合成生物学

本期中英文目录

2021, 2(4): 0.

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沉痛悼念中国生化工程界的引领者、指路人、教育家——王义翘教授

曹竹安

2021, 2(4): 445-445. doi:10.12211/2096-8280.2021-065

摘要 ( 388 )

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生化工程一代宗师：怀念恩师王义翘教授

李世雄（Steven Lee）

2021, 2(4): 446-454. doi:10.12211/2096-8280.2021-038

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缅怀王义翘教授——生物化学工程学科的奠基人，学界和业界的泰斗

陈克勤

2021, 2(4): 455-457. doi:10.12211/2096-8280.2021-037

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缅怀恩师王义翘博士——生在中国、长在美国、服务全球的工业生物技术泰斗

谢良志

2021, 2(4): 458-464. doi:10.12211/2096-8280.2021-052

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纪念Daniel I.C. Wang教授——先生教书育人的几个片段及科研与教育并重精神的薪火相传

焦鹏

2021, 2(4): 465-467. doi:10.12211/2096-8280.2021-044

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生化工程界的引领者——悼念王义翘教授

于慧敏

2021, 2(4): 468-469. doi:10.12211/2096-8280.2020-093

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王义翘先生和BPEC对生物化学工程发展的巨大作用

苏志国

2021, 2(4): 470-481. doi:10.12211/2096-8280.2020-095

摘要 ( 951 )

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王义翘先生是美国麻省理工学院生物技术过程工程中心（BPEC）的创始人。在他的领导下，BPEC通过协同创新和生物化学工程（生化工程）的前沿探索，取得了显著的成就。（1）引领了生化工程进入生物制药新时代。与最初的生化工程概念相比，BPEC的重点发生了很大的转变，目标分子不再局限于抗生素、化学品和燃料等小分子，而是拓展到抗体、细胞因子、血液蛋白质和疫苗抗原等生物大分子，解决这些生物药品大规模生产所遇到的工程科学问题。（2）开启了动物细胞培养工程。当细胞生物学家忙于通过增加滚瓶的数量来扩大生产时，BPEC通过流体力学和传质分析，最大限度地减少剪切应力和扩散限制，成功地实现了动物细胞的生物反应器培养，设计出大规模培养的最佳培养基组成和添加策略，获得了蛋白质翻译后修饰随时间变化的规律，提高了动物细胞反应器的目标蛋白质产量。（3）创新了高质量生物大分子的分离纯化技术，建立了亲和膜、反胶束、电辅助分离等新方法。利用准弹性光散射技术，研究了蛋白质的再折叠和聚集机制，发明了聚乙二醇稳定再折叠中间体的新技术。（4）建立了生化工程协同创新和人才培养体系，促进了BPEC成员之间密切合作和与生物技术企业的密切合作，吸引和培养了众多在生化工程领域有建树的年轻人才。本文还对王义翘先生和BPEC对我国生化工程发展的启示和借鉴做了简要的评述。

生物药产业蓬勃发展早期的奠基性系统开发——缅怀王义翘教授的开创性研究和成就

谢良志

2021, 2(4): 482-496. doi:10.12211/2096-8280.2021-051

摘要 ( 637 )

