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2023年 第4卷 第4期    刊出日期：2023-08-31

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2023, 4(4):  1. 

摘要 ( 106 )   PDF (982KB) ( 123 )  

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特约评述



进化与大数据导向生物信息学在天然产物研究中的发展及应用

张凡忠, 相长君, 张骊駻

2023, 4(4):  629-650.  doi:10.12211/2096-8280.2022-073

摘要 ( 1468 )   HTML ( 196)   PDF (3724KB) ( 1506 )  

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自然界亿万年的进化孕育出了丰富的天然产物资源，进而为药物研发提供了巨大的分子宝库。进化导向生物信息学方法在微生物天然产物研究中发挥着越来越重要的作用。微生物基因组数据的快速增长为生物合成基因簇的大数据分析以及进化分析提供了新机遇，不仅让我们对天然产物全景图有了更清晰的认识，还能够揭示天然产物的进化规律，利用进化分析方法和大数据资源挖掘新型的药物先导天然产物，理解生物合成酶，甚至设计改造生物合成体系创造非天然分子。本文综述了近年来进化和大数据导向生物信息学应用于天然产物研究中的相关进展，强调了进化与大数据在生物合成酶的功能预测、进化机理、基因挖掘以及生物合成改造方面的应用，最后分析了目前面临的问题并对未来发展趋势进行了展望。



光酶催化合成进展

明阳, 陈彬, 黄小强

2023, 4(4):  651-675.  doi:10.12211/2096-8280.2022-056

摘要 ( 3853 )   HTML ( 346)   PDF (5785KB) ( 3184 )  

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酶催化具有绿色温和、高效高选择性的优势，在工业生产和技术研发等领域发挥着重要作用。然而，酶能催化的反应类型相对有限，难以满足未来绿色生物合成的需要。光催化已成为在温和反应条件下生成活性反应中间体的有效策略，但是光化学反应的选择性调控一直是个挑战性难题。结合光催化与酶催化的光酶催化合成，能够突破天然酶催化功能的局限，并为光化学领域的选择性调控难题提供新的解决方案，成为合成科学领域的研究热点之一。本文综述了光酶催化合成的最新研究进展，根据光酶的结合模式分成四部分讨论：光氧化还原实现辅因子再生、光催化剂-酶的协同或串联反应、光激发已知酶实现新转化、人工光酶。本文归纳了近年来光酶催化合成的代表性工作，重点分析光酶催化反应的化学机制和实现新生物转化的策略。与此同时，通过分析该领域当下面临的瓶颈，本文展望了光酶催化未来的发展方向，希望能够为光酶催化新转化的开发和更多高附加值化学品的绿色不对称合成提供参考。



噬菌体疗法在胞内病原菌治疗中的挑战与思考

王凯, 张婉, 黄云海, 张立新, 娄春波

2023, 4(4):  676-689.  doi:10.12211/2096-8280.2023-002

摘要 ( 1068 )   HTML ( 67)   PDF (1556KB) ( 850 )  

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胞内病原菌是一类可以侵入并在哺乳动物细胞内生存的病原菌，它们可以调节宿主细胞内环境以便自身繁衍扩散。由于细胞膜等结构的保护，胞内病原菌在细胞内不容易被药物接触到，且容易积累耐药性，使得胞内病原菌的治疗成为一个悬而未决的难题，亟需新的治疗方法。噬菌体疗法是利用噬菌体裂解细菌治疗病原菌感染的手段。由于其不会对动物细胞产生危害，已经被广泛用于治疗病原细菌的胞外感染，同时为胞内病原菌的治疗提供了行之有效的新思路。本文介绍了细胞内病原体侵入和定居在真核细胞中的策略，以及它们对抗生素的抗性机制。噬菌体疗法具有独特的杀菌机制及突出的优势，因此噬菌体疗法在处理细胞内病原体特别是耐药病原体方面有巨大潜力。但噬菌体疗法在治疗细胞内病原体方面的应用仍面临许多挑战，如噬菌体不能轻易穿过真核细胞膜与细胞内病原体接触。最后，讨论了噬菌体疗法在治疗细胞内耐药病原体方面可能的发展方向。未来需解决噬菌体入胞难题，通过细胞穿透肽修饰或纳米材料修饰，使噬菌体能够有效地进入真核细胞。在此基础上，可以对噬菌体本身进行改造，获得杀菌效果更强的重组噬菌体，并进一步挖掘包括温和噬菌体在内的噬菌体资源。



