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    2022年 第3卷 第4期    刊出日期:2022-08-31
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    本期中英文目录
    2022, 3(4):  0. 
    摘要 ( 34 )   PDF (650KB) ( 65 )  
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    生物材料创造可持续未来
    陈国强, 钟超
    2022, 3(4):  617-620.  doi:10.12211/2096-8280.2022-046
    摘要 ( 554 )   HTML ( 218)   PDF (607KB) ( 500 )  
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    生物活体功能材料研究进展
    王宇翔, 吴夏泠, 张文彬
    2022, 3(4):  621-625.  doi:10.12211/2096-8280.2021-083
    摘要 ( 378 )   HTML ( 49)   PDF (1101KB) ( 370 )  
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    生物活体功能材料是合成生物学和材料科学(特别是高分子科学)交叉的研究领域:合成生物学可以实现对生物体的重新编辑,材料科学则提供了材料构建的基本思想及对构效关系的全面理解。随着合成生物学和材料科学的不断发展、交叉和融合,各种响应性、程序化的生物活体功能材料不断涌现。中国科学院深圳先进技术研究院的戴卓君研究员和杜克大学的游凌冲教授团队借鉴高分子科学中互穿网络的概念,通过基因回路设计控制细胞的程序性凋亡,实现胞内反应性功能蛋白质的可控释放,促进原位的蛋白质聚合和固定反应,形成具有蛋白质与壳聚糖半互穿网络结构的微凝胶,既可保护固定于其中的微生物不受环境侵害,又可运用微生物应对环境扰动并影响环境,从而提供了一个模块化的生物活体功能材料平台,在生物医药等领域展现出广阔的应用前景。

    特约评述
    细菌生物被膜的软物质特性及其工程化应用
    朱润涛, 钟超, 戴卓君
    2022, 3(4):  626-637.  doi:10.12211/2096-8280.2021-087
    摘要 ( 519 )   HTML ( 64)   PDF (2522KB) ( 457 )  
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    2014年,利用工程化生物被膜大肠杆菌淀粉样蛋白纤维(curli)组装活材料工作的发表,正式拉开了活体功能材料这一新兴领域的序幕。截至目前,围绕活体材料主题,针对curli系统的编辑、组装、性能拓展以及应用等各个方向的相关研究层出不穷,也有一系列的综述对相关工作进行了详细的梳理,并对活体功能材料以及材料合成生物学新方向及新学科进行归纳及定义。然而,当研究人员试着去构建整幅活体材料领域发生及发展的拼图时,其中有一些关键信息缺失。在众多的生物体系中,为什么活体材料新方向会从生物被膜开启?另外,在生物被膜的繁杂组分中,是如何剥离出curli核心系统,并成为整个活体功能材料工程化的中心?围绕着这些疑问,本篇综述从生物被膜的软物质特性以及curli生物起源及调控的研究开始挖掘。从高分子物理及合成生物学的观点解读工程化生物被膜从体系选择、去粗取精、工程化设计、系统构建以及性能推广及优化中,由繁至简,再由简至繁的全过程。作者希望借这篇综述回顾工程化生物被膜curli从发掘到发展的历程,并进一步思考相关领域背后发展及推动的知识积累、设计思维以及发展理念,并期待这些思考将对未来活体材料研究的新体系与新范式带来启示、借鉴以及推动。

    生物合成高性能蛋白及材料应用
    李敬敬, 马超, 王帆, 张洪杰, 刘凯
    2022, 3(4):  638-657.  doi:10.12211/2096-8280.2022-032
    摘要 ( 390 )   HTML ( 65)   PDF (4592KB) ( 298 )  
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    源自高性能生物结构蛋白的新一代材料体系在高技术领域具有广阔的应用前景。随着基因组装、定点突变和合成改造等合成生物学工具的发展,具有新特性的人工高性能蛋白及其多级材料体系获得了极大拓展。然而,目前在人工蛋白的高效生物合成、理性功能设计和跨尺度体外组装等方面仍面临严峻挑战。本文综述了利用合成生物学方法设计合成高性能蛋白材料的研究进展,强调了合成生物学技术在人工蛋白定向优化、结构改造和可编程材料组装等方面的作用,并突出了高性能蛋白及组装体在构建高强蛋白纤维和黏合材料领域的应用。最后,面向高性能蛋白材料理性设计和规模化制备的重大需求,对具有发展潜力的新型蛋白分子和技术平台进行了总结和展望,为今后该领域的应用基础研究提供了可借鉴的思路。