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以单克隆抗体药物及重组蛋白为代表的生物药在肿瘤、自身免疫性疾病、病毒感染等多个重大疾病的预防及治疗领域发挥了重要作用，已成为全球制药行业的主攻方向之一。动物细胞培养技术和工艺放大是生物药产业化的核心技术，存在巨大挑战，在20世纪90年代初仍被认为是一个很难破解的“黑箱”，是制约行业发展的关键瓶颈之一。自60年代开始，王义翘教授领导的实验室和美国麻省理工学院生物技术工程中心（Biotechnology Process Engineering Center， MIT-BPEC）对动物细胞培养技术进行了全方位系统的研究和探索，涵盖了从贴壁细胞的微载体培养到CHO细胞的无血清悬浮培养，从批次培养、连续培养、灌流培养到高密度流加培养过程中的关键技术和工程问题，包括细胞代谢有毒副产品的控制、高密度流加培养工艺的过程控制、蛋白质糖基化多样性质量分析和控制、搅拌和鼓泡导致的细胞损伤等关键瓶颈。王义翘教授团队数十年的前瞻性研究和多学科交叉合作在动物细胞代谢调控、数十种营养物质的化学计量平衡配比、无血清培养基的开发、有毒代谢副产物的控制、大分子生物药的糖基化多样性分析和质量控制、生物反应器的设计和工艺放大等一系列关键技术的研发方面取得了突破性的前沿成果，为90年代后高密度流加培养工艺在生物技术产品大规模商业化生产中的广泛应用奠定了坚实的基础，为推动全球生物制药技术和产品的蓬勃发展做出了不可磨灭的伟大贡献。本文作者结合90年代初期在王义翘教授实验室学习期间的亲身经历，试图从自己熟悉的专业领域总结王教授团队在生物药产业化起步阶段针对动物细胞培养的关键技术攻关方面取得的重要成果，从一个侧面概述王教授1965—1995三十年间所开展的前沿性研究对全球生物制药此后近30年来的蓬勃发展所做出的奠基性工作和杰出贡献。谨以此文致敬和缅怀恩师王义翘教授！

忆王义翘教授对生物炼制的贡献和我对此领域未来发展的观点

张以恒

2021, 2(4): 497-508. doi:10.12211/2096-8280.2021-003

摘要 ( 1378 )

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本文目的是回忆王义翘（Daniel I. C. Wang）教授对生物炼制领域的贡献，以及作者与王教授在该领域的交往、互动和激励，并且作者针对生物炼制领域几个问题提出个人观点。王教授大力地推动多学科交叉的研究创新，使生化工程正式发展成为化学工程的一个前沿分支。为面向重大需求，王教授一生中多次调整他的科研方向。基于粮食原料的第一代生物炼制工厂生产工艺已经十分成熟，但对粮食安全和环境有着负面影响，发展受限。因为当前石油价格下行，基于非粮生物质的第二代生物炼制工厂受到预处理和纤维素酶成本的限制，举步维艰，在经济上暂时还缺乏可行性。未来的新生物炼制工厂能够将非粮生物质（如秸秆）有效地转化为多个产品，如粮食和饲料、健康糖以及众多大宗生物产品（如燃料和材料）。多种新生化工程工具的发展和使用将有助于新生物精炼厂的实现，例如整合生物加工、新酶发现和利用、体外合成生物学（如多酶分子机器）、基因工程、合成生物学等。未来的新生物精炼厂将具有工业可放大性、经济可盈利性和环境可持续性的性质。种植多年生的非粮作物和未来生物炼制工厂相结合，将有可能帮助解决中国社会经济发展所面临的重大需求，如粮食安全、能源安全、大健康以及环境保护等。

纪念王义翘教授：解脂耶氏酵母替代植物油脂的技术瓶颈及展望

徐鹏

2021, 2(4): 509-527. doi:10.12211/2096-8280.2021-041

摘要 ( 2250 )

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构建细胞农业经济是解决资源短缺、降低温室气体排放、延缓全球变暖和实现可持续性经济发展的重要手段之一。微生物细胞工厂具有易于遗传改造、便于工程放大和高效利用可再生资源的优势，成为了现代生物制造的重要组成部分。王义翘教授是现代生化工程技术的开创者和奠基人，本人及同事（乔康健博士、胡鹏博士、周康博士等人）在Stephanopoulos实验室所从事的构建油脂细胞工厂的工作，受益于王先生在MIT所创建的生物工程技术中心。植物油脂具有2000多亿美元的年均市场需求，本文从植物油脂需求激增所造成的负面环境效应出发，分析了目前植物油脂的市场供应现状。产油酵母细胞工厂具有替代植物源油脂的巨大潜能。本文围绕产油酵母的代谢工程遗传改造策略，总结了如何提高碳源转化率、油脂产量、油脂生产速率和菌体生长适用性；进一步归纳了构建高效解脂耶氏酵母细胞工厂的主要技术瓶颈，其中包括产油菌株的高通量筛选和表型鉴定技术、产油酵母的代谢调控机制和发酵动力学模型等。作者进一步探讨了以蔗糖作为原材料，生产植物源功能性油脂的经济可行性和技术可行性。作者预测解脂耶氏酵母具有极大的潜力，可以解决当前高附加值油脂（比如用于巧克力生产的可可脂，潜在市场为500亿美元）的市场需求。开发产油酵母微生物资源，提供健康的功能性油脂，将会解决一系列能源、健康食品和环境资源等问题，促进我们迈向低碳性和可持续性的经济运转模式。

