合成生物学

本期中英文目录

2022, 3(6): 1.

摘要 ( 163 )

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基因回路型全细胞微生物传感器的设计、优化与应用

杨璐, 吴楠, 白茸茸, 董维亮, 周杰, 姜岷

2022, 3(6): 1061-1080. doi:10.12211/2096-8280.2021-021

摘要 ( 3194 )

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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。

定向进化在蛋白质工程中的应用研究进展

祁延萍, 朱晋, 张凯, 刘彤, 王雅婕

2022, 3(6): 1081-1108. doi:10.12211/2096-8280.2022-025

摘要 ( 3614 )

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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。

哺乳动物细胞的趋化迁移及人工控制

郭伟, 付禹豪, 范盈盈, 周佳铃, 李鑫, 魏平

2022, 3(6): 1109-1125. doi:10.12211/2096-8280.2022-029

摘要 ( 789 )

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哺乳动物细胞的趋化与迁移对于生命过程重要。许多关键生理过程依赖于细胞迁移，从胚胎发育到骨和血管生成，细胞迁移在组织修复、炎症、免疫应答和癌症转移中起关键作用。在人体内，细胞必须能够感知所在环境中的各种线索，并趋向或远离这些线索，以便在发育过程中执行形态发生程序，面对病原体产生免疫以及修复受损组织。这些过程的失控会给生命带来严重的不良后果，细胞如果不能以适当的方式进行迁移，就会导致发育和免疫的缺陷、慢性伤口的无法愈合以及癌症侵袭性转移、自身免疫和纤维化等疾病。细胞迁移的机制是通过表面受体和机械感知分子将环境中的化学、物理线索传递给细胞内信号网络，通过在细胞内建立不对称的分子空间梯度，激活下游细胞骨架调控因子使细胞发生持续的极化现象。整个过程涉到将线索传递到胞内的膜受体、胞内第二信使、细胞骨架调节因子、肌动蛋白组装等一系列组分和步骤。因此系统性理解细胞趋化过程对于发展哺乳动物细胞合成生物学理性设计与改造能力具有重要意义。工程化改造细胞趋化迁移能力来实现对细胞迁移的人工控制，将是哺乳动物细胞工程的重要方向。这能帮助人们进一步探索发育机制，提升免疫治疗效果，治愈由细胞趋化紊乱造成的疾病，加快组织损伤的修复。本综述将从细胞趋化的迁移方式、环境线索、分子机制、工程改造、临床应用几个方面对哺乳动物细胞的趋化迁移进行综述介绍。

米曲霉异源表达天然产物研究进展

董佳钰, 李敏, 肖宗华, 胡明, 松田侑大, 汪伟光

2022, 3(6): 1126-1149. doi:10.12211/2096-8280.2022-007

摘要 ( 2512 )

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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。

巴斯德毕赤酵母底盘细胞的工程化改造及应用

刘启, 钱芷兰, 宋丽丽, 要超颖, 徐名强, 任燕娜, 蔡孟浩

2022, 3(6): 1150-1173. doi:10.12211/2096-8280.2022-039

摘要 ( 2674 )

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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。

合成生物技术驱动酪丁酸梭菌细胞工厂开发的研究进展

刘家宇, 杨智晗, 杨蕾, 朱丽英, 朱政明, 江凌

2022, 3(6): 1174-1200. doi:10.12211/2096-8280.2022-022

摘要 ( 1639 )

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作为一种重要的工业微生物和新型益生菌，酪丁酸梭菌是厌氧条件下代谢多种底物产生丁酸的优势菌株，在其他精细化学品生产和大健康领域亦具有广泛应用。然而，获取生产效率高、鲁棒性强的高版本酪丁酸梭菌细胞工厂，仍然面临着遗传转化效率低、遗传操作工具有限、调控手段单一等诸多挑战。近年来，随着合成生物学的不断发展和酪丁酸梭菌生物信息数据的逐步完善，多种研究策略和技术，包括基因编辑系统等，被用于设计和构筑酪丁酸梭菌底盘细胞高效合成各种精细化学品。本文首先对酪丁酸梭菌独特的生理特性进行了概述。然后，对酪丁酸梭菌底盘细胞改造过程中涉及的系统生物学方法以及遗传操作工具的构建方法与技术进行了总结。同时，探讨了酪丁酸梭菌中多类型代谢调控策略以及群体感应系统的开发及其在合成精细化学品中的应用。最后，从遗传转化效率提升、基因编辑工具拓展、基因回路设计与重构高通量筛选平台建立、一碳气体利用等方面对酪丁酸梭菌底盘细胞的创制进行了展望。

