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    1. 人工智能辅助的蛋白质工程
    卞佳豪, 杨广宇
    合成生物学    2022, 3 (3): 429-444.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-032
    摘要1975)   HTML243)    PDF(pc) (2456KB)(2016)    收藏

    蛋白质工程是合成生物学领域的重要研究方向之一。但目前人类对于蛋白质折叠、酶天然进化机制等基础生物学问题的理解仍很有限,因此基于理性设计方法进行蛋白质的功能从头设计(de novo design)仍然是一个难题。定向进化(directed evolution)通过在实验室模拟自然进化的原理,可以在不依赖结构和机制信息的基础上对蛋白质的功能进行有效优化。但是定向进化高度依赖高通量筛选方法,也限制了其对缺少高通量筛选方法的蛋白质进行改造的能力。近年来,人工智能辅助的蛋白质工程逐渐发展成为一种高效的蛋白质分子设计新策略,在蛋白质的结构预测、功能预测、溶解度预测和指导智能文库设计等多个方面显现出独特的优势,成为理性设计和定向进化之后的又一次技术发展的浪潮。本文综述了近年来人工智能辅助的蛋白质工程的应用进展,对其中的代表性工作进行了重点阐述。在简单介绍了人工智能蛋白质工程策略的原理和流程之后,对数据、分子描述符和人工智能算法等三个影响预测模型性能的关键点进行了分析,总结了该策略中的主要数据库、分子描述符和算法的主流工具包及平台,介绍了它们的功能、用途和网址。我们还对人工智能策略目前仍面临的不足进行了探讨,如高质量数据不足、实验数据存在偏差、缺少通用模型等。随着自动基因功能注释技术、超高通量筛选技术和人工智能算法的不断发展,将会给人工智能辅助的蛋白质工程提供足够的高质量数据和更准确的算法,从而不断提升人工智能辅助的蛋白质工程预测准确度,为合成生物学研究提供更大的助力。

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    2. 合成纳米生物学——合成生物学与纳米生物学的交叉前沿
    冯晴晴, 张天鲛, 赵潇, 聂广军
    合成生物学    2022, 3 (2): 260-278.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-035
    摘要1457)   HTML152)    PDF(pc) (2189KB)(1235)    收藏

    近年来,纳米材料因独特的粒径效应、比表面积大、表面易修饰等优点被广泛应用于生物学研究领域。作为生物学中的重要新兴学科,合成生物学与纳米生物学的交叉研究是科学发展的必然结果,推动产生了一个全新的研究领域——合成纳米生物学:一方面,利用合成生物学的技术获取具有特殊生物功能的生物源纳米材料,形成以生物技术驱动的纳米材料合成理论;另一方面,利用纳米材料对生物体进行功能强化或者生命活动模拟,拓展合成生物学的工程化设计构建理念。本文根据本领域的最新进展,将合成纳米生物学分为基于基因工程化改造生物源纳米材料的“仿生命体”研究、基于纳米材料功能强化的杂合生物系统的“半生命体”研究和基于纳米材料模拟生命活动的“类生命体”研究三个细分领域。在此基础上,重点介绍了仿生细胞膜纳米颗粒、外泌体、细菌外膜囊泡、病毒样颗粒和细菌生物被膜等生物源纳米材料的改造及功能研究,以及纳米人工杂合细菌和细胞、人工光合系统的构建与应用。同时也介绍了纳米材料元件组装的纳米类酶、人工抗原递呈细胞、运动纳米机器人、DNA纳米机器人等仿生人工合成生物的最新研究进展。最后展望了纳米技术与合成生物学交叉领域的发展前景,分析了合成纳米生物学在肿瘤治疗、环境修复、能源工程等方面的应用潜力;剖析了当前“活细胞疗法”的优势与临床转化的局限性;对智能化药物输运平台的未来发展空间进行了展望。

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    3. 无细胞蛋白质合成:从基础研究到工程应用
    后佳琦, 姜楠, 马莲菊, 卢元
    合成生物学    2022, 3 (3): 465-486.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-064
    摘要1440)   HTML161)    PDF(pc) (2584KB)(1416)    收藏

