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。
天然蛋白质具有临界稳定性的特征，这种较低的稳定性使蛋白质结构具有足够的灵活性，从而支持其发挥生物学功能。然而，临界稳定性使得蛋白质遭受胁迫压力后极易发生错误折叠并失去功能，导致天然蛋白质往往无法满足科学研究与工业应用的需求。此外，体内蛋白质在错误折叠后产生的聚集沉淀被认为是多种疾病发生发展的原因，包括阿尔兹海默病、帕金森综合征等。因此，优化蛋白质的稳定性是科学研究与工程应用领域亟待解决的关键问题。本文从蛋白质的折叠与稳定性机制出发，聚焦于序列优化与折叠环境优化两种改善蛋白质稳定性的手段，综述了基于理性设计、计算机辅助设计改善蛋白质稳定性的研究方法，介绍了用于高通量筛选蛋白质稳定化突变体或折叠相关因子的定向进化技术。通过多项蛋白质序列改良、折叠环境优化的案例介绍，展示了蛋白质稳定化技术在蛋白质工程与生物医药领域的广阔应用，包括酶的稳定化设计、疫苗蛋白质的构象控制、分子伴侣与蛋白质聚集抑制剂的筛选、蛋白质稳态药物的开发等。最后，展望了蛋白质稳定化技术未来的研究方向与前景，定制化的蛋白质稳定性检测技术将会迎来蓬勃发展。
定向进化旨在通过基因多样化和突变体库筛选的迭代循环，加速实现在胞内或胞外进行的自然进化过程。近年来，因其强大的功能而被广泛应用于酶工程当中。本文概述了近十年助力定向进化发展的最新技术，包括胞外和胞内高效构建基因突变体库的方法、高通量筛选突变体库的方法、连续定向进化策略、自动化生物合成平台助力定向进化的策略、计算机技术辅助定向进化的应用实例。为了阐述定向进化在酶工程中的应用价值，本文着重讨论了利用定向进化技术对酶进行改造的代表性案例，其中包括改善酶在有机溶剂中的耐受性、提高酶的热稳定性、增强天然酶对非天然底物的催化能力、提高酶催化化学反应的选择性（包括区域选择性、立体选择性和对映选择性）以及拓展酶催化的反应类型。最后，本文对定向进化在未来可能遇到的挑战及应用前景进行了归纳总结。
规律成簇间隔短回文重复序列及其相关蛋白（CRISPR/Cas）是一种微生物获得性免疫系统，自从证实其可用于基因编辑之后，迅速增强了我们编辑、操纵、注释、检测甚至成像生物体DNA和RNA的能力，为基础生命科学、医学和生物工程等领域的创新发展注入了强劲动力，快速推动了合成生物学等学科的兴盛发展。然而，CRISPR/Cas系统也有一些固有的问题，例如脱靶效应、原间隔序列邻近基序（PAM）对靶目标的约束性以及基因编辑活性的可控性等，严重制约了该系统在基因精准可控编辑等方面的长足发展，阻碍了其新功能和新应用的拓展。为了突破这些限制，“蛋白质工程修饰Cas蛋白”与“基于生物信息学的新型CRISPR/Cas系统的挖掘”就成为完善发展CRISPR/Cas系统以及扩充CRISPR工具箱的两种重要策略。本文主要针对当前应用最为广泛的Ⅱ类CRISPR/Cas系统，重点介绍了CRISPR/Cas9、CRISPR/Cas12a和CRISPR/Cas13a这三种代表性系统的基本结构和作用机制，及其在结构改造和功能拓展等方面的新进展，同时也对一些新近发掘的具有重要特色和潜在应用价值的CRISPR/Cas系统进行了综述，例如CRISPR/CasФ 和 CRISPR/Cas12k。这些改造和发掘工作显著改善了CRISPR/Cas系统的固有问题，有力地拓展了其功能和适用性，势必会进一步快速推动CRISPR/Cas系统在诸多领域的创新发展。
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。
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。