工程菌在肿瘤治疗方面的应用进展

陈家文, 黄建东, 孙海涛

2023, 4(4):  690-702.  doi:10.12211/2096-8280.2022-062

摘要 ( 1291 )   HTML ( 97)   PDF (1463KB) ( 1209 )  

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肿瘤的细菌治疗最早可以追溯到19世纪，人们第一次利用链球菌（Streptococcus pyogenes）成功治疗了患有无法手术切除的肉瘤患者。此后，细菌在肿瘤治疗上的研究越来越多，并取得了令人期待的结果。与其他肿瘤治疗方法相比，细菌治疗肿瘤具有许多独特的优点。随着合成生物学的发展，人们对细菌进行改造后大大增强了其在肿瘤治疗中的运用。本文介绍了细菌改造策略和应用进展，特别是鼠伤寒沙门氏菌治疗肿瘤的研究。在动物模型中，工程菌可以选择性定植到肿瘤组织中并抑制肿瘤的生长。此外，介绍了工程菌治疗肿瘤的新策略——表达抗肿瘤分子来提高肿瘤治疗的效果。最后，讨论了工程菌治疗肿瘤运用于临床还有一些需要解决的问题，如何平衡细菌毒力和抗肿瘤能力是一个关键点，需要设计更精巧的基因线路来对细菌进行改造。在减弱细菌毒力的同时，还要增强细菌靶向到肿瘤组织的能力，以减少对其他正常组织的影响。细菌的遗传不稳定性也是一个潜在的问题，因为突变可能会产生无效或有害的表型。但是，随着合成生物学的发展，在不久的将来，上述问题将会得到解决，细菌治疗将会是一种具有巨大潜力的肿瘤治疗的方法。



CRISPR-Cas9系统在肿瘤生物学中的应用及前景

马孟丹, 尚梦宇, 刘宇辰

2023, 4(4):  703-719.  doi:10.12211/2096-8280.2022-054

摘要 ( 1010 )   HTML ( 68)   PDF (2040KB) ( 583 )  

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RNA引导的CRISPR-Cas核酸酶系统最初作为适应性免疫系统的一部分在细菌中被发现，其修改或修饰遗传成分的能力已经带来了各种实际应用，如碱基编辑、转录调控和表观遗传修饰等。由于CRISPR-Cas基因编辑工具不仅功能强大，而且具有特异性强、效率高等特点，可以准确、快速地对整个基因组进行筛选，便于对特定疾病进行基因治疗，已被广泛应用于人类疾病治疗的相关研究。在肿瘤研究领域，CRISPR-Cas系统可以用来编辑基因组，探索肿瘤发生、发展和转移的机制。文章阐述了CRISPR-Cas9系统作为癌症研究工具所取得的进展；总结了该技术在癌症基础研究、诊断和治疗中的应用现状；讨论了这一技术在肿瘤研究新热点领域和临床医学精准医疗方面的发展前景，并指出了其面临的技术挑战和未来的发展方向。



碱基编辑技术及其在微生物合成生物学中的应用

王雁南, 孙宇辉

2023, 4(4):  720-737.  doi:10.12211/2096-8280.2022-053

摘要 ( 1271 )   HTML ( 114)   PDF (1250KB) ( 1399 )  