    无细胞蛋白质合成是无细胞合成生物学的技术核心,亦被称为体外蛋白质翻译,是一种用于补充基于细胞的蛋白质表达的技术。无细胞蛋白质合成系统无需完整的活细胞就可以在体外受控环境中模拟整个细胞的转录和翻译过程,并允许对单个成分和反应网络进行详细深入的研究。因此,无细胞蛋白质合成作为一种平台技术,有望克服当前胞内生产系统中因为细胞膜约束带来的表达局限性,在基础科学研究和应用科学研究中具有广阔的前景。无细胞系统操作简单、便于控制,相对于体内蛋白质表达,其优势还包括其开放特性、消除对活细胞的依赖以及将所有系统物质能量集中在目标蛋白质生产上。本文首先概述了无细胞蛋白质合成系统的组成及基于不同组件类型的无细胞蛋白质合成系统的发展,包括以不同生物提取物为基础的系统以及使用重组元素的蛋白质合成体系。之后介绍了以分批反应、连续交换为代表的无细胞蛋白质合成系统的不同反应模式,阐述了无细胞在基因电路、蛋白质工程和人工“生命体系”构建中的应用和研究进展。其中,基因电路主要概述了无细胞技术在原型设计、生物传感、代谢工程三个方面的最新应用;蛋白质工程依次罗列了无细胞技术在膜蛋白、类病毒颗粒、翻译后修饰、非天然氨基酸嵌入以及蛋白质进化等方面的应用拓展;在人工“生命体系”构建中,噬菌体的合成和人工细胞的构筑开辟了新的前沿领域。最后文章分析了无细胞蛋白质合成系统在未来进一步的科学研究和工业化应用中面临的机遇和挑战。

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    4. 功能性菌群构建的研究进展
    黄佳城, 张瑷珲, 付友思, 方柏山
    合成生物学    2022, 3 (1): 155-167.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-074
    摘要1440)   HTML106)    PDF(pc) (1542KB)(847)    收藏

    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。

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    5. 基因回路型全细胞微生物传感器的设计、优化与应用
    杨璐, 吴楠, 白茸茸, 董维亮, 周杰, 姜岷
    合成生物学    2022, 3 (6): 1061-1080.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-021
    摘要1417)   HTML169)    PDF(pc) (2989KB)(898)    收藏

    基于合成生物学理念构建的基因回路型全细胞微生物传感器作为生物传感器的一大重要分支,能够感知环境中特定的待测物质,并按照一定规律将其转换成特定的信号输出,在生物制造过程监控、环境监测与食品安全、医疗诊断与监护等领域的检测应用中显现出巨大的潜力。随着合成生物学各项技术的日益完善和遗传元件的逐渐丰富,越来越多的基于不同响应机制、不同逻辑门与逻辑回路的全细胞微生物传感器已被陆续开发。然而,目前基因回路型全细胞微生物传感器的设计与构建仍主要依靠假设-试错循环的经验性方法。如何设计与构建具有高响应特性的基因回路型全细胞传感器,以及如何对元件、基因回路的优化提高其传感检测性能以满足不同实际应用场景的检测需求,是目前亟需解决的瓶颈问题。本文将主要对基因回路型全细胞生物传感器的原理、分类以及发展历程进行综述,着重介绍全细胞微生物传感器基因回路的设计与构建原则、传感检测性能的优化策略以及在不同检测领域的应用进展,最后剖析了目前全细胞微生物传感器面临的生物安全性、设计构建烦琐、缺乏高效便捷性、难以进入传感器市场等诸多挑战,以及对人工智能、合成生物学、液滴微流控等新兴技术将加速遗传传感元件的开发和生物传感器的人工设计与构建进行了展望。

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    6. 合成生物研究重大科技基础设施概述
    张亭, 冷梦甜, 金帆, 袁海
    合成生物学    2022, 3 (1): 184-194.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-077
    摘要1417)   HTML157)    PDF(pc) (2652KB)(1169)    收藏

    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。

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    7. 面向碳达峰与碳中和的植物合成生物学
    杨健钊, 朱新广
    合成生物学    2022, 3 (5): 847-869.   DOI: 10.12211/2096-8280.2022-034
    摘要1327)   HTML140)    PDF(pc) (2323KB)(775)    收藏