    无细胞合成策略在生物材料研究中的应用
    吉博涛, 钱志刚, 夏小霞
    2022, 3(4):  658-675.  doi:10.12211/2096-8280.2021-069
    摘要 ( 531 )   HTML ( 36)   PDF (2354KB) ( 535 )  
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    生物材料凭借其可再生、可降解及生物相容性好等诸多优点,在生物技术及生物医学应用领域备受关注。基于“自下而上”设计理念的无细胞表达系统,作为细胞合成体系的有益补充,大力加速了生物材料的开发生产及其应用范围,并成为了材料合成生物学发展的前沿。本文介绍了无细胞表达系统的独特优势,并列举了其用于生物材料可持续生产的策略、与材料结合后的创新设计、赋予材料功能化和智能化方法,以及通过加速设计-构建-测试(DBT)循环来促进新型生物材料开发的各项应用,而这些例证都充分表明无细胞策略在生物材料设计与合成中的创新优势。尽管无细胞表达系统用于生物材料合成仍然存在诸如成本、翻译后修饰较弱、亟需交叉领域合作等方面的挑战,但相信随着合成生物学的发展及多学科交叉研究的深入,无细胞表达系统将为新型生物材料研发及产业化提供强大的助力,并为共同解决全球环境问题、保护人类生命健康等方面作出不可忽视的贡献。

    细胞培养肉用生物材料的设计
    张璨, 施李杨, 戴建武
    2022, 3(4):  676-689.  doi:10.12211/2096-8280.2022-020
    摘要 ( 406 )   HTML ( 54)   PDF (1883KB) ( 286 )  
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    细胞培养肉是通过体外培养动物细胞后制造出来的肉类。相比传统畜肉类,其具有绿色可持续、营养可控、环境污染小等优势,是近年兴起的“科技食品”。但是,单纯依靠培养细胞得到的细胞培养肉并非真正意义上的肉,仅仅能被称为肉糜,其在外形、组织结构和口感上和传统肉类仍存在较大差距。近年,随着组织工程技术发展,生物材料在细胞培养肉生产中的应用也极大促进了该领域的发展,并为制造更接近真实肉类的细胞培养肉提供了有效途径。基于此,文章综述了细胞培养肉的优势和前景、细胞培养肉生产流程,重点总结了用于细胞培养肉生物材料的要求及分类、用于细胞培养肉的高分子材料、细胞培养肉用生物支架的工程化制备,并提出细胞培养肉未来发展的方向与挑战。旨在为细胞培养肉领域的技术发展提供参考。

    可基因编码点击化学在材料合成生物学中的应用
    易琪昆, 孙晨博, 杨中光, 王日, 寇松姿, 李朝霞, 孙飞
    2022, 3(4):  690-708.  doi:10.12211/2096-8280.2021-076
    摘要 ( 444 )   HTML ( 46)   PDF (3823KB) ( 361 )  
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    对材料的结构与功能实现精准控制是材料学领域的根本挑战之一。很多生物大分子之间具有多种特异性的反应,利用这些特异性反应将生物大分子乃至活体细胞直接组装成更高级的结构提供了一种可能的解决方案。为了实现这种特异有效的组装,借鉴于传统的点击化学,可基因编码点击化学应运而生。这套新的蛋白质化学源于自然界微生物中的异肽键化学,通过基因编辑的方式控制功能化蛋白质分子的自组装反应,同时具有点击化学的高效等优点,经过多种优化之后在合成生物学中被广泛运用。其发展和应用有力促进了蛋白质工程、材料学与合成生物学的交叉融合。本文简要介绍了可基因编码点击化学在近年的应用,包括以多种非线性蛋白质分子为代表的蛋白质拓扑工程产物、多种具有不同功能的全蛋白质水凝胶材料、重组疫苗及工程活体材料等,并总结了其发展潜力。

    抗菌肽的生物合成及医学应用
    魏岱旭, 龚海伦, 张旭维
    2022, 3(4):  709-727.  doi:10.12211/2096-8280.2022-001
    摘要 ( 617 )   HTML ( 85)   PDF (1946KB) ( 660 )  
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    因具有广谱抗菌性和低耐药性,天然抗菌肽成为潜在的抗生素替代品之一,并有望解决长期困扰人类的耐药菌感染问题。除了抗细菌和真菌等微生物病原体,抗菌肽还具备抗癌、抗病毒、抗寄生虫和调节免疫等诸多作用,具有巨大的医学应用前景。本文介绍了抗菌肽的分布和抗性原理,重点归纳抗菌肽的生物合成方法,对比分析依托微生物表达系统的多种抗菌肽生物合成体系的利弊,并介绍合成生物学等新型交叉学科及手段在抗菌肽的设计策略,并总结了抗菌肽在消炎类药品、抗病毒药物、抗寄生虫药品、抗癌药物、医学组织工程、药物递送系统、皮肤护理与医疗美容七大医学领域的应用。同时,本文针对抗菌肽生物合成含量少、分离提取困难、成本高、稳定性差、生物安全不足等潜在问题,提出了潜在的解决方案,包括利用计算机预测与定向基因编辑技术创建新型抗菌肽,以提升其抗菌性能,降低生物毒性;完善抗菌肽生物合成的工业化体系,开发快速回收高纯度抗菌肽的策略;将抗菌肽与现有抗生素联合用药,预防传统抗生素的细菌耐药性;与新型生物材料结合,降低抗菌肽对体内其他组织器官的损伤等。

