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2021年 第2卷 第2期    刊出日期：2021-04-30

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2021, 2(2):  0. 

摘要 ( 526 )   PDF (643KB) ( 539 )  

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特约评述



合成生物制造进展

张媛媛, 曾艳, 王钦宏

2021, 2(2):  145-160.  doi:10.12211/2096-8280.2020-052

摘要 ( 3990 )   HTML ( 572)   PDF (2003KB) ( 3992 )  

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合成生物制造是以合成生物为工具进行物质加工与合成的生产方式，有望彻底变革未来医药、化工、食品、能源、材料、农业等传统模式，触发新的产业变革，引领新的产业模式和经济形态，重塑碳基物质文明。合成生物制造具有清洁、高效、可再生等特点，能够减少工业经济对生态环境的影响。本文综述了近年来合成生物制造在大宗发酵产品、精细与医药化学品、可再生化学品与聚合材料、天然产物、未来农产品以及一碳原料利用方面的重要进展，对各领域代表性重大产品的技术进展及产业应用状况与潜力进行了探讨。未来，随着合成生物学发展，以及与人工智能、大数据等新技术的融合，通过合成生物制造可以获得更多的生物基产品，促进生物经济形成，更好地服务于人类社会的可持续发展。



合成生物学助力废弃塑料资源生物解聚与升级再造

钱秀娟, 刘嘉唯, 薛瑞, 刘豪杰, 闻小红, 杨璐, 徐安明, 许斌, 信丰学, 周杰, 董维亮, 姜岷

2021, 2(2):  161-180.  doi:10.12211/2096-8280.2020-087

摘要 ( 2101 )   HTML ( 212)   PDF (3067KB) ( 2636 )  

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石油基合成塑料因高分子量、高疏水性及高化学键能等特性难以被生物降解，在环境中不断累积，由此导致的“白色污染”已经成为一个全球性环境问题。填埋和焚烧是目前塑料垃圾处置最简单、常用的方法，但随之带来的是更为严重的环境二次污染问题。为解决这一问题，开发绿色高效的废塑料资源回收利用技术，从源头解决塑料污染，成为发展塑料循环经济的关键。利用微生物/酶将塑料降解为寡聚体或单体，或进一步转化为高值化学品，因反应条件温和、不产生二次污染等优点将成为废塑料污染治理与资源化的新途径。本文详细介绍了废塑料生物解聚与转化方面的最新研究进展，包括塑料降解微生物和酶的挖掘、混菌/多酶体系的设计与构建、塑料解聚机制，以及塑料解聚物到化学品、能源、材料等高附加值产品的转化。然而，废塑料生物降解过程中仍存在降解元件匮乏、降解效率低、降解物难以利用等技术瓶颈。随着合成生物学的快速发展，利用高通量筛选、进化代谢、生物信息学等先进的生物技术，解析降解关键酶的催化机制、定向设计与改造降解酶、研究混菌体系中菌株间互利共生关系与适配机制、设计并构建不同塑料降解物的代谢通路成为废塑料生物降解研究的重点方向。通过建立废塑料生物降解与高值化利用平台，可为巨量的废塑料资源循环利用提供新的理论基础和关键技术，为我国塑料循环经济发展提供经济、环保、可行的技术支撑。



人工合成微生物组的构建与应用

徐昭勇, 胡海洋, 许平, 唐鸿志

2021, 2(2):  181-193.  doi:10.12211/2096-8280.2020-062

摘要 ( 2499 )   HTML ( 295)   PDF (1958KB) ( 2188 )  