合成生物学是按照一定的规律综合已有的信息设计和构建全新的生物元件、装置和系统，或者重新设计已有的天然生物系统。合成生物学的核心在于设计、改造、重建或制造生物元件、生物反应系统、代谢途径与过程，乃至创造具有生命活动能力的细胞和生物个体，为解决人类发展在环境、资源、能源等方面面临的若干重大挑战提供新技术方案。毫无疑问，从DNA重组到基因电路设计，合成生物学的发展为众多领域带来全新的解决方案，优良的催化与调控元件是设计高效、鲁棒的系统的基础。然而，合成生物学的元件通常是天然的生物大分子，其固有的复杂性限制了对其工程化改造，导致合成生物技术的潜力未能得到充分发掘。随着人工智能（artificial intelligence，AI）与计算生物学的兴起和发展，有望助力该技术更好地发挥其价值。本文主要介绍了基于AI与计算生物学的不同类型的元件设计，聚焦催化元件、调控元件、传感元件三类元件的设计和前沿进展以及生物元件改造在合成生物学研究领域中的应用方面的研究进展。
微生物工程菌株是生物制造的重要基础，但大多数的工程菌株需要进化改造才能适用于生物制造。在菌种选育过程中，如何高效地筛选获得具有目标性状的微生物工程菌株是进行生物制造应用的关键影响因素之一。液滴微流控技术作为近年来发展起来的一种基于微芯片的高通量检测筛选技术，可以生成大小均一、相互独立的微体积液滴小室，并应用于单细胞的培养、检测和分离，在微生物菌株改造尤其是分泌型菌株的改造中得到广泛应用。本文首先概述液滴微流控技术的组成部分，对关键性的技术进行简要介绍；其次根据液滴检测信号的来源、液滴筛选流程的难易程度和液滴分选仪器的适用范围，对液滴微流控技术在工程菌株选育中的应用进行总结分析；最后对液滴微流控技术在应用中存在的问题和研究方向进行展望，为深化其在微生物合成生物学中的应用提供指导。
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。
优质的微生物底盘宿主是实现绿色、可持续生物制造的重要平台。巴斯德毕赤酵母底盘宿主因其在蛋白表达和发酵生产中的诸多优势受到了广泛的关注和应用。而作为一种工业甲基营养酵母，其可以有效地利用来源广泛的甲醇作为唯一碳源，使其成为碳一化合物潜在的生物转化平台。近年来，随着合成生物技术和生物制药技术的快速发展，围绕毕赤酵母底盘的工程化改造研究逐渐增多，并取得了卓有成效的进展，促进了毕赤酵母底盘的发展和升级。本文简述了毕赤酵母底盘细胞的发展和应用现状，从基因操纵技术、基因表达调控、代谢工程改造等方面介绍了毕赤酵母的工程化改造策略及应用效果，总结了毕赤酵母中合成生物技术、调控元器件、新型表达平台和生物转化体系的建立与开发情况。在此基础上，进一步强调了毕赤酵母中CRISPR介导的基因编辑及调控、转录系统的重构及人工设计，介绍了其在蛋白表达和化合物合成方面的应用，并分析了其在实际应用中的优势和问题。最后，对毕赤酵母在后续研究中的底盘升级方向和应用场景进行了展望。
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。
发展CO2的高效资源化利用技术可同时缓解迫切的环境和能源压力，是实现“双碳”目标的重要途径。微藻是重要的光合固碳微生物，是生物圈初级生产力的主要来源，也是研究光合作用的重要模式体系。近年来，微藻又被视为极具潜力的新型微生物光合平台，具有将太阳能和CO2直接转化为各种生物基产品的潜力，该生产模式被称为光驱固碳合成技术，可以同时起到固碳减排和绿色合成的效果，是有望助力“双碳”战略目标实现的新型生物制造技术路线。微藻光驱固碳合成技术本质上是通过微藻光合代谢网络重塑实现CO2的资源化利用，对该方面本文系统总结了“拆盲盒”“挤海绵”“动刀子”3种基本开发模式的研究进展、重要突破和代表性应用示范。而微藻光合代谢网络的深度重塑，又有效扩展了基于微藻光驱固碳合成过程的技术应用场景，在这一方面，本文着重总结微藻生物技术与生物医学、生物光伏、生物航天技术等新型应用场景和技术领域的交叉融合。最后，还针对微藻光驱固碳合成技术在应用中面临的挑战，提出应该重点从合成生物学工具箱开发、高效光合平台开发、规模化培养防污染和防逃逸策略开发等几个环节进行攻关，以加强微藻光驱固碳合成过程的可控制性和可应用性。
