酶催化具有绿色温和、高效高选择性的优势，在工业生产和技术研发等领域发挥着重要作用。然而，酶能催化的反应类型相对有限，难以满足未来绿色生物合成的需要。光催化已成为在温和反应条件下生成活性反应中间体的有效策略，但是光化学反应的选择性调控一直是个挑战性难题。结合光催化与酶催化的光酶催化合成，能够突破天然酶催化功能的局限，并为光化学领域的选择性调控难题提供新的解决方案，成为合成科学领域的研究热点之一。本文综述了光酶催化合成的最新研究进展，根据光酶的结合模式分成四部分讨论：光氧化还原实现辅因子再生、光催化剂-酶的协同或串联反应、光激发已知酶实现新转化、人工光酶。本文归纳了近年来光酶催化合成的代表性工作，重点分析光酶催化反应的化学机制和实现新生物转化的策略。与此同时，通过分析该领域当下面临的瓶颈，本文展望了光酶催化未来的发展方向，希望能够为光酶催化新转化的开发和更多高附加值化学品的绿色不对称合成提供参考。
天然产物一直是潜在的先导药物的重要来源，天然产物及其结构类似物在历史上对疾病治疗做出了重大贡献，特别是对癌症和传染病的治疗。在过去两百年的时间里，天然产物的发现和研究经历了巨大的变化，由传统的分离鉴定为主的经典研究方法转为了基因组时代的多学科组合研究。虽然近二十年发现和挖掘了丰富的活性天然产物，但与自然界中巨大的天然产物合成潜力相比仍有不足，庞大的陆地和海洋天然产物资源尚待开发。同时，与传统的化学合成分子相比，天然产物具有丰富的骨架多样性和结构复杂性，在新药发现中展现了巨大的优势。虽然在天然产物的新药创新方面仍面临着种种挑战，但新的分析技术和挖掘策略的出现有望迎来天然产物发现的新阶段。本文总结了近十年（2014年1月—2023年10月）美国食品药品监督管理局批准成药的天然产物及源自天然产物的半合成药物，并对其中纯天然产物来源分子、重要的半合成天然产物前体的生物合成研究进展进行了详细总结。此外还简要总结了一些FDA批准的老药在过去十年中取得的重要生物合成研究进展。期望通过对成药天然产物生物合成途径及机制的深入理解，为更多天然产物创新药物的发现和研究提供借鉴。
胶原蛋白是哺乳动物中含量最多的蛋白质，至今已发现28种类型，主要分为纤维性胶原蛋白、网状胶原蛋白、珠状丝状胶原蛋白、锚定纤维蛋白、膜蛋白以及multiplexins胶原蛋白，其中纤维性胶原蛋白中Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型胶原蛋白占人体胶原蛋白的80%~90%。目前，根据来源，胶原蛋白大致分为动物源胶原蛋白和重组胶原蛋白。动物源胶原蛋白主要来源于陆生动物以及海洋动物，而重组胶原蛋白是指将人胶原蛋白基因克隆到选定的表达载体并转化到表达细胞内，最后通过纯化技术所获得的蛋白质。本文简述了胶原蛋白的结构、类别和生物合成机制，重点阐述了重组胶原蛋白表达体系及特点，包括原核生物、酵母、植物、杆状病毒以及哺乳动物细胞等表达体系及其优势与局限性，介绍了重组胶原蛋白市场前景及在眼科、软骨工程、皮肤治疗等生物医药方面的实际应用，并对重组胶原蛋白的研究和产业发展进行了展望。
虾青素是一种高附加值的抗氧化萜类物质，具有很强的抗氧化活性，同时还具有抗癌、预防炎症、护眼等诸多功效。随着合成生物学技术的不断发展，利用微生物发酵法合成虾青素是实现虾青素工业化生产最有效的途径之一，也更能满足消费者对天然化合物的需求。目前，生产虾青素的微生物包括细菌、真菌、藻类等。本文系统介绍了虾青素的结构性质和生产方法，重点讲述了虾青素天然合成以及外源构建的合成路径，总结了不同微生物如雨生红球藻、酵母和大肠杆菌生产虾青素的最新进展，分析了利用基因工程和发酵过程调控手段提高虾青素产量的方法。未来，通过代谢工程等手段（如虾青素合成基因过表达、使用高强度启动子、代谢途径优化等）可提高虾青素产量，以进一步增加虾青素在食品、医疗、化妆品和饲料等产业的应用。