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近年来，随着微生物组学、计算生物学、合成生物学等研究的迅猛发展，人工构建高效稳定的人工菌群逐渐成为研究热点，从而衍生出新的研究领域，被称为合成微生物组。合成微生物组的研究，是通过对不同的微生物菌株进行整合，高效、稳定、安全地处理更复杂的任务，完成单一菌株无法完成的目标，从而满足更广泛的需要。本文简述了构建合成微生物组需要遵循的基本原则、四种策略，回答如何构建微生物组的问题，介绍了“自下而上”和“自上而下”两种构建合成微生物组的方法，回顾了合成微生物组在工业生产和环境修复领域的具体应用，例如生物能源、化工产品、生物医药的合成，以及石油、石油衍生物、农药等污染物的生物修复，为微生物技术的实际应用开拓了新的方向。最后，通过综合分析表明，挖掘代谢信息明确的合成微生物组底盘菌株并加以遗传改造，使其适应更复杂的环境，将是未来的研究重点。



梭菌正丁醇代谢工程研究进展

闻志强, 孙小曼, 汪庆卓, 李亚楠, 刘文正, 蒋宇, 杨晟

2021, 2(2):  194-221.  doi:10.12211/2096-8280.2020-080

摘要 ( 1365 )   HTML ( 114)   PDF (3940KB) ( 1713 )  

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正丁醇是大宗化学品和可再生、替代性车用燃料，可由微生物发酵生产，以替代现有的高污染/不可持续的石油炼制方法。本文首先回顾和比较了各种正丁醇合成途径和底盘细胞，指出梭菌是天然的正丁醇细胞工厂，且在丁醇产量和生产强度上有明显优势，但仍受制于菌株性能不足，具体表现在菌株遗传改造困难，正丁醇产量不高，副产物较多，正丁醇合成途径刚性强，以及底物利用效率低等方面。幸运的是，合成生物学的发展加速了产正丁醇梭菌的遗传操作工具开发。很多遗传操作工具如TargeTron、CRISPR/Cas系统介导的基因和碱基编辑工具已经被开发出来。梭菌内已经可以高效实现靶标基因插入、删除、替换、点突变以及表达水平调控等各种操作，这为梭菌正丁醇代谢工程奠定了良好的基础。正丁醇合成途径的增强及副产物如丙酮、乙酸、丁酸等竞争途径的弱化或者删除，提升了丁醇的产量、比例；同时，一些非常规梭菌被代谢工程改造用于同型丁醇发酵，实现丁醇与丙酮生产的解耦；另外，遗传操作工具还为梭菌的戊糖转运/代谢途径以及碳源代谢抑制效应的调控机制的解析和重构提供了便利，极大改善了梭菌戊糖利用效率。相信在合成生物技术的驱动下，梭菌生产正丁醇的成本将大幅降低，最终走向市场。



合成甲基营养细胞工厂同化甲醇的研究进展及未来展望

张卉, 袁姚梦, 张翀, 杨松, 邢新会

2021, 2(2):  222-233.  doi:10.12211/2096-8280.2020-048

摘要 ( 1251 )   HTML ( 120)   PDF (1895KB) ( 1758 )  

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甲醇具有来源广、易储存运输、原料价格竞争力强等优势，被视为极具潜力的生物制造非糖基碳源资源。常用的模式底盘微生物研究历史长、认知清楚、操作工具多，在工程化改造中具有显著优势。近年来，通过借鉴天然甲基营养型微生物的甲醇利用途径对模式底盘进行改造，获得具备高效利用甲醇能力的合成甲基营养细胞工厂的研究日益受到关注。本文系统综述合成甲基营养细胞工厂的甲醇氧化、同化基因及其调控元件，和以共用糖基碳源结合适应性进化策略为主的核酮糖单磷酸途径重构及甲醇同化途径设计构建的研究现状，进而结合合成甲基营养细胞工厂面临的挑战进行展望，提出基于全基因组靶向基因编辑技术结合实验室适应性进化策略构建更高效合成甲基营养细胞工厂的研究方向。



细菌群体感应元件构建和工程应用

周爱林, 刘奕, 巴方, 钟超

2021, 2(2):  234-246.  doi:10.12211/2096-8280.2020-066

摘要 ( 1822 )   HTML ( 170)   PDF (3314KB) ( 1732 )  