人造蛋白功能材料的生物合成及应用

曾丹, 储建林, 陈燕茹, 范代娣

2021, 2(4): 528-542. doi:10.12211/2096-8280.2020-091

摘要 ( 1468 )

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人造蛋白功能材料具有良好的生物相容性和生物可降解性，来源广泛且功能多样，是一类理想的生物材料，在生物工程、医药、军事和纺织等领域具有广泛的应用前景。然而，现阶段蛋白功能材料的微生物合成仍存在表达量低、性能不稳定等问题，严重限制了这些蛋白材料的高效生产与应用。合成生物学在工程化理念的指导下，为人造蛋白功能材料提供了“精准设计—系统构建—调控表达—工程应用”的研究策略。本文介绍了蛛丝蛋白、蚕丝蛋白、类人胶原蛋白和贻贝蛋白等主要蛋白功能材料的生物合成研究进展，并阐述了人造蛋白细胞工厂的构建、蛋白的调控表达和其在组织工程材料等领域的应用现状。具有动态响应特性的人造蛋白功能材料是未来的研究方向。

从单酶催化到多酶级联催化——从王义翘教授在酶技术领域的贡献说开去

吴淑可, 周颐, 王文, 张巍, 高鹏飞, 李智

2021, 2(4): 543-558. doi:10.12211/2096-8280.2021-004

摘要 ( 3140 )

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作为国际生物工程和生物技术领域的奠基人和业界泰斗，麻省理工学院王义翘教授几十年来的研究涵盖了生化工程的上、中、下游的众多方向。在酶技术领域，他在早期就完成了几项标志性的工作，例如鱼蛋白的酶消化、甲醇氧化酶的固定化、无细胞多酶合成、非水相酶催化等。从2005年开始，王教授在十年间通过新加坡-麻省理工联盟（Singapore-MIT Alliance）项目和新加坡国立大学李智教授联合指导了数名博士生，并在酶技术的几个子方向上取得了重要成果，包括：①开发了酶固定化的方法用于构建高活力可回收的磁性纳米生物催化剂；②探索了P450单加氧化酶在水相-离子液体体系中的不对称亚砜化反应；③开发了基于通透全细胞的辅酶NADPH再生系统；④成功开发了模块化的多酶级联催化合成高值手性化合物，显著拓展了多酶级联催化的复杂度。其中，多酶级联催化因其“一锅法”的合成特性，避免额外的单元操作，节省人力、物力的投入和废弃物的产生等特点，近年来已经成为酶技术领域的研究热点。在介绍王教授相关工作之余，本文还总结了多酶级联催化在合成手性化合物和大宗化学品方面的最新进展，讨论了其未来的发展方向，并就其进一步整合合成生物学以及王教授所践行的定量化和工程化的理念进行了展望。

多酶催化体系在医药化学品合成中的应用

汤恒, 韩鑫, 邹树平, 郑裕国

2021, 2(4): 559-576. doi:10.12211/2096-8280.2021-028

摘要 ( 1921 )

