合成生物学

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2020, 1(6): 0.

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合成微生物群落研究进展

曲泽鹏, 陈沫先, 曹朝辉, 左文龙, 陈业, 戴磊

2020, 1(6): 621-634. doi:10.12211/2096-8280.2020-012

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合成微生物群落属于合成生物学和微生物组学的交叉领域，是新兴的研究方向。合成微生物群落是人工合成的多个物种共培养的微生物体系，具有组成明确、可操控性高等特点，在研究微生物组的功能和生态机制方面有着明显的优势。本文将从以下几个方面介绍合成微生物群落的研究进展：①微生物群落生态学，包括微生物之间的相互作用、宿主和其他环境因素对群落结构的影响；②合成微生物群落的研究方法，围绕设计-构建-测试-学习循环；③合成微生物群落在多个领域的应用，包括人体疾病治疗、植物抗逆、工业生产、环境修复等多个领域。最后，提出了合成微生物群落领域有待解决的重要问题，包括如何构建可控和稳定的微生物互作网络、如何表征和控制微生物群落的空间结构以及如何精准地控制微生物群落的功能。

噬菌体合成生物学研究进展和应用

袁盛建, 马迎飞

2020, 1(6): 635-655. doi:10.12211/2096-8280.2020-027

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噬菌体是地球上多样性最高和最丰富的生物体，也是合成生物学研究中重要的模式生物。噬菌体基因组相对较小，结构简单，是研究基本生命过程最简单的生物系统。通过对噬菌体基因组进行编辑，乃至重新设计、合成噬菌体基因组，获得具有新的功能的噬菌体，是当前噬菌体合成生物学研究的重要内容。本文综述了当前合成生物学在解决天然噬菌体的基础研究和应用研究中的主要进展，如通过人工改造的噬菌体已成功用于提高噬菌体的侵染效率，调节噬菌体宿主范围，降低噬菌体毒性和免疫原性，提高给药后噬菌体存活周期，提高噬菌体对生物膜的降解等；此外，噬菌体展示、噬菌体辅助的持续进化和噬菌体介导的DNA转导等也成为合成生物学研究中强大的工具。总之，合成生物学的发展将为模块化设计噬菌体作为多功能生物制剂、控制多重耐药细菌、病原体检测、药物开发、菌群的调控、药物递送，甚至噬菌体纳米材料等铺平道路。

微生物细胞工厂的设计构建：从诱变育种到全基因组定制化创制

袁姚梦, 邢新会, 张翀

2020, 1(6): 656-673. doi:10.12211/2096-8208.2020-050

摘要 ( 3178 )

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微生物细胞工厂（microbial cell factories，MCFs）被广泛用于生产丰富多样的化学品、食品、药品和能源，是绿色生物制造的核心环节。早期主要通过天然微生物的筛选和诱变育种的方式获得高产菌种，然而作为一种“以时间（人力）换水平”的非理性策略，其创制效率极低。随着分子生物学和基因工程研究方法的不断发展，对微生物系统认知和改造能力的进步促使代谢工程学科诞生。基于生物学知识的理性/半理性代谢工程设计和构建策略，目前已发展了从分子、途径到基因组层次不同的MCFs设计和工程化构建策略。本文结合实际案例对MCFs的设计及构建策略进行综述，首先回顾传统诱变育种和代谢工程指导的理性/半理性设计策略，探讨如何突破代谢工程经典框架的限制，实现全基因组水平定制化MCFs的快速构建，最后对这一新的构建范式的未来进行展望。

大宗化学品细胞工厂的构建与应用

于勇, 朱欣娜, 张学礼

2020, 1(6): 674-684. doi:10.12211/2096-8280.2020-049

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随着合成生物学技术的发展，越来越多的大宗化学品可通过微生物细胞工厂发酵生产，为摆脱石油资源依赖、节能减排提供了可能。本文首先介绍了细胞工厂构建所需的关键技术，包括基因组编辑技术、多基因同时调控技术、蛋白骨架技术、基因动态调控技术、高通量筛选技术。随后结合丁二酸细胞工厂这一具体案例，从物质代谢、能量代谢及细胞生理代谢三方面阐述了如何解析微生物高效合成化学品的代谢调控机制，为高效细胞工厂创建奠定理论基础。并对近年来成功构建的大宗化学品细胞工厂作了举例介绍，包括L-丙氨酸、L-甲硫氨酸、丁二酸、D-乳酸、丙二酸、L-苹果酸、戊二酸、己二酸、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇和异丁醇等。未来，进一步增加原料利用效率和拓宽产物范围是微生物细胞工厂的发展方向，但新酶设计与改造是限制代谢途径设计的主要瓶颈。相信随着研究的深入，微生物细胞工厂将在替代化学法生产大宗化学品方面有更广泛的应用。