    类弹性蛋白多肽的生物合成及其药物递送应用
    杨兆颖, 张帆, 郭建文, 高卫平
    2022, 3(4):  728-747.  doi:10.12211/2096-8280.2021-094
    摘要 ( 534 )   HTML ( 44)   PDF (4210KB) ( 540 )  
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    类弹性蛋白多肽(elastin-like polypeptide,ELP)是一种衍生于天然弹性蛋白,可人工合成的多肽聚合物。ELP具有特殊的温度响应性,它会随温度的变化表现出可逆相转变行为,并且当它与其他小分子或多肽偶联时,该温敏特性可以被充分保留。借助基因工程可以人工合成ELP与ELP融合蛋白,精确调控ELP的结构与功能,在其序列中添加反应性氨基酸或多肽。同时,ELP由天然氨基酸组成,其生物相容性好,易于生物降解,免疫原性低,无毒性作用。基于以上优势,ELP已被广泛应用于蛋白的表达纯化、体外诊断、药物递送和组织工程等生物医药领域。本文结合国内外研究报道,简要介绍了ELP的设计原理、理化特性和生物合成方法,并列举了一些ELP应用于药物递送系统中有代表性的工作,最后总结了该研究领域面临的挑战和问题。

    聚羟基脂肪酸酯的低碳生物制造:基于碳转化率的分析与应用
    王倩, 祁庆生
    2022, 3(4):  748-762.  doi:10.12211/2096-8280.2021-088
    摘要 ( 459 )   HTML ( 48)   PDF (2065KB) ( 401 )  
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    随着环境污染日益加剧以及全球范围禁/限塑令出台,以聚羟基脂肪酸酯(PHA)为代表的生物基可降解塑料的生物制造看到了曙光。然而如何实现低成本、绿色低碳可持续的PHA生产仍然面临巨大挑战。采用合成生物学方法,创建合成PHA的微生物细胞工厂,将廉价碳源以及可再生原料高效转化为种类繁多和性能多样的PHA是解决所面临问题的重要途径。本文通过总结各种PHA单体的生物合成途径并分析了各途径的理论碳转化率,提出了提高共聚物单体产量的重要策略,即优先选择高碳转化率PHA单体的合成。同时本文汇总了当前在创建低碳生物合成途径及利用一碳化合物合成PHA的研究进展,为可降解塑料的低碳生物合成提供有效方法。最后,对合成生物学在PHA低碳生物制造领域的发展趋势进行了总结和展望。在未来,随着合成生物学及新技术的融合发展,绿色生物制造可以生产更多低成本高附加值的PHA,促进生物基塑料的产业化发展,从而更好地服务于全球绿色低碳文明。

    现代生物技术推动塑料中聚对苯二甲酸乙二酯绿色降解的研究进展
    李磊, 高鑫, 齐宏斌, 李超, 路福平, 毛淑红, 秦慧民
    2022, 3(4):  763-780.  doi:10.12211/2096-8280.2021-089
    摘要 ( 428 )   HTML ( 48)   PDF (2725KB) ( 333 )  
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    聚对苯二甲酸乙二酯(PET)因其耐用、可塑性强、安全性好等特点而广泛应用于食品包装和服装产业等领域,同时由于疏水性强、结晶度高等原因难以被微生物或酶降解利用,造成PET废弃物的不断积累,带来严重的环境和社会问题。部分高质量的PET净片可以再用到食品包装中,但绝大多数废弃PET通过常规的机械回收方法被降级利用,不能做到绿色高效回收。因此,解决“白色污染”,探索安全高效的生物降解方法成为急需攻克的重大研究课题。本文以石油基塑料的现状为背景,以PET的生物降解为切入点,综述了PET的生物降解研究现状,以宏基因组学、蛋白质组学为基础,重点总结了微生物和新酶基因的挖掘方法,并通过结构分析,以追溯不同来源的PET降解酶特性,利用定向改造和智能计算策略提高酶特性以及PET的降解效率。在改造降解酶的同时,探索对PET原材料的可降解性改良,提出了“双向改造”的思想。塑料降解酶新酶挖掘与工程改造、多酶催化体系开发以及塑料的可持续性能的改良等领域将成为塑料绿色降解的主流趋势,其为探索PET高效生物降解提供了新思路。