    合成生物学是一门包括生物学、数学、物理学、化学、工程及信息科学等多学科交叉的前沿学科。历经多年发展,目前在细菌、酵母等微生物和哺乳动物细胞底盘中已初步形成了完备的定量化研究体系,然而植物合成生物学依然处于起步阶段。植物合成生物学可在挖掘植物次生代谢天然产物、生产分子农业制品、提升光合作用光能利用效率、创制碳汇植物和建立植物工厂系统等方面发挥作用。特别是在当前面向碳达峰与碳中和过程中,植物合成生物学可以参与解决人类活动所面临的粮食短缺、能源危机及环境污染等问题。不同植物底盘中也在逐步建成和完善标准化的元件体系、基因线路设计以及定向进化等合成生物学技术。本文回顾了近年来植物合成生物学的主要研究进展,详述了植物合成生物学在“双碳”目标中的应用领域,包含植物天然产物合成与次生代谢、分子农业、光合作用、碳汇植物的创制、植物工厂等。提出了植物基因文件标准化、植物基因线路设计、植物基因编辑和定向进化等助力“双碳”目标的植物合成生物学技术,并展望和探讨了在实现“双碳”目标过程中植物合成生物学的重要作用和发展前景。

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    8. 微生物细胞工厂合成五环三萜皂苷类化合物
    任师超, 孙秋艳, 冯旭东, 李春
    合成生物学    2022, 3 (1): 168-183.   DOI: 10.12211/2096-8280.2020-082
    摘要1291)   HTML135)    PDF(pc) (2992KB)(1219)    收藏

    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。

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    9. 合成生物学与纳米生物学的交叉融合及其在生物医药领域的应用
    郑涵奇, 吴晴, 李洪军, 顾臻
    合成生物学    2022, 3 (2): 279-301.   DOI: 10.12211/2096-8280.2022-008
    摘要1282)   HTML171)    PDF(pc) (4733KB)(1066)    收藏

    合成生物学与纳米生物学的交叉融合业已成为促进生物技术与生物医药领域发展的重要方向之一。利用合成生物学技术可以帮助生物源性纳米材料创造特殊的结构与功能,驱动纳米生物学的发展。纳米技术的应用则可助力基因线路递送,提升基于合成生物学的生产效率;参与介导基因调控,拓展合成生物学技术的应用场景。合成生物学和纳米生物学的融合可以构建出纳米级功能模块和纳米人工杂合系统,增强改造后体系的功能。本文将着重介绍近期合成生物学和纳米生物学交叉融合的相关研究进展,从纳米技术为合成生物学的发展赋能、合成生物学成为助力纳米技术应用的新引擎以及合成生物学和纳米生物学融合发展这三个角度,着重阐述该领域近期的重点工作,剖析并展望相关技术在基因编辑、药物递送以及医学成像等生物医药领域的应用和前景。未来,合成生物学和纳米生物学的交叉融合可能朝着模块化、标准化、仿生化、功能集成化和智能化的方向进一步发展,为生物医药领域带来新的突破。

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    10. Z-基因组的生物合成奥秘被揭示
    金交羽, 周佳海
    合成生物学    2022, 3 (1): 1-5.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-034
    摘要1238)   HTML104)    PDF(pc) (1143KB)(837)    收藏

    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。

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    11. 亚胺还原酶在手性胺合成中的应用
    杨璐, 瞿旭东
    合成生物学    2022, 3 (3): 516-529.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-054
    摘要1224)   HTML99)    PDF(pc) (2499KB)(1123)    收藏

    手性胺存在于许多生物活性物质中,是重要的手性助剂,同时也是合成天然产物及手性药物的关键中间体。2019年零售额前200名的药物中,含有手性胺结构的药物超过三成,因此发展高效、便捷合成手性胺化合物的方法是研究的重要方向。通过酶催化方法制备手性胺化合物,因具有高效性、环境友好性、经济效率高等优点,获得了学术界及工业界的广泛关注。本文所综述的亚胺还原酶(IREDs)是一类NAD(P)H依赖的氧化还原酶,可催化亚胺的不对称还原合成手性胺。IREDs具有催化效率高、区域及立体选择性强等优异的特性,在众多合成手性胺方法中脱颖而出,吸引了科研工作者的研究目光。近年来,随着生物信息学、结构生物学、高通量筛选方法的飞速发展和数据库的不断扩充,鉴定了许多不同功能的IRED,并在IRED的发现、分子改造、底物谱扩展和多酶级联应用等方面均取得了显著的成果,其中不乏一些具有工业应用价值。本文概述了IRED的结构特征及作用机理,着重介绍了IRED的分子改造和在多酶串联反应中的应用,以及在不对称催化手性胺生物合成中遇到的瓶颈、获得的突破和进展。此外还对酶法合成手性胺化合物实现工业化生产所面临的挑战及巨大潜力,以及新颖的人工生物合成途径设计对克服这些挑战的重要性进行了展望。