酶促生物电催化是一种绿色高效的催化技术，充分结合了生物酶催化和电催化的优点，可实现化学能和电能的相互转换，目前已在生物发电、电能存储、CO2固定、传感与监测等方面受到广泛关注。本综述分析了酶促生物电催化的发展现状与当前面临的挑战，从合成生物学的角度详细介绍了氧化还原酶的结构功能和酶促生物电催化系统的基本要素，探讨了酶的改造，包括定向进化、理性设计和引入非天然组件等，以及通过构建多酶复合体模块和强化生物-非生物界面电子传递等方法以提高系统性能。围绕电子传递和能量转化效率等问题，阐述了酶的定向固定方法、电子传递机制以及电极材料设计原则。此外，总结了酶促生物电催化技术在酶燃料电池、生物传感器、化学品酶电合成等合成生物学相关领域的前沿应用。最后，本文展望了未来前景，并提出了从设计改造电活性生物元件、拓宽反应电势、放大反应系统等方面进一步提升酶促生物电催化系统的性能和可应用性。
未活化的C—H键选择性插入活性氧是目前有机合成面临的最具挑战性之一。真菌非特异性过加氧酶（UPO）是一类高度糖基化的硫代血红素酶，催化的反应包括正构烷烃中未活化的C—H键的羟基化、烯烃和芳烃的环氧化、含杂原子（N、S）化合物的氧化、乙醚裂解、N-脱烷基化、脱酰化和酚类的单电子氧化。UPO以H2O2为氧供体与电子受体，不需要任何辅因子，是目前最具发展潜力的氧化酶之一。然而，UPO的异源表达困难与选择性差的问题仍限制着UPO的发展。近两年，通过信号肽改造或更换的方法在UPO的异源表达方面取得了重要突破，对UPO结构功能关系的深入研究以及蛋白结构预测算法的发展也将助力UPO的分子改造，为解决UPO选择性差的问题奠定基础。本文聚焦于UPO的异源表达、选择性问题与H2O2原位再生，综述了UPO的最新发展以及存在的技术瓶颈，并对解决这些瓶颈问题的方案做出展望。
自然界中存在的酶拥有多种多样的功能，它们已经被应用在工业生产和学术研究中，但其中许多酶的性质和功能还不能完全满足应用需要，通过改造来提升这类酶的某些特性是酶工程的重要任务。本文介绍了酶工程的主要发展历程，并重点梳理了人工智能（AI）助力酶工程领域的研究进展。酶工程主要包括理性设计、定向进化、半理性设计和人工智能辅助设计等策略。理性设计方法根据酶的催化机理、结构等先验知识进行改造。定向进化技术通过构建随机突变文库和高通量筛选提升目标酶的稳定性和活性等性质。半理性设计方法借助一系列计算方法构建相比于定向进化更小也更合理的突变文库以降低筛选工作量。人工智能技术在大量数据驱动下可以学习有关蛋白质构成和进化的特征信息。通过直接学习自然界中存在的蛋白质序列、共进化信息和结构，深度神经网络已经可以解决许多类型的酶工程问题，如预测具有有益影响的突变、优化蛋白质的稳定性、提高催化活性等。通过对酶工程现状进行分析，本文旨在进一步推动酶的开发和优化以实现更广泛的应用，为研究者和相关从业人员提供更多有价值的见解。