梭菌分子遗传改造工具研究进展

刘佳昕, 程驰, 李欣启, 汪超俊, 张颖, 薛闯

2022, 3(6): 1201-1217. doi:10.12211/2096-8280.2022-041

摘要 ( 1161 )

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梭状芽孢杆菌是一类革兰氏阳性、可内生孢子的严格厌氧型细菌，可产生多种化学物质，包括现如今极具潜力的新型生物燃料丁醇。通过分子改造以提高梭菌发酵的浓度及产率一直是一项亟需突破的重要课题，但该方向的研究长期受限于梭菌不完善的遗传操作工具。近年来，随着分子生物学的快速发展，适用于梭菌的基因编辑工具不断发展，梭菌中已有反义RNA技术、TargeTron、基于同源重组或CRISPR/Cas系统介导的基因编辑技术等多种遗传操作工具，可以基本实现靶标基因插入、删除、替换、点突变以及表达水平调控等各种操作。文中对上述遗传操作工具研究进展进行了总结，并着重讨论了以重组酶为代表的新型遗传操作技术及其在梭菌中的应用潜力。今后应进一步优化现有的梭菌分子遗传改造工具，重点突破梭菌自身同源重组效率低下等技术难点，同时应大力发展新的基因编辑技术，如以CRISPR技术为核心的多位点共编辑系统、噬菌体重组酶介导的多拷贝定点和随机整合技术等。

微藻叶绿体细胞器工厂研究进展

朱振, 田晶, 江静, 王旺银, 曹旭鹏

2022, 3(6): 1218-1234. doi:10.12211/2096-8280.2022-044

摘要 ( 1227 )

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微藻是重要的太阳能驱动CO₂生物转化的生物，建立微藻叶绿体细胞器工厂是通过合成生物学手段实现“碳中和”的潜在途径之一。这是因为微藻叶绿体是碳同化以及后续碳水化合物、脂肪酸、天然色素、氨基酸等重要合成器官，与高等植物细胞内具备多个相对较小的叶绿体不同，大部分微藻仅拥有一个占细胞体积50%以上的大叶绿体，更有利于获得纯净的株系，有望在食品、水产、医药、化学品、生物燃料等领域占据重要地位。微藻改造及微藻叶绿体细胞器工厂研究尚处于起步阶段，本文系统通过对现有转化、表达技术进展进行汇总和简要分析，对比了叶绿体直接转化和基于叶绿体转运肽的核转化叶绿体表达不同策略的优缺点，为后续发展提供借鉴。其中，靶向叶绿体基因组的直接转化策略应用较广泛，主要集中在莱茵衣藻中，已成功表达了100多种不同的蛋白质，但是叶绿体基因组可插入位点有限和调控手段相对缺乏；通过利用叶绿体转运肽，叶绿体中90%以上的蛋白都是核编码并被可控递送到叶绿体内，因此近年来基于叶绿体转运肽的核转化叶绿体定位表达技术的关注度得到了提升，并且已经在固碳、油脂生产调节方面展示出了一定优势。

非特异性过加氧酶（UPO）的研究综述

赖铭元, 韦健, 许建和, 郁惠蕾

2022, 3(6): 1235-1249. doi:10.12211/2096-8280.2022-028

摘要 ( 2732 )

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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。

基于无细胞体系的生物合成代谢模块设计、构建与快速途径原型

唐士茗, 胡纪元, 郑穗平, 韩双艳, 林影

2022, 3(6): 1250-1261. doi:10.12211/2096-8280.2022-024

摘要 ( 1382 )