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    12. 米曲霉异源表达天然产物研究进展
    董佳钰, 李敏, 肖宗华, 胡明, 松田侑大, 汪伟光
    合成生物学    2022, 3 (6): 1126-1149.   DOI: 10.12211/2096-8280.2022-007
    摘要1061)   HTML65)    PDF(pc) (3318KB)(804)    收藏

    天然产物是创新药物和生物农药研发的重要源泉。阐明天然产物生物合成关键基因的功能、解析其生物合成通路和酶催化机制对于促进功能天然产物的应用和开发至关重要。异源表达是研究天然产物生物合成和合成生物学的重要手段之一。近年来,米曲霉异源宿主得到了广泛的应用。通过基因工程技术,将目的天然产物生物合成基因和基因簇在米曲霉中异源表达,不仅能够有效地激活沉默的生物合成基因和基因簇,挖掘全新活性天然产物,而且可以快速高效地鉴定天然产物生物合成基因功能,解析和重构其生物合成途径。米曲霉异源表达宿主已经成为天然产物合成生物学研究的强有力工具。本文对米曲霉遗传转化系统在天然产物研究中的应用进行了系统综述。首先,概述了异源表达的应用和意义,介绍了米曲霉遗传转化系统的发展过程、应用基础和优势以及遗传转化方法的实践和优化。其次,根据不同天然产物的结构类型和与之相对应的合成酶特点,着重介绍了该体系表达各类天然产物的成功案例。最后,对米曲霉异源表达宿主在天然产物化学领域的研究和应用前景进行了总结和展望。随着基因编辑、定向进化、合成生物学、生物信息学技术以及人工智能技术的发展和应用,米曲霉异源表达宿主的发展和完善将会极大地促进更多天然产物化学研究技术的发展和革新,以期为天然产物合成生物学的研究和创新药物研发提供借鉴。

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    13. 预反应态模型浅析:催化活性和近过渡态分子模拟
    SIM Byuri, 赵一雷
    合成生物学    2022, 3 (3): 567-586.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-013
    摘要984)   HTML48)    PDF(pc) (1963KB)(815)    收藏

    当今生物合成催化元件超进化分子理性设计的瓶颈在于有限的计算资源、研究时间与催化反应复杂势能面接近无穷无尽的计算需求之间的矛盾。然而,两个前所未有的数据集合有望拓新蛋白质工程人工智能化分子设计,其一是高通量定向进化实验带来的巨量高效突变体序列信息,其二是基于结构生物学的高阶量子力学计算所揭示的全原子飞秒精度反应机制。本文从催化基本理论、米氏复合物近进攻构象、催化循环效率控制点的角度浅析预反应态模型的基本概念和应用。预反应态模型尝试利用在低反应势垒生物化学反应中内禀的近进攻构象与过渡态具有相近的物理化学稳定性,弹性地选择与催化元件进化目标相关的关键过渡态,利用经典分子动力学模拟分析近过渡态的活性构象布居数与远端突变、底物结构、实验条件的关系。预反应态分析的基本流程为:首先,基于高阶量子力学反应势能面提取催化中心关键过渡态的结构特征;其次,从高精度蛋白质三维结构出发,结合氨基酸质子化生物信息学预测工具构建出关键过渡态对应的近进攻态活性构象;最后,利用过渡态结构特征设定分子动力学模拟初始约束条件,并逐步取消约束条件测试预反应态随氨基酸突变和底物变化的稳定性变化,以近进攻构象在预反应态轨迹中布居数作为“预反应态-酶活”半定量相关系数,从预反应态稳定性中挖掘酶与底物的适配图谱。当前在预反应态动态结构与酶活的定量关系分析上还有诸多难题亟待突破,利用高通量高阶量子化学再采样计算、结合机器学习人工智能分析代表了预反应态模型的发展方向。

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    14. 抗菌肽的生物合成及医学应用
    魏岱旭, 龚海伦, 张旭维
    合成生物学    2022, 3 (4): 709-727.   DOI: 10.12211/2096-8280.2022-001
    摘要969)   HTML125)    PDF(pc) (1946KB)(942)    收藏

    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。

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    15. 微生物中一碳代谢网络构建的进展与挑战
    郭姝媛, 吴良焕, 刘香健, 王博, 于涛
    合成生物学    2022, 3 (1): 116-137.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-079
    摘要952)   HTML129)    PDF(pc) (2414KB)(964)    收藏