电能细胞具有与外界环境进行双向电子交换的能力，包括向外界环境释放电子的产电细胞，以及从外界环境获取电子的噬电细胞，在微生物电化学系统中发挥微生物电催化剂的核心作用。以电能细胞为核心的微生物电化学系统在生态环境治理、绿色能源开发、化学品高效合成等方面有着广泛应用。但是野生电能细胞因其摄取底物能力弱、胞内电子通量小、双向跨膜电子传递效率低、生物膜形成能力差等原因，化学能到电能的双向转化效率受到极大限制，是实现微生物电化学系统大规模产业化应用的核心瓶颈。本综述聚焦近5年电能细胞合成生物学改造的最新研究进展，通过分析双向电子传递的分子机制，分类汇总产电细胞和噬电细胞的合成生物学改造策略：①工程产电细胞（强化产电细胞的胞内电子生成、胞外传递效率，具体为拓宽底物谱、增强还原力转化，提高胞外传递能力、促进电极生物膜形成）；②工程噬电细胞（强化噬电细胞胞外电子摄取、还原力转化、产物合成效率，包括提高噬电细胞电子摄取和还原力转化，调控细胞代谢路径电合成化学品和生物燃料）。最后，展望了未来高效电能细胞和微生物电化学系统的设计与构建。
生物合成基因簇（biosynthetic gene cluster， BGC）是一类非常重要的基因集合（gene set）类型。BGC普遍存在于各类生物基因组中，并且发挥着重要的代谢和调控作用。从线性结构上来说，一个BGC中的基因通常在基因组中处于相邻的位置；从基因功能上来说，一个BGC中的基因通常共同负责一类通路，生成特定的化合物小分子。因此，BGC作为极具潜力的元件来源，在合成生物学研究中极为重要。然而从序列模式上来说，一个BGC中的基因数量众多且序列差异度大，很难通过序列同源性发掘新类型的BGC。因此，建立生物合成基因簇的智能发掘策略，系统性地发掘BGC并进行验证和转化研究，不论在理论方面还是实际应用方面，都具有非常重要的价值。本文主要基于微生物组大数据，较全面地介绍了BGC挖掘的意义和瓶颈问题，系统性地总结了当前BGC发掘中的数据资源和挖掘方法，尤其是人工智能方法，指出了干湿结合方法对于验证新发掘BGC的重要价值，同时展示了新发掘BGC的多样性和广泛应用领域。最后，展望了结合现有BGC挖掘方法和合成生物学转化，将如何在广度和宽度方面扩展目前的合成生物学研究。
蛋白质是各类生命活动不可缺少的承担者，其序列决定了折叠后的三维结构和功能。这些具有特定功能的蛋白质在生物医学等多个领域具有重要的应用价值。计算蛋白质设计可以根据所需的蛋白功能和结构设计氨基酸序列，生成自然界中不存在的蛋白质。传统计算蛋白质设计通常采用能量函数和特定的搜索优化算法获得设计的序列。近年来，随着先进算法的发展、大数据的积累和计算机硬件算力的增长，人工智能技术得到了蓬勃发展，并逐渐应用于蛋白质设计领域。本文综述了近年人工智能在蛋白质结构设计中的进展，侧重于各类算法的介绍，从固定骨架设计、可变骨架设计和序列结构生成三个方面回顾了最新的蛋白质结构设计算法，并阐明了其相对于传统计算方法的新颖性和创新性。在人工智能技术的赋能下，蛋白质设计的成功率和合理性获得大幅提高，按需功能蛋白设计的时代即将到来。
CRISPR/Cas9是近年来发展起来的新兴技术，其在多种生物和组织的基因组上具有快速、高效、精准的基因编辑与调控能力，这使得该技术在基础科学和合成生物学等应用科学领域均得到了极大的发展与应用。本文首先对CRISPR的历史沿革、分类及CRISPR/Cas9技术的作用机制进行简述，并结合其原理和在基因组工程中面临的脱靶率高、PAM依赖性强等限制因素总结了近年来针对Cas9蛋白和向导RNA（gRNA）进行的一系列优化与改造。接下来详细叙述了CRISPR/Cas9系统结合效应蛋白实现的多种功能，包括基因表达调控、表观基因组编辑、单碱基编辑等。基于gRNA多表达策略和Cas9多路复用策略，本文还对CRISPR/Cas9技术主要的多重应用成果进行了梳理汇总。最后探讨了CRISPR/Cas9作为高精度基因组编辑工具使用的应用前景，以及作为疗法使用时的安全性和风险控制问题。