基于性能卓越的微生物底盘细胞，开发高效的绿色生物制造技术，已经成为合成生物学领域的研究前沿。解脂耶氏酵母作为一种非常规产油酵母，由于其独特的生理生化特征，正迅速成为面向绿色生物制造的合成生物学研究领域的热门底盘细胞之一。近年来，围绕解脂耶氏酵母底盘细胞工程改造的研究与应用日益增多，促进了解脂耶氏酵母底盘细胞的进一步升级。本文总结了针对解脂耶氏酵母底盘细胞的工程改造策略及其在生物制造中的应用，从遗传改造技术及工具开发，基因的表达与调控策略等方面介绍各类合成生物学工具及技术在解脂耶氏酵母中的研究进展，并从底盘细胞合成高附加值产品的研究进展方面介绍了其工程改造效果。最后，对解脂耶氏酵母底盘细胞的应用前景和未来发展方向进行了展望。
自然界亿万年的进化孕育出了丰富的天然产物资源，进而为药物研发提供了巨大的分子宝库。进化导向生物信息学方法在微生物天然产物研究中发挥着越来越重要的作用。微生物基因组数据的快速增长为生物合成基因簇的大数据分析以及进化分析提供了新机遇，不仅让我们对天然产物全景图有了更清晰的认识，还能够揭示天然产物的进化规律，利用进化分析方法和大数据资源挖掘新型的药物先导天然产物，理解生物合成酶，甚至设计改造生物合成体系创造非天然分子。本文综述了近年来进化和大数据导向生物信息学应用于天然产物研究中的相关进展，强调了进化与大数据在生物合成酶的功能预测、进化机理、基因挖掘以及生物合成改造方面的应用，最后分析了目前面临的问题并对未来发展趋势进行了展望。
生物燃料替代化石燃料可解决当前全球正面临的能源危机和环境危机。通过筛选、改造微生物，利用可再生资源高效生产具有经济效益和社会效益的生物燃料已成为可持续生物制造的重大发展方向。基于系统生物学理解并设计细胞工厂生物燃料的合成途径与调控网络，利用合成生物学手段开发高产稳产微生物细胞工厂是实现生物燃料经济生产的重要手段。本文概述了当前生物燃料的主要种类及对应的代谢途径，并总结了当前主要生物燃料的生产情况。重点介绍从微生物物质代谢、能量代谢、生理代谢和信息代谢四个方面去认识、改造、开发微生物底盘细胞使其成为高产稳产的生物能源细胞工厂。此外，本文也对当前生物能源的生产瓶颈和挑战进行了总结，并从酶元件库的挖掘、合成途径的创建与优化、底盘细胞的理解和性能改善、发酵工艺的智能控制等方面提出了未来的发展方向和目标任务，强调了在未来的研究中，信息技术（IT）和生物技术（BT）交叉融合是能源细胞工厂构建的发展趋势，可为高效生物燃料细胞工厂的构建提供工具和资源，加速生物能源的产业化进程。
细菌双组分系统能够感知和响应细胞内外的物理、化学和生物刺激，通过耦合传感和调节机制从而引起一系列的细胞反应，是一个普遍存在的信号转导通路家族。当前越来越多的合成生物学家已开始利用双组分系统的特异属性来工程化设计微生物传感系统，并应用于光遗传学、材料科学、肠道微生物组工程、生物炼制和土壤改良等领域。本综述重点介绍了开发基于双组分系统的生物传感器的最新研究进展以及在各个领域中的潜在应用。同时探讨了如何运用新的工程方法提高双组分系统传感器性能的可靠性，包括遗传重构、DNA结合结构域交换、检测阈值调节和磷酸化串扰隔离，以及如何根据特定应用的要求定制双组分系统信号特性。在未来，研究者可以将这些方法与大规模的基因合成、高通量筛选相结合，以加速和帮助发现更多未确定特征输入的双组分系统，并开发新的对广泛的刺激做出反应的基因编码生物传感器，拓展双组分生物传感器在不同领域的应用。
