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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