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多酶催化体系成为近年来生物催化领域的研究热点。由于过程可控性及下游易分离的特性，越来越多的体外多酶催化体系已成功构建，部分体系还可耦合化学催化步骤，应用于精细化学品的合成。随着多酶催化体系构建技术的逐步成熟，将会给未来化工与医药类产品的生物制造带来广阔的应用前景。本文介绍了多酶催化体系的相关设计原则，通过对反应过程和合成路径进行热力学和动力学分析，设计高价值产物的生物合成路径，挖掘路径中的关键酶，结合各类新型组装策略将功能各异的酶级联组装成一个结构和功能整体，形成“底物通道”，减少中间体损失和降低副反应，实现从简单底物向复杂产物的高效生物转化。系统分析了多酶催化体系在医药化学品（如抗生素、抗癌药物、心血管疾病治疗药物、肝病治疗药物和精神疾病治疗药物及各类活性成分如D-葡萄糖二酸、萜类化合物和5-氨基乙酰丙酸）合成中的应用实例，并总结多酶催化体系仍存在的问题及可能的解决方法。

环脂肽生物合成的研究进展

侯正杰, 孙慧中, 白松, 陈新月, 曹春阳, 程景胜

2021, 2(4): 577-597. doi:10.12211/2096-8280.2021-008

摘要 ( 2028 )

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环脂肽化合物是一类结构新颖的环状肽类，其两亲性的物化特性决定了其独特的生物活性，可作为抗生素、生物表面活性剂等。在生物防治、药物开发、环境修复和疾病治疗等方面广泛应用，具有迫切的市场需求和广阔的发展前景。环脂肽类天然产物主要由非核糖体肽合成途径合成，由于环脂肽合成复杂的代谢网络和前体需求、专一且严格的合成途径、多种同系物的共存，制约着环脂肽合成的微生物开发和产品价值提升。本文主要介绍了来源于细菌界的环脂肽类物质的结构特性，非核糖体肽合成途径及非核糖体肽合成酶（non-ribosomal peptide synthetase，NRPS）的结构域特点，天然产物底盘菌株开发现状，通过基因工程、代谢工程方法进行同系物调控和生物合成策略，混菌对脂肽生物合成的影响，以及合成生物学在脂肽合成中的应用。随着合成生物技术的迅速发展和运用，环脂肽类天然产物的微生物合成也有望实现“质”和“量”的提升，以及促进新型脂肽的开发。

合成生物学研究中的微生物启动子工程策略

于慧敏, 郑煜堃, 杜岩, 王苗苗, 梁有向

2021, 2(4): 598-611. doi:10.12211/2096-8280.2020-092

摘要 ( 5247 )

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合成生物学研究对于我国绿色生物制造产业和可持续发展战略至关重要。启动子是合成生物学核心元件，是在转录水平上实现基因高效、精准表达调控的最关键因素之一。本文重点对原核微生物启动子工程研究的基本内容、研究进展及发展趋势进行了综述。首先概述了启动子序列基本特征及其受RNA聚合酶σ因子识别调控的一般规律；并以大肠杆菌乳糖操纵子为例简要介绍了诱导型启动子的负调控与正调控诱导机制。其次，分别从对靶基因自身内源启动子进行突变改造以及采用高效外源启动子进行替换改造这两个方面入手，阐述了启动子改造的常用策略。进一步对近年来公开报道的不同类型诱导型启动子进行了梳理，小结了代表性化学分子诱导剂以及物理信号诱导方式的种类及基本特征。简述了非模式和模式微生物组成型启动子的研究进展及研究侧重点。结合动态代谢调控技术及人工智能工具的突破性发展，提出具有动态调控功能的特殊启动子的发现与改造、全新性能启动子元件的人工智能设计与改造等将成为启动子工程研究的新方向与新前沿。最后分析了启动子工程领域存在的挑战性问题，展望了今后的研究重点，并结合合成生物学的发展，进一步强调了微生物启动子工程的重要作用。

大规模哺乳动物细胞培养工程的现状与展望

朱紫瑜, 王冠, 庄英萍

2021, 2(4): 612-634. doi:10.12211/2096-8280.2020-094

摘要 ( 1859 )

