合成生物学

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2020, 1(1): 0-0.

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助推合成生物学会聚研究、提升中华民族科技创新能力——《合成生物学》创刊有感

赵国屏

2020, 1(1): 1-3. doi:10.12211/2096-8280.2020-068

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从生物产业技术到合成生物学：传承与创新——寄语《合成生物学》创刊

张先恩

2020, 1(1): 4-5. doi:10.12211/2096-8280.2020-069

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创刊词

元英进

2020, 1(1): 6-6. doi:10.12211/2096-8280.2020-070

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合成生物学重要研究方向进展

丁明珠, 李炳志, 王颖, 谢泽雄, 刘夺, 元英进

2020, 1(1): 7-28. doi:10.12211/2096-8280.2020-057

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合成生物学作为一个新兴的交叉学科领域，随着DNA合成技术的进步和合成生物学理念的深入，多个研究方向取得了长足发展。本文主要对基因回路、基因组设计合成、细胞工厂和人工多细胞体系的进展进行了综述。可设计构建的人工基因线路的复杂度逐步提升，人工控制更加精细；组装技术取得快速进展的同时，人工基因组的设计深度也在不断拓展，设计合成的人工基因组由支原体拓展向大肠杆菌，甚至真核生物酿酒酵母，推动了生物进化演化的研究；细胞工厂的设计构建在逐步挑战代谢途径更长、复杂程度更高的化合物的合成，模块化和正交化策略对复杂细胞工厂构建的支撑作用日益明显，鲁棒性和适配性成为细胞工厂构建需要考虑的重要问题；人工多细胞体系的设计构建已经从设计构建两菌体系向多菌体系扩展，通过多种原则进行设计，实现更加复杂的预期功能。本文也对合成生物学与其他学科交叉融合产生的一些新研究方向进行了简介。

生物逆向工程设计在合成生物学中的应用

陈欣懋, 欧阳颀

2020, 1(1): 29-43. doi:10.12211/2096-8280.2020-063

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合成生物学是一门涉及生物学、生物工程学、系统生物学、数学、物理、化学与信息科学的新生的交叉学科。它的目的是在工程化思想的指导下有目的地、可预测地设计人造生命系统。经过近二十年的蓬勃发展，合成生物学取得了重大成就，但依旧面临复杂系统理性设计的困难。在系统生物学中，运用数学物理等知识根据网络功能来研究功能背后网络结构的方法被称为逆向工程。系统生物学逆向工程的研究思路与合成生物学设计过程的一致性，启发了我们利用逆向工程指导合成生物学的理性设计。逆向工程应用到合成生物学，将大大降低复杂功能回路的设计难度。本文从合成生物学的设计思路与问题出发，根据本文作者研究团队近十年来在逆向工程研究中的经验，归纳总结了目前逆向工程设计在合成生物学中的应用方法，包括网络穷举方法、子网络拼接方法、从离散模型到连续模型的方法，论证了逆向工程指导合成生物学理性设计的可行性与有效性，分析了目前逆向工程设计在合成生物学中的发展瓶颈。

塑造低碳经济的第三代固碳生物炼制

史硕博, 孟琼宇, 乔玮博, 赵惠民

2020, 1(1): 44-59. doi:10.12211/2096-8280.2020-015

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目前人类社会面临的两大挑战是如何实现非化石来源化学品和燃料的可持续生产以及如何应对大量二氧化碳排放造成的温室效应。第三代固碳生物炼制利用细胞工厂可将二氧化碳固定为一系列化学品和燃料，有望解决这一问题，从而建立以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济模式。构建可利用二氧化碳的细胞工厂是迈向建立第三代固碳生物炼制平台的重要一步。随着生命科学的飞速发展，越来越多的二氧化碳固定机制被揭示。为了提高固碳效率，研究人员利用合成生物学改造天然固碳途径，并在此基础上设计人工固碳途径，或引入新颖的能源供应模式，甚至使异养模式生物变为合成自养生物。本文将对上述领域进行总结，并讨论微生物固定二氧化碳的主要挑战及其未来前景。

微生物利用二氧化碳合成燃料及化学品——第三代生物炼制

王凯, 刘子鹤, 陈必强, 王萌, 张洋, 毕浩然, 周雅莉, 霍奕影, 谭天伟

2020, 1(1): 60-70. doi:10.12211/2096-8280.2020-058

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对由石油枯竭与温室气体排放引起的全球气候变化的担忧激发了人们对化石燃料可再生替代品的兴趣。研究人员进行了大量的研究探索，旨在利用微生物细胞工厂将可再生能源和大气中的二氧化碳转化为燃料及化学品。本文讨论了合成生物学技术助力微生物二氧化碳利用合成燃料及化学品（第三代生物炼制）的最新进展。在概述了目前已经发现的六条存在于微生物体内的二氧化碳固定途径的关键蛋白以及能量利用等情况后，回顾了以二氧化碳为原料的微生物应用（包括纯微生物固碳法与光电耦合微生物固碳法），并提出了二氧化碳固定和能量捕获中的重大机遇和障碍。最后，总结了在二氧化碳利用方面，理想的微生物选择所需考虑的因素以及目前较有吸引力的二氧化碳利用的宿主微生物。