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CRISPR/Cas系统的发现与发展对生命科学领域产生了革命性的影响，借助CRISPR/Cas系统研发出的一系列工具为相关领域的研究带来了极大的便利。碱基编辑器便是其中一类基于CRISPR/Cas系统开发的可实现碱基转换和颠换的基因编辑工具，其通过将胞苷或腺苷脱氨酶以及其他功能元件与失去双链切割活性的Cas蛋白相融合，由sgRNA引导，实现对基因组上目标位置胞嘧啶或腺嘌呤的碱基转换。碱基编辑器一经开发便在生物学、医学等领域展现出巨大的应用潜力，虽然经过不断优化，但目前在使用时仍然存在着许多制约因素。本文简述了几种主要碱基编辑器的发展，并介绍了碱基编辑器存在的靶向范围受限和脱靶编辑的问题以及现有的优化措施。同时列举了我国部分科研工作者将碱基编辑技术运用于微生物合成生物学领域的进展，并展望了碱基编辑技术的发展及其在微生物合成生物学领域的应用前景。



CRISPR/Cas基因组编辑技术在丝状真菌次级代谢产物合成中的应用

林继聪, 邹根, 刘宏民, 魏勇军

2023, 4(4):  738-755.  doi:10.12211/2096-8280.2022-076

摘要 ( 1016 )   HTML ( 94)   PDF (2802KB) ( 876 )  

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丝状真菌能够合成抗生素、色素、酶制剂、激素等多种天然产物，广泛应用于医药、化工、农业和基础生物学研究等领域。丝状真菌遗传背景复杂，阻碍了对其的进一步开发利用。基因组编辑是基于核酸酶对基因组位点特异性序列进行靶向切割，产生双链断裂，从而通过非同源末端连接或同源重组进行修复的技术。其中，CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）系统是目前使用最普遍的基因组编辑技术，已在丝状真菌遗传育种、基因改造和多种天然产物合成等方面进行了大量应用。本文总结了丝状真菌CRISPR/Cas的技术原理、元件表达、递送方式及该系统在次级代谢产物等研究中的应用。对于脱靶效应以及转化率低的问题，本文讨论了可能的解决方法。在此基础上，展望了基于CRISPR/Cas的基因组编辑技术在真菌基因功能表征、天然产物合成代谢途径解析与重构、高效丝状真菌底盘细胞构建、天然产物合成等方面的应用。



代谢工程改造微生物利用甲酸研究进展

程真真, 张健, 高聪, 刘立明, 陈修来

2023, 4(4):  756-778.  doi:10.12211/2096-8280.2023-032

摘要 ( 1255 )   HTML ( 143)   PDF (3823KB) ( 1194 )  

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微生物利用甲酸生产高附加值产品，是实现碳资源回收利用与绿色产业发展的重要策略之一。然而，在微生物利用甲酸过程中存在甲酸利用效率偏低、细胞生长速率缓慢、目标代谢物产量不高等问题。为了解决上述问题，本文从甲酸利用的微生物、代谢路径与代谢工程策略三个方面，系统总结分析了代谢工程改造微生物利用甲酸的研究进展。在甲酸利用微生物方面，概述了天然甲酸利用微生物的代谢特点以及模式微生物的代谢工程改造潜能；在甲酸利用代谢路径方面，梳理了天然的甲酸利用路径、重构与优化的甲酸利用路径与人工的甲酸利用路径的关键步骤、能量/还原力消耗与特点；在甲酸利用代谢工程策略方面，阐述了提高甲酸同化效率与改善甲酸利用微生物细胞生长的关键方法。最后，从甲酸利用的微生物、代谢路径与代谢工程策略三个方面，展望了微生物利用甲酸的发展方向，为甲酸生物经济的发展奠定了基础。



解脂耶氏酵母底盘细胞的工程改造及应用

孙美莉, 王凯峰, 陆然, 纪晓俊

2023, 4(4):  779-807.  doi:10.12211/2096-8280.2022-060

摘要 ( 1710 )   HTML ( 223)   PDF (2749KB) ( 2882 )  