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随着代谢工程及合成生物学技术的发展，化学品高效生物合成与绿色制造成为可能。高效生物合成体系的设计与构建是绿色生物制造的核心，其理论体系建立及关键技术突破，将为实现绿色生物制造领域高效生产及资源与环境可持续发展提供有力支撑。本文借助代谢途径模块设计的案例，探讨化合物生物合成过程中潜在通用模块设计原则、设计工具，以及基于无细胞蛋白合成体系的代谢模块快速构建及测试的方法，将突破生物合成途径多基因、多模块“设计-构建-测试”（Design-Build-Test cycle，DBT cycle）高效循环迭代的技术瓶颈。结合机器学习方法的应用，将使“设计-构建-测试”向“设计-构建-测试-学习”（Design-Build-Test-Learn cycle，DBTL cycle）进一步延伸，对高效合成模块的“精准-鲁棒性”设计与构建、推动合成生物学科学与技术发展具有重要意义。

基于深度学习识别RiPPs前体肽及裂解位点

吕靖伟, 邓子新, 张琪, 丁伟

2022, 3(6): 1262-1276. doi:10.12211/2096-8280.2022-016

摘要 ( 1187 )

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得益于基因测序技术的快速发展，基因组测序数据呈现爆炸式增长，核糖体合成和翻译后修饰肽（RiPPs）是近十年逐渐进入人们视野的一大类肽类天然产物。这类化合物在自然界中分布极其广泛，具有丰富的结构多样性和生物活性多样性，是天然药物的重要来源。RiPPs的发现主要依赖低通量生物实验，传统方法精确但成本高昂，随着新型计算机技术的更新迭代，包括antiSMASH、RiPP-PRISM等在内的生物信息学工具能够极大加速RiPPs挖掘进程，但依然无法突破基于同源性方法（例如搜索保守的生物合成酶）的限制——无法有效识别具有不同生物合成机制的新型RiPPs。在这里，本文首次基于自然语言处理预训练模型BERT，提出四种可以完全依赖序列数据识别RiPPs而非基于同源性及基因组上下文信息的深度学习模型，通过对各模型进行验证分析和对比，最终确定在RiPPs识别赛道上表现卓越的最佳模型BERiPPs（bidirectional language model for enhancing the performance of identification of RiPPs precursor peptides）。BERiPPs能够在不考虑基因组背景的情况下以无偏见的方式识别RiPPs前体肽，并可通过条件随机场生成对前导肽裂解位点的预测，为高通量挖掘全新RiPPs提供了思路，并在一定程度下揭示了前体肽和修饰酶间的生物学底层关系。

庆大霉素及其相关产物在工业底盘细胞中的高效合成

吴亮亮, 常莹莹, 邓子新, 刘天罡

2022, 3(6): 1277-1291. doi:10.12211/2096-8280.2022-004

摘要 ( 1471 )

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庆大霉素是一种氨基糖苷类抗生素，在临床上广泛应用于治疗由革兰氏阴性菌引起的严重感染。它可由棘孢小单孢菌Micromonospora echinospora产生，生物合成途径清晰。为了提高庆大霉素的产量，本文以工业菌株M. echinospora J1-020为基础，确定庆大霉素合成基因簇信息，建立了稳定的遗传操作方法。在此基础上，使用强（kasOp*）、中（rpsLp-cf）、弱（ermE*）三种强度的启动子评估磷酸转移酶GenP的最适过表达水平，构建对应attB/attP位点整合突变株YC002、YC003、YC001。摇瓶发酵结果显示，YC001、YC002、YC003菌株的庆大霉素C组分的产量较原始菌株［（1008±57） mg/L］分别提高了16.9%［（1178±39） mg/L］、30.8 %［（1319±29） mg/L］和18.8 %［（1198±46） mg/L］；同时，结合杂质含量，在以上三株菌株中确定了中强度启动子控制genP过表达的效果最佳，以此构建对应的稳定整合在基因组上的genP过表达菌株YC004。使得庆大霉素C组分摇瓶发酵产量提高了34.5 %［（1427±37） mg/L］。此外，以工业菌株M. echinospora J1-020为底盘，构建genQ敲除菌株，获得了只产生G418单一组分的菌株YC005，其摇瓶发酵产量为460 mg/L。以YC004为出发菌株，依次敲除genB4、genK，获得了只产生西索米星单一组分的菌株YC007，其摇瓶发酵产量达1046 mg/L。综上，以该工业菌株M. echinospora J1-020为底盘，借助合理的代谢工程策略有望快速获得多种氨基糖苷类抗生素的高产菌株。

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