合成生物技术制备脂肪族二元胺的研究进展

王昕, 王静, 陈可泉, 欧阳平凯

2020, 1(1): 71-83. doi:10.12211/2096-8280.2020-054

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合成生物学作为发展迅速的一门交叉学科，为构建高效的微生物细胞工厂、促进生物基产品的产业化制备提供了强有力的工具。二元胺作为一种重要的聚合单体，广泛应用于聚酯、聚氨酯、聚酰胺等高分子材料的合成中。本文针对C₃～C₅脂肪族二元胺（1,5-戊二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺）的生物合成，从途径设计与构建、关键结构元件的设计和改造、调控元件的挖掘与优化、辅因子合成和转运调控等模块的优化和系统集成等方面，综述了利用合成生物学策略改造大肠杆菌和谷氨酸棒状杆菌合成二元胺的现状，并从非粮生物质的利用和生物合成过程中CO₂的再循环利用两个方面阐述了提高二元胺合成过程中原子经济性的研究概况，展望了如何利用合成生物技术进一步优化二元胺合成细胞的性能，以促进生物基二元胺的产业化生产。

合成生物学与食品制造

刘延峰, 周景文, 刘龙, 陈坚

2020, 1(1): 84-91. doi:10.12211/2096-8280.2020-005

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随着全球环境污染加剧、气候持续变化和人口不断增长，如何保障安全、营养和可持续的食品供给面临巨大挑战。这些挑战对未来食品供给方式和功能提出了新的要求。采用合成生物学技术，创建适用于食品工业的细胞工厂，将可再生原料转化为重要食品组分、功能性食品添加剂和营养化学品是解决食品领域所面临问题的重要途径。本文首先介绍了合成生物学对食品制造领域创新和突破的重要性。其次，以基于合成生物学制造植物蛋白肉所需关键组分、黄酮类植物天然提取物和母乳寡糖这三种典型食品为例，探讨了目前食品合成生物学的任务与挑战。最后，对我国合成生物学与食品制造领域的发展趋势进行了总结和展望。通过加强食品合成生物学等具有重大意义的食品生物技术的开发和应用，开展新食品资源开发和高值利用、多样化食品生产方式变革、功能性食品添加剂和营养化学品制造，并率先实现产业化，将抢占世界科技的前沿和产业高地，造福人类。

微生物药物的合成生物学研究进展

饶聪, 云轩, 虞沂, 邓子新

2020, 1(1): 92-102. doi:10.12211/2096-8280.2020-036

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微生物天然产物一直都是新型生物药物创新的主要源泉，是目前开发临床抗菌、抗肿瘤、免疫抑制剂等药物的重要资源。随着临床耐药菌的日益增多，新型病原菌和病毒的不断出现，以及新骨架天然产物挖掘难度的增加，新型微生物药物的开发正面临着巨大挑战。作为21世纪生命医学领域催动原创突破和学科交叉融合的前沿学科，合成生物学的崛起为解决药物研发困境提供了新的思路和方法，它可以突破天然药物发现的瓶颈，设计新的生物合成途径，产生更多天然药物及类似物。本文综述了近五年来合成生物学在微生物药物研究领域的技术革新，及其在氨基糖苷类抗生素、核苷类抗生素、核糖体肽、萜类以及聚酮类化合物等5大类微生物天然药物的发掘、生物合成以及新结构创制等方面的应用。

基因密码子拓展技术的方法原理和前沿应用研究进展

付宪, 林涛, 张帆, 张惠铭, 章文蔚, 杨焕明, 朱师达, 徐讯, 沈玥

2020, 1(1): 103-119. doi:10.12211/2096-8280.2020-007

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自然界生物根据其高度保守的密码子表来对20种天然氨基酸进行基因编码，这些种类有限的氨基酸构成了天然蛋白质合成的基本构筑单元。生物在漫长进化中通过改变蛋白质中氨基酸的排列顺序来丰富其结构与功能,但上述过程是随机的，缺乏可控性。拓展用于蛋白质合成的氨基酸种类亦可实现对蛋白质结构和功能的改变与操纵。通过对中心法则中翻译系统的设计与改造，基因密码子拓展技术可将非天然氨基酸特异性地引入到细胞内目标蛋白的指定位点，利用非天然氨基酸中特殊的官能团赋予目标蛋白新的物理化学性质，最终达到蛋白质功能创新的目的。本文主要介绍基因密码子拓展技术中翻译工具开发和适配底盘改造研究相关的原理、技术和前沿进展，讨论其在蛋白质功能调控、生物医药、生物防控等新兴领域应用中的成果进展与未来展望。

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