐药基因blaKPC和mcr分别主要通过pKPC-CAV1193及IncHI2（2A）质粒介导传播，并通过转座子等可移动遗传元件进行扩散，极大增加了耐药性传播的风险，应引起高度重视。关键词：碳青霉烯类耐药基因（blaKPC）;多黏菌素耐药基因（mcr）;肠杆菌科细菌;质粒;转座子;可移动遗传元件27|15|0更新时间：2026-05-22
- 摘要：未来产业是指由新兴技术创新推动、具有高成长潜力和战略价值的新型产业，其核心在于通过技术突破引领经济社会的高质量发展。作为未来产业的重要组成部分，合成生物技术以其高度的交叉学科特性突破了传统技术瓶颈，并通过“设计-构建-验证-学习”的流程推动技术创新。与此同时，合成生物技术研发具有高度不确定性，企业在投入时机、规模和策略选择上面临重大挑战。本文基于资源基础观、技术创新理论和信息技术生产率悖论，收集750家美国生物科技上市公司2019—2021年的财务数据与专利文本，利用LDA主题建模与余弦相似度量化研发投入，并通过回归分析检验其对企业运营绩效的影响。研究结果表明：合成生物研发投入与企业绩效呈显著倒U型关系；企业资产规模和流动性能够缓和该关系，且当企业规模超过一定阈值后，倒U型关系转变为正U型。由此提出三种策略启示：一是“投早投小”，在早期阶段分散投资多个小规模企业，以获取更高的边际绩效；二是“投巧”，在企业成长过程中进行精准整合，提升资源配置效率；三是针对大规模企业，应适度加大研发投入，实现由倒U型向正U型的转化。本文首次在实证层面用定量的方法刻画了合成生物技术研发投入对企业绩效的作用机制，并揭示了最优投入模式，不仅丰富了合成生物技术投入-产出关系的理论理解，也为生物科技企业提供了可操作的战略启示。关键词：新兴技术研发投入;合成生物技术;企业运营绩效;专利分析;主题模型;企业资源184|25|0更新时间：2026-05-22
研究论文
- 摘要：随着大数据时代的到来，传统硅基存储面临密度低、能耗高、寿命短等瓶颈，DNA存储技术凭借其超高密度（理论上可达EB/g级）和千年级稳定性成为颠覆性解决方案。然而，现有研究多聚焦单方场景，多方协同下的安全存取、高效编解码及生物兼容性等关键问题亟待突破。在此背景下，国家重点研发计划“合成生物学”重点专项支持了《多方协同合成基因信息安全存取方法研究》青年科学家项目。本项目提出了一种融合对称-非对称混合加密编码架构与工程菌株生物兼容性设计的DNA存储系统（MSP-DNA），首次实现了多方协同场景下的数据动态管理与生物安全性增强。通过构建基于Merkle-DAG的增量存储模型，系统将基因编辑操作降低90%以上；开发的BO-DNA编码算法通过混沌映射优化大幅度抑制非特异性杂交误差，存储密度达1.77 bit/nt。结合CRISPR-Cas和Argonaute核酸酶双认证检测平台，系统实现0.1 fmol/L级灵敏度的信息检索。研究结果表明，工程化放线菌底盘在极端环境下的数据稳定性得到显著提升，安全加密方法可以有效抵抗多种密码学攻击，并对 DNA 存储过程产生的数据错误有一定纠错能力。本研究为下一代生物-电子融合存储基础设施建设提供关键技术支撑，助力破解“冷数据”长期存储与“热数据”实时访问的协同创新难题。关键词：DNA存储;多方安全协同;混沌加密;Merkle-DAG模型;生物兼容性编码;CRISPR-Cas和Argonaute核酸酶双认证20|27|0更新时间：2026-05-22
项目总结
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