    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。

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    16. 还原伴侣对细胞色素P450酶MycG功能调控的研究
    杨超凡, 姜玉超, 桑茉莉, 李盛英, 张伟
    合成生物学    2022, 3 (3): 587-601.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-053
    摘要939)   HTML64)    PDF(pc) (2502KB)(743)    收藏

    细胞色素P450酶负责催化许多天然产物生物合成过程中的关键反应,是自然界中最具催化多样性的生物催化剂。还原伴侣蛋白对P450催化功能至关重要,在进化过程中两者之间通过融合或分离方式演化出多种不同的催化系统。还原伴侣与P450酶的适配性往往是造成P450酶功能重建失败或低效的关键因素,也能够影响和改变P450酶的催化功能和性质。不同还原伴侣与P450酶的组合与互作如何影响P450酶的催化功能、催化效率和产物分布是值得深入探究的科学问题。本研究以还原伴侣蛋白RhFRED和P450酶MycG为研究对象,通过构建不同的融合和分离蛋白组合,系统研究了还原伴侣与P450酶的适配和相互作用模式对P450酶催化功能的影响。将RhFRED两个结构功能域拆解为两个独立蛋白FMN和Fe2S2,与P450酶MycG三者之间利用还原伴侣工程构建分离或融合型蛋白,通过体外生化反应探究不同组合方式下MycG对底物麦新米星M-Ⅳ催化功能以及电子传递效率的影响。在构建的20个还原伴侣与P450酶的“非天然”催化组合中,16个组合能够成功重建MycG的催化功能,其中12个组合中MycG能够催化产生3种氧化产物麦新米星M-Ⅰ、M-Ⅱ和M-Ⅴ以及1种脱甲基产物dMe-M-Ⅳ;4个组合仅产生氧化产物M-Ⅰ、M-Ⅱ和M-Ⅴ;剩余4个组合未检测到任何反应产物。通过模拟自然进化,系统研究了还原伴侣与P450酶构成的3种不同催化系统(单、双、三组分)以及单组分和双组分系统中不同的蛋白组织形式对MycG催化功能和性质的影响,结果表明不同还原伴侣系统和组合/组织方式能够通过蛋白-蛋白相互作用显著影响P450的催化功能、催化效率和催化性质。

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    17. 合成生物学在肠道微生态疗法研发中的应用
    高梦学, 王丽娜, 黄鹤
    合成生物学    2022, 3 (1): 35-52.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-097
    摘要935)   HTML125)    PDF(pc) (1753KB)(714)    收藏

    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。

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    18. 合成生物学助力碳中和:新底盘、新策略与新技术
    孙韬, 张卫文, 胡章立, 元英进
    合成生物学    2022, 3 (5): 821-825.   DOI: 10.12211/2096-8280.2022-049
    摘要916)   HTML405)    PDF(pc) (737KB)(1012)    收藏
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    19. 生物固碳:从自然生物到人工合成
    肖璐, 李寅
    合成生物学    2022, 3 (5): 833-846.   DOI: 10.12211/2096-8280.2022-042
    摘要860)   HTML127)    PDF(pc) (1528KB)(881)    收藏

    近年来,大气中二氧化碳浓度上升引起了气候变化等一系列环境问题,“碳中和”成为各国发展目标之一。实现碳中和,意味着要将空气中的二氧化碳固定下来,作为生产碳基化合物的原料。将二氧化碳转化为人类可以利用的有机物是利用二氧化碳的有效途径之一,这使得二氧化碳的生物固定和转化成为当前研究热点,重点聚焦在天然固碳途径的改造和人工固碳途径的设计合成。由于二氧化碳中的碳原子处于最高氧化态,二氧化碳还原成有机物需要能量输入,如何输入还原力和能量是决定生物固碳效率的关键因素。本文总结了近年来天然固碳途径改造、人工固碳途径设计合成方面取得的进展,对天然固碳途径和人工固碳途径进行了比较分析,并重点讨论了人工生物固碳过程中的还原力和能量输入问题,包括还原力、ATP等化学能、光能和电能等。最后,从途径和能量两方面分析了生物固碳面临的问题和发展趋势,并据此提出了一些可能的研究方向。

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    20. 细胞培养肉商业化的法律规范与监管:外国经验及对我国启示
    李玉娟, 傅雄飞, 杜立
    合成生物学    2022, 3 (1): 209-223.   DOI: 10.12211/2096-8280.2021-101
    摘要860)   HTML84)    PDF(pc) (1644KB)(608)    收藏

    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。

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