合成生物学是一门关于设计、改造和重新合成生命的交叉融合性学科。它以工程化理念对生物体进行有目标的设计、改造，使其拥有满足人类需求的生物功能，甚至创造新的“人造生命”。由于生命体的高度复杂性，为达预定目标往往需要进行大量人工试错性实验，导致研究成本高、进展缓慢。随着自动化合成生物技术的不断发展，目前全球各地有多个合成生物自动化设施已建成或在建中。本文从建设背景、设计构建、科研项目运行和应用前景等方面对浙江大学杭州国际科创中心建设的合成生物学自动化装置iBioFoundry进行介绍，通过大肠杆菌工程菌的批量构建和酶的定向进化及筛选案例对实验自动化方案制定、实验流程程序编写和上机运行的过程做简要描述和分析，并就装置耗材存储空间的分配、多实验任务并行和实验流程标准化建设等装置建设过程的一些思考做经验分享。合成生物学自动化装置可以帮助研究人员大幅提高实验效率，装置产生的大量高质量数据结合信息技术，有望高通量、低成本、多循环地实现合成生物学研究中“设计-构建-测试-学习”的自动化运行，加速合成生物学在基础及诸多应用领域的研究效率。
CRISPR-Cas系统作为原核生物获得性免疫系统，由簇状规则间隔短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats， CRISPR）和CRISPR相关蛋白（CRISPR-associated proteins， Cas）构成，因其识别和切割特定DNA或RNA序列，而成为分子诊断领域研究的热点。研究人员利用Cas蛋白（Cas12、Cas13、Cas14、Cas3等）结合信号放大和转化技术（荧光法、电位法、比色法、侧向流动技术等），开发了许多高灵敏度、高特异性、低成本的诊断平台，为病原核酸检测提供了新途径。本文介绍了CRISPR-Cas系统的生物学机制及分类，总结现有的基于Cas蛋白反式切割活性开发的病原核酸检测技术，描述其特点、功能和应用场景，并对该系统的未来应用前景进行展望，期望CRISPR-Cas系统成为包括核酸检测在内的多靶标的理想检测平台。
CRISPR/Cas系统的发现与发展对生命科学领域产生了革命性的影响，借助CRISPR/Cas系统研发出的一系列工具为相关领域的研究带来了极大的便利。碱基编辑器便是其中一类基于CRISPR/Cas系统开发的可实现碱基转换和颠换的基因编辑工具，其通过将胞苷或腺苷脱氨酶以及其他功能元件与失去双链切割活性的Cas蛋白相融合，由sgRNA引导，实现对基因组上目标位置胞嘧啶或腺嘌呤的碱基转换。碱基编辑器一经开发便在生物学、医学等领域展现出巨大的应用潜力，虽然经过不断优化，但目前在使用时仍然存在着许多制约因素。本文简述了几种主要碱基编辑器的发展，并介绍了碱基编辑器存在的靶向范围受限和脱靶编辑的问题以及现有的优化措施。同时列举了我国部分科研工作者将碱基编辑技术运用于微生物合成生物学领域的进展，并展望了碱基编辑技术的发展及其在微生物合成生物学领域的应用前景。