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群体感应现象指的是微生物通过独特的交流方式使不同菌个体间的行为同步，从而展现群体性行为。当前在微生物群体感应系统方面的研究，除了促进或抑制天然群体感应方面的基础研究外，研究人员逐渐开始将群体感应系统引入到合成生物学的工程应用研究，并且将其广泛运用在医学、工业、环境等应用领域。本文主要总结了细菌群体感应元件在构建过程中的常用策略与方法，并探讨了基于群体感应基因元件改造的工程菌在动态代谢调节、周期性振荡呈现、异种菌种间关系的构建等方面的应用。 群体感应元件的研究主要包括新群体感应元件的开发和针对已有群体感应元件的优化。通过模拟、优化群体感应元件并将其模块化，研究人员构建了丰富的群体感应基因元件库，使群体感应能被灵活应用于不同场景。另外，通过在细菌中引入群体感应基因回路，可以将单个细菌内部的各类反馈回路较好地拓展到整个细菌群体中，而这种多细胞体系的构建，使得更多复杂的功能得以实现，如通过群体感应实现动态代谢调节从而提高发酵效率，或实现群体周期性振荡以释放肿瘤杀伤药物等。此外，环境中异种微生物的关系也可以通过外源引入群体感应来进行调控，这为微生物的共培养提供了新工具，更为复杂的合成生物学系统的建立提供了新思路。随着机器学习等计算机领域的发展，未来可以更多借助计算机来设计复杂群体感应回路，并对外源群体感应引入后的效果做出更精准的预测。



基因组设计与合成：从复写到理性设计

汪君仪, 武晓乐, 曹月阳, 李炳志

2021, 2(2):  247-255.  doi:10.12211/2096-8208.2020-051

摘要 ( 1399 )   HTML ( 146)   PDF (1779KB) ( 1415 )  

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基因组合成相关技术的进步推动人工基因组合成能力不断取得突破，合成基因组学成为了近年来的研究热点，逐步完成了病毒、原核生物基因组的全合成，真核生物基因组设计合成也取得了阶段性突破。在基因组合成的研究过程中，基因组设计的原则不断拓展，基因组设计的尺度由病毒及噬菌体基因组成功复写发展到蕈状支原体JCVI-syn3.0基因组大幅度简化，在真核生物酿酒酵母基因组合成中探索多种基因组设计原则。本文主要综述了人工基因组设计的相关进展，主要内容包括：①人工基因组密码子的改变：外源基因密码子的优化，密码子丰度转变原则的探究，大肠杆菌中密码子的删除；②人工标签的添加及应用：利用同义密码子替换在合成型基因组中添加标签以区分合成型与野生型基因组；③人工位点的添加：酿酒酵母合成型染色体重组系统的开发，优化及应用；④基因组简化方面的研究；⑤对基因组理性设计、基因组简化规律挖掘等进行了展望。



工业丝状真菌基因组编辑技术研究进展

刘倩, 李金根, 张晨阳, 李芳雅, 田朝光

2021, 2(2):  256-273.  doi:10.12211/2096-8280.2020-073

摘要 ( 1468 )   HTML ( 109)   PDF (2615KB) ( 2032 )  

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丝状真菌（filamentous fungi）是广泛存在于自然界中的一类多细胞真核微生物，是酶制剂、有机酸、抗生素的核心生产体系，在生物技术中发挥着非常重要的作用。由于丝状真菌的生长发育较为复杂，其遗传体系和基因组编辑技术发展相对较慢，妨碍了丝状真菌基础研究和开发利用的快速发展。近年来，核酸酶介导的基因组编辑技术已经发展成为一种功能强大的基因组编辑工具，在生物技术领域的应用得到广泛关注，其中RNA介导的CRISPR系统（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）已经成为新一代基因组编辑技术体系。文章将对目前使用最为广泛的3种基因编辑系统，包括CRISPR-Cas技术的发展历程进行概述，对CRISPR-Cas技术在丝状真菌基因组编辑中的研发进行系统介绍，包括在工业丝状真菌中的研发应用，例如鉴定次级代谢产物的关键基因并提高次级代谢物的生产能力、将外源基因定点整合到基因组上从而提高异源蛋白的表达、遗传重构蛋白分泌途径提高工业酶的产量等，最后对CRISPR-Cas基因组编辑技术及其衍生系统在丝状真菌的真菌基因功能研究、代谢途径重构、精确表达调控、蛋白定向进化以及高性能底盘构建等方面进行了展望。