基于非天然结构组件的人工酶设计与应用

袁飞燕, 于洋, 李春

2020, 1(6): 685-696. doi:10.12211/2096-8280.2020-008

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人工酶是由人类设计得到的具有类似天然酶活性的催化剂。人工酶设计可能成为天然酶研究的补充，揭示天然酶的催化机理，实现天然酶尚未实现的作用。酶由20种天然氨基酸残基以及有限种类的辅因子组成，限制了蛋白质可实现的结构、反应性和功能空间。通过在蛋白质中引入非天然结构组件，包括非天然氨基酸和非天然辅因子，可以得到具有较高催化活性或全新反应性的人工酶。本文总结了引入非天然氨基酸和非天然辅因子构建人工酶和高效制备此类人工酶的策略，并以参与氧化还原反应的人工金属酶为例，探讨构建人工酶的方法，包括通过基因密码子扩展技术引入含生物正交反应基团或金属螯合基团的非天然氨基酸，或通过非共价、共价相互作用在骨架蛋白中引入非天然金属卟啉和其他金属有机催化剂，展望了引入非天然结构组件结合计算设计或代谢工程构建人工酶的新方法，这有助于实现媲美天然酶效率的人工酶的设计与应用。

DNA合成、组装与纠错技术研究进展

彭凯, 逯晓云, 程健, 刘莹, 江会锋, 郭晓贤

2020, 1(6): 697-708. doi:10.12211/2096-8280.2020-034

摘要 ( 2708 )

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DNA设计合成是推动生命科学及其相关领域发展的关键共性底层技术。常规的遗传操作技术仅能对已有的DNA序列进行有限的改造，而DNA合成技术则可从头“书写”生命信息，从另一高度提升我们对生命体理解、预测和操控的能力。DNA合成技术包括寡核苷酸合成技术、DNA组装技术以及DNA纠错技术。本文总结了以上关键技术的特点和发展趋势，经历超过60年的发展后，化学合成法仍然是当前寡核苷酸合成的主流方法，它被广泛应用于柱式及芯片DNA合成仪，酶法DNA合成技术则有望颠覆传统的DNA化学合成方法；现有DNA合成技术在合成能力和准确性上存在局限，难以直接准确合成基因长度的DNA片段，分级的体外与体内组装技术的合理搭配，可将分段合成的寡核苷酸片段装配成长片段DNA，达到基因长度甚至基因组长度DNA序列的合成，它也因此成为长片段DNA合成的关键；寡核苷酸的合成与组装过程都不可避免地引入错误，基于错配结合或错配切除的纠错技术在DNA合成过程不同阶段的应用，不仅能提高DNA合成的准确性，还可有效降低长片段DNA合成的质控成本。近年来合成生物学等相关领域的迅猛发展，对DNA合成相关技术提出了新的要求，正推动DNA合成、组装与纠错相关技术向着高通量、自动化和集成化的方向不断改进和创新。

酵母终止子工程：从机理探索到人工设计

盛月, 张根林

2020, 1(6): 709-721. doi:10.12211/2096-8280.2020-009

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生物系统的复杂性为生物元器件的构建提出了挑战，新型控制元件的发现和稳定可调节的元件设计成为合成生物学的重要内容之一。终止子作为基因元件独立于编码基因行使终止转录的功能，是一种重要的合成生物学控制元件。研究表明终止子作用有强有弱，终止子的选择会直接影响mRNA的量，并且随着终止子结构与功能的逐渐清晰和对转录终止机理的深入解析，以短小、可控、可设计为特征的终止子工程得以快速发展。本文以常规酿酒酵母为基础，系统总结了酿酒酵母中终止子元件在结构发现、功能表征、转录终止机理方面的最新研究进展，并讨论了终止子的人工设计及在途径工程精细调控领域的应用情况，展望了终止子工程面临的挑战、可能的解决途径及在非模式酵母中发展的潜力和意义。这为研究人员开发合成生物学元件和异源合成途径优化提供了科学的理论参考。

达托霉素生物合成过程的调控机制研究进展

方教乐, 吕中原, 孙晨番, 刘一帆, 徐炜锋, 毛旭明, 李永泉

2020, 1(6): 722-731. doi:10.12211/2096-8280.2020-020

摘要 ( 1543 )

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微生物是天然产物类药物的重要来源之一，其中许多链霉菌来源的抗生素类药物一直活跃在对付细菌感染的前沿阵地。然而随着“超级细菌”的陆续发现，以及新药研发速度的滞缓，人类尚缺乏“超级细菌”的最终治疗手段。达托霉素是由玫瑰孢链霉菌（Streptomyces roseosporus）经发酵产生的一种新型环脂肽类抗生素，由于其独特的结构及特殊的药物机制，被视为多重耐药革兰阳性细菌引起的重症感染的最后一道防线。然而在工业发酵过程中，达托霉素的生物合成水平很低，有极高的提升潜力。本文总结了近年来国内外相关达托霉素合成的调控机制研究，包括调控蛋白的挖掘、途径特异性调控机制、级联调控途径、脂酰前体合成途径、GBL信号途径与磷酸双组分系统及其协同调控机制等，揭示了次级代谢调控网络的复杂性，并阐述了通过调控通路重构实现达托霉素优质高产的策略。

《合成生物学》2020 年第1 卷文章索引

2020, 1(6): 0-0.

摘要 ( 45 )

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