肿瘤的细菌治疗最早可以追溯到19世纪，人们第一次利用链球菌（Streptococcus pyogenes）成功治疗了患有无法手术切除的肉瘤患者。此后，细菌在肿瘤治疗上的研究越来越多，并取得了令人期待的结果。与其他肿瘤治疗方法相比，细菌治疗肿瘤具有许多独特的优点。随着合成生物学的发展，人们对细菌进行改造后大大增强了其在肿瘤治疗中的运用。本文介绍了细菌改造策略和应用进展，特别是鼠伤寒沙门氏菌治疗肿瘤的研究。在动物模型中，工程菌可以选择性定植到肿瘤组织中并抑制肿瘤的生长。此外，介绍了工程菌治疗肿瘤的新策略——表达抗肿瘤分子来提高肿瘤治疗的效果。最后，讨论了工程菌治疗肿瘤运用于临床还有一些需要解决的问题，如何平衡细菌毒力和抗肿瘤能力是一个关键点，需要设计更精巧的基因线路来对细菌进行改造。在减弱细菌毒力的同时，还要增强细菌靶向到肿瘤组织的能力，以减少对其他正常组织的影响。细菌的遗传不稳定性也是一个潜在的问题，因为突变可能会产生无效或有害的表型。但是，随着合成生物学的发展，在不久的将来，上述问题将会得到解决，细菌治疗将会是一种具有巨大潜力的肿瘤治疗的方法。
基于绿色生物制造进行物质能量生产，有望减少对天然植被、耕地、石化等资源的依赖，而微生物细胞工厂是绿色生物制造过程的“芯片”。合成生物学为微生物细胞工厂的研究提供了重要的使能技术，但目前仍面临生命系统高度复杂、实验过程需要反复试错、实验通量较低等限制因素。自动化合成生物技术借助高通量、自动化和智能化的软硬件设施平台，基于标准化、模块化的生物元件库和合成生物工艺，可低成本、高通量、快速、多循环地完成海量工程试错性实验，加速特定性能人工细胞工厂的设计和优化，支撑相关研究和应用。本文主要针对细胞工厂“设计-构建-测试-学习”循环中最关键、最耗时的“构建”环节，对DNA组装和底盘细胞操作自动化工艺和设施平台进行了总结，对自动化合成生物技术应用于生物合成基因簇挖掘、代谢通路优化和底盘细胞优化的最新进展进行了介绍。最后展望了微生物细胞工厂自动化构建面临的挑战和未来发展，讨论了包括非模式微生物在内的全流程自动化的发展趋势，而自动化装备的国产化自主研发将为此做出重要贡献。
限制性内切酶在分子生物学研究中是一类重要的工具酶，目前主要由异源生物合成的方式进行表达与生产，由于它们对特定的DNA序列（即酶切位点）具有切割活性，在异源表达时会对宿主产生较高的细胞毒性。而无细胞生物合成体系具有操作快捷、灵活高效、无细胞毒性等优势，因此，本研究利用无细胞蛋白合成（cell-free protein synthesis， CFPS）技术进行限制性内切酶的表达制备。本课题组选择3种限制性内切酶EcoRⅠ、BamHⅠ和BsaⅠ作为研究对象，构建线性DNA为表达模板，无需甲基化酶对宿主的保护，在6 h内即可完成蛋白表达。经亲和色谱与凝胶色谱两步纯化，得到了纯度高（95%左右）、酶活相当（EcoRⅠ 3.7 × 105~3.7 × 106 U/mg，BamHⅠ 8.3 × 102~4.1 × 103 U/mg，BsaⅠ 4.4 × 105 ~ 4.4 × 106 U/mg）的目标蛋白。同时，建立了限制性内切酶的实时酶活检测方法，将有助于限制性内切酶的催化和快速筛选研究。本研究所开发的限制性内切酶无细胞表达制备体系，从基因模板构建到纯化蛋白所需时间短（1~2 d）、蛋白产量高（32.5~130 mg/L无细胞反应）、制备效率高（1.3 × 105 ~ 5.7 × 108 U/L无细胞反应），具有较好的普适性，为限制性内切酶的研发与制备生产提供了新的思路。