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近年来，随着对疫苗和治疗性蛋白类药物等多种生物制品需求量增加以及产品质量要求的提高，细胞大规模培养技术也不断发展。为了增加产量、降低成本，生产更安全有效的药物，大规模细胞培养过程的开发至关重要，而动物细胞的工艺优化和规模放大具有挑战性。提高细胞培养工艺表达量、扩大细胞培养生产规模、保证表达抗体质量稳定成为目前大规模细胞培养过程中亟待解决的问题，迫切需要进一步研究和开发细胞培养工艺。本文围绕以上问题，系统综述了通过优良细胞株的构建、培养基设计与无血清培养基的开发、基于过程分析技术（PAT）培养工艺的优化与放大，建立合适的大规模培养体系，实现细胞的高密度培养和产物的高效表达。与此同时，细胞培养过程中产生的多源异质数据基本依靠低效的人工处理与判断，缺乏深层次的全局因素考虑。为此，未来希望通过人工智能深度挖掘数据之间的关系并指导细胞培养过程工艺优化与放大，实现真正的智能生物制造。

人工多菌体系的设计与构建：合成生物学研究新前沿

刘裕, 韦惠玲, 刘骥翔, 王少杰, 苏海佳

2021, 2(4): 635-650. doi:10.12211/2096-8280.2021-031

摘要 ( 2178 )

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合成生物学的飞速发展拓展了单菌体系的功能。然而在重组菌株中，异源途径的过表达会增加底盘细胞的代谢压力，导致细胞中能量分配失衡，进而对底盘细胞的正常生长和目标产物的生物合成产生不利影响。作为一种更加新颖有效的生物合成平台，人工多菌体系在为目标产物的生物合成提供多样且适配的表达环境的同时，有效地分配底盘细胞的代谢负担，使得途径的全局调控更加灵活。本文明确指出了人工多菌体系是合成生物学领域中一个新的研究前沿，并以多菌体系的设计和构建为文章主旨，通过详细比较单菌体系和人工多菌体系的优缺点，突出人工多菌体系在生物合成中的优势，同时以人工多菌体系在近几年生物合成中的最新进展为实例，从途径分工的理性设计、菌群互作关系的理性设计、功能菌群时空有序分布以及基于模型算法指导下的多菌体系理性构建4个方面对人工多菌体系的设计原则和构建方法进行详细介绍。最后根据目前人工多菌体系存在的问题提出了有关人工多菌体系全局调控的方法，并对人工多菌体系的设计、构建以及在各种生物产品合成中的发展进行了展望。

创制非天然辅酶偏好型甲醇脱氢酶

王俊婷, 郭潇佳, 李青, 万里, 赵宗保

2021, 2(4): 651-661. doi:10.12211/2096-8280.2021-016

摘要 ( 1187 )

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有机一碳化合物甲醇是未来生物炼制产业的重要原料。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）依赖型甲醇脱氢酶（MDH）可催化甲醇氧化合成甲醛为代谢提供碳源，同时生成化学计量的NADH，为代谢提供还原力。改造MDH的辅酶结合口袋，获得偏好非天然辅酶烟酰胺胞嘧啶二核苷酸（NCD）的突变体，可用甲醇作为碳源并产生NCDH，为特定代谢途径提供还原力。本文首先分析嗜热脂肪芽孢杆菌Bacillus stearothermophilus DSM2334来源NAD依赖型MDH的结构，通过虚拟筛选和单位点突变文库初筛，鉴别出辅酶结合敏感位点，进一步依据缩小辅酶结合空腔的预期，构建并筛选得到有效利用NCD的突变体。在大肠杆菌中过表达并纯化各突变体，进行酶催化动力学分析，结果表明突变体MDH 9D1以NCD为辅酶时催化效率达858 L/（mol·s），其NCD偏好性相对于野生型蛋白提高了13 000倍。研究结果为甲醇利用及新型氧化还原代谢途径构建提供了新的功能元件。

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