    力信号在干细胞命运决定过程中的影响
    宋成治, 孙阳, 曹毅
    2022, 3(4):  781-794.  doi:10.12211/2096-8280.2021-066
    摘要 ( 271 )   HTML ( 18)   PDF (2387KB) ( 225 )  
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    干细胞因具有高效的自我更新能力和分化潜能而具有广泛的应用前景。随着对干细胞命运决定过程的研究不断深入,力信号作为在生物化学因子之外的又一重要影响因素渐渐走入研究者们的视野。对生长环境力学性质的影响效果和作用途径的研究对于深入理解干细胞分化选择的决定机制以及细胞内普遍存在的力学信号传导过程有着十分重要的意义。近年来,合成生物材料的发展极大拓宽了这一领域的研究手段,力学性能可控的合成材料使得条件设计和变量调节更加多元合理。其中,依托于基因重组等技术构建出的蛋白质水凝胶借助其良好的生物相容性和广阔的设计空间为深入挖掘力学性质影响背后的生物学机理提供了更多可能。本文主要介绍了力学信号对干细胞行为的影响效果和作用机理,同时还将介绍各种合成材料在干细胞分化研究领域内的重要应用。对力学信号和细胞行为更加定量化的调控和表征将会是这一领域深入发展的关键,利用合成生物学的方法构建更具针对性的研究工具意义重大。

    基于丝素蛋白材料构建骨组织修复支架的三维多孔结构体系的研究进展
    邵云菲, 王卉, 朱怡然, 王树春, 姜雨淋, 胡建臣, 王晶, 张克勤
    2022, 3(4):  795-809.  doi:10.12211/2096-8280.2022-026
    摘要 ( 179 )   HTML ( 16)   PDF (3089KB) ( 115 )  
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    随医学技术和认知水平的提高,骨组织缺损的治疗理念逐渐从组织移植向组织再生模式转变。三维(3D)多孔支架在骨组织工程研究中起着关键性的作用,是种子细胞在形成组织之前赖以生存的生物学载体,能为组织再生提供空间场所。本文针对基于丝素蛋白(SF)生物材料构建3D多孔支架的研究进展进行了总结和讨论。首先,概述了自然骨组织的多层次多孔结构特征;其次,总结了SF材料的组成和结构特征,及其卓越的生物相容性、力学性能和生物可降解性能等特性;随后,着重讨论了SF基3D骨组织修复多孔支架典型的制备技术,包括冷冻干燥法、粒子沥滤法、生物3D打印法、复合制造技术对3D支架多孔结构的控制能力,以及多孔结构对细胞生长行为和骨组织再生的影响;最后,对SF构建的骨组织修复支架所面临的挑战和发展前景进行了展望,强调了合成生物技术为解决SF基多孔支架应用于骨组织工程领域所存在的问题提供了有力的工具。

    研究论文
    基于表面涂层益生菌的肿瘤抗原口服递送系统
    林思思, 潘超, 张一帆, 刘尽尧
    2022, 3(4):  810-820.  doi:10.12211/2096-8280.2022-010
    摘要 ( 319 )   HTML ( 25)   PDF (3312KB) ( 241 )  
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    肿瘤疫苗是一种通过递送肿瘤抗原进而激活自身特异性抗肿瘤免疫的肿瘤免疫疗法。口服具有方便、简单和高效的优势。然而现有的口服肿瘤疫苗有限,并且局限于胃肠道肿瘤的治疗。这主要与缺乏先进的口服递送载体有关。本研究设计了一种酵母细胞膜包覆的益生菌应用于口服递送系统。其中,酵母细胞膜发挥益生菌和抗原保护以及肠道淋巴系统靶向的作用;益生菌发挥搭载抗原和免疫佐剂的作用。结果显示,与裸菌相比,酵母细胞膜包覆能提高益生菌的生物利用度,增强其在派氏结的富集,促进树突状细胞的活化和抗原递呈以及小鼠血浆中OVA-IgG水平。实验证明该系统能够保护益生菌和抗原免受胃肠道环境刺激并进一步向肠道淋巴系统递送抗原,激活抗肿瘤免疫。