在单细胞层面对生物功能进行高通量的分析和分选是对关键基因、元件、途径与细胞工厂进行优化的重要技术。基于微液滴的筛选方法因其低成本、超高通量等优势，已被广泛应用于生物、医药、食品和工业等各个领域。本文针对目前主流的荧光激活的液滴分选、吸光度激活的液滴分选，以及无标记液滴分选等微液滴筛选设备的进展进行综述，主要包括基于质谱、拉曼、核磁共振、电化学、图像识别等。并总结了近年来微液滴筛选设备在酶进化、微生物育种等领域应用成功的案例。此外还对不同的微液滴筛选设备的优势与面临的挑战进行了讨论，未来各种新的荧光探针的开发以及质谱等非标记检测方法的进一步发展，将是微液滴筛选设备的主要发展方向，在蛋白质工程、抗体工程、细胞分选及临床研究等方面具有重要的应用潜力。
微生物利用甲酸生产高附加值产品，是实现碳资源回收利用与绿色产业发展的重要策略之一。然而，在微生物利用甲酸过程中存在甲酸利用效率偏低、细胞生长速率缓慢、目标代谢物产量不高等问题。为了解决上述问题，本文从甲酸利用的微生物、代谢路径与代谢工程策略三个方面，系统总结分析了代谢工程改造微生物利用甲酸的研究进展。在甲酸利用微生物方面，概述了天然甲酸利用微生物的代谢特点以及模式微生物的代谢工程改造潜能；在甲酸利用代谢路径方面，梳理了天然的甲酸利用路径、重构与优化的甲酸利用路径与人工的甲酸利用路径的关键步骤、能量/还原力消耗与特点；在甲酸利用代谢工程策略方面，阐述了提高甲酸同化效率与改善甲酸利用微生物细胞生长的关键方法。最后，从甲酸利用的微生物、代谢路径与代谢工程策略三个方面，展望了微生物利用甲酸的发展方向，为甲酸生物经济的发展奠定了基础。
天然产物是临床药物的主要来源，也是新药研发过程中先导化合物结构设计和优化的灵感源泉。但传统策略天然药源分子的发现却遭遇了瓶颈，新颖天然产物的数量逐渐无法满足现代药物开发的需求和应对全球多药耐药的威胁。随着测序技术的快速迭代，生物学的研究进入了基因组时代，基因组挖掘指导天然产物定向发现的策略得以确立，成功摆脱了传统天然产物发现策略对于生物样本生物量的依赖，极大提高了活性天然产物发现的特异性和成功率。本文简述了基因组挖掘以及相关数据库和生物信息学工具的发展，详细介绍了包括基于核心基因或后修饰基因的经典挖掘手段，自抗性机制、进化理论指导的基因组挖掘和人工智能在活性天然产物发现中的具体应用，并对基因组挖掘在药物发现和多学科交叉领域的影响和发展进行了展望。基因组信息中蕴藏着无可估量的化学潜能，促进基因组挖掘与其他学科间的交叉融合，提升对遗传信息的处理和分析能力，增强下游基因簇表达通量和产物结构预测能力，可实现天然小分子高通量、高新颖性和高效率的发现，为开发具有自主知识产权的新药物、新化学品和新型酶催化剂服务。
醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase， ADH）广泛存在于生物体内，可应用于多种有机物选择性氧化还原。近年来，随着对酶的催化机理、结构认知、分子改造和反应系统构建及强化等方面研究的逐渐深入，ADH在生物基平台化合物的高选择性催化氧化还原方面展现出巨大潜力。本文综述了ADH分子设计和定向改造的前沿技术和进展，面向常见的辅因子依赖性ADH催化过程中的辅因子高成本及稳定性差等局限，聚焦酶反应过程中的辅因子再生强化技术，梳理了适用于ADH催化系统的化学驱动、酶驱动和光电驱动辅因子再生路径，并从单酶催化体系开发、多酶协同催化系统挖掘、全细胞催化技术发展与应用等多个角度概述了ADH在催化生物基呋喃化合物方向的最新研究进展。随着对ADH应用潜力的进一步挖掘，未来ADH有望成为生物基呋喃增值工业化进程中的重要组成部分，为能源生产的绿色发展提供助力。