CRISPR-Cas系统编辑丝状真菌的进展与挑战

肖晗, 刘宜欣

2021, 2(2):  274-286.  doi:10.12211/2096-8280.2020-078

摘要 ( 1768 )   HTML ( 134)   PDF (2035KB) ( 1628 )  

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丝状真菌是一类在蛋白分泌、活性次级代谢物生产、环境污染治理等方面起着重要作用的微生物，关于它们的各项基础和应用研究均高度依赖基因编辑平台。然而，丝状真菌的顶端生长、异核性、同源重组效率低和遗传标记匮乏等生理特点为构建这类微生物成熟的基因编辑平台带来挑战。近年来，基于RNA介导的CRISPR-Cas （clustered regularly interspaced short palindromic repeat/CRISPR-associated protein）系统在丝状真菌中得到越来越广泛的应用。由于构成简单、靶向特异，CRISPR-Cas系统极大促进了丝状真菌的基因编辑，包括基因插入、缺失、碱基转换和转录激活等。编辑的基因包括标记基因、非筛选标记的其他功能基因、功能未知的基因，甚至多个基因。编辑的尺度包括从1个碱基变化到缺失48 kb的基因簇。此外，借助精妙的同源重组供体设计和中断宿主NHEJ的关键基因，CRISPR-Cas系统能在特定位点引入精准修饰。本文围绕CRISPR-Cas系统的递送、体内表达、同源臂设计和宿主改造几方面重点介绍了该系统编辑丝状真菌近三年的进展。转化效率低和编辑效率低是现阶段CRISPR-Cas系统编辑丝状真菌存在的问题。针对这些问题，本文还讨论了可能的解决办法，为构建丝状真菌成熟的基因编辑平台提供了思路。



酿酒酵母适应性实验室进化工具的最新进展

李祎, 林振泉, 刘子鹤

2021, 2(2):  287-301.  doi:10.12211/2096-8280.2020-077

摘要 ( 2292 )   HTML ( 193)   PDF (3124KB) ( 2634 )  

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酿酒酵母作为重要的模式生物和微生物细胞工厂已广泛用于代谢工程、系统生物学和合成生物学研究。由于微生物系统代谢和调控网络的复杂性，通过人工理性设计及基因扰动难以获得鲁棒性较好的表型，因此进化工程在构建稳定的微生物细胞工厂中发挥着重要作用。微生物适应性实验室进化工程通过模拟自然进化过程，构建大量遗传多样性的突变库，经过筛选可快速获得稳定性状的菌株。随着合成生物学和系统生物学的发展，研究人员开发了多种基因组规模的多位点快速进化工具，并结合计算机辅助进化系统实现了自动化连续进化技术。本综述着重介绍在酿酒酵母中基因组规模的多位点快速进化，包括合成型酿酒酵母基因组重排（SCRaMbLE）、寡核苷酸介导的多位点进化工具（YOGE和eMAGE）和基于CRISPR系统的多位点编辑（CHAnGE、MAGESTIC、Target-AID和yEvolvR）等基因组规模的进化策略的研究；以及自动化连续进化技术（eVOLVER、ICE和ACE等）。利用合成生物学方法通过在基因组水平进行多位点快速编辑或连续进化以产生具有遗传多样性的细胞群体，并在特定的筛选条件下对目标突变株进行富集，进而解析其基因型表型关系，可实现在短期内快速高效识别适应性进化的关键因素和协同作用。最后展望了实验室适应性进化工程与计算机辅助设计、自动化技术有机结合的机遇和在高通量筛选方向的挑战。