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基于性能卓越的微生物底盘细胞，开发高效的绿色生物制造技术，已经成为合成生物学领域的研究前沿。解脂耶氏酵母作为一种非常规产油酵母，由于其独特的生理生化特征，正迅速成为面向绿色生物制造的合成生物学研究领域的热门底盘细胞之一。近年来，围绕解脂耶氏酵母底盘细胞工程改造的研究与应用日益增多，促进了解脂耶氏酵母底盘细胞的进一步升级。本文总结了针对解脂耶氏酵母底盘细胞的工程改造策略及其在生物制造中的应用，从遗传改造技术及工具开发，基因的表达与调控策略等方面介绍各类合成生物学工具及技术在解脂耶氏酵母中的研究进展，并从底盘细胞合成高附加值产品的研究进展方面介绍了其工程改造效果。最后，对解脂耶氏酵母底盘细胞的应用前景和未来发展方向进行了展望。



重组胶原蛋白表达体系研究进展

潘家豪, 潘炜松, 邱健, 谢东玲, 邹奇, 吴川

2023, 4(4):  808-823.  doi:10.12211/2096-8280.2023-020

摘要 ( 2742 )   HTML ( 213)   PDF (1550KB) ( 1629 )  

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胶原蛋白是哺乳动物中含量最多的蛋白质，至今已发现28种类型，主要分为纤维性胶原蛋白、网状胶原蛋白、珠状丝状胶原蛋白、锚定纤维蛋白、膜蛋白以及multiplexins胶原蛋白，其中纤维性胶原蛋白中Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型胶原蛋白占人体胶原蛋白的80%~90%。目前，根据来源，胶原蛋白大致分为动物源胶原蛋白和重组胶原蛋白。动物源胶原蛋白主要来源于陆生动物以及海洋动物，而重组胶原蛋白是指将人胶原蛋白基因克隆到选定的表达载体并转化到表达细胞内，最后通过纯化技术所获得的蛋白质。本文简述了胶原蛋白的结构、类别和生物合成机制，重点阐述了重组胶原蛋白表达体系及特点，包括原核生物、酵母、植物、杆状病毒以及哺乳动物细胞等表达体系及其优势与局限性，介绍了重组胶原蛋白市场前景及在眼科、软骨工程、皮肤治疗等生物医药方面的实际应用，并对重组胶原蛋白的研究和产业发展进行了展望。

研究论文



蓝细菌CRISPRa系统的开发及其代谢工程应用

王甜甜, 朱虹, 杨琛

2023, 4(4):  824-839.  doi:10.12211/2096-8280.2022-077

摘要 ( 867 )   HTML ( 77)   PDF (2436KB) ( 756 )  

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蓝细菌是光合作用研究的模式生物之一，也是构建光能自养细胞工厂的良好底盘。然而目前蓝细菌的遗传操作工具仍然较为缺乏且效率较低，开发高效的蓝细菌基因调控工具对于蓝细菌系统与合成生物学研究具有重要意义。本研究在模式蓝细菌聚球藻PCC 7942中开发了CRISPR激活系统，测试了多个转录激活因子，将内源的RNA聚合酶ω-亚基RpoZ与无DNA切割活性的dCas9融合表达，利用高强度启动子表达向导RNA，进而敲除内源rpoZ基因并优化了dCas9-RpoZ的表达及靶向位点。利用建立的CRISPRa系统对重要生物燃料——异戊烯醇的生物合成途径进行了工程改造，该系统不仅能够实现单基因或多基因的高表达，还可以同时对不同基因进行转录激活和抑制，将蓝细菌中异戊烯醇的产量提高了17倍，展示了该系统有望成为构建光能自养细胞工厂的有力工具。



限制性内切酶的无细胞快速制备研究

刘晚秋, 季向阳, 许慧玲, 卢屹聪, 李健

2023, 4(4):  840-851.  doi:10.12211/2096-8280.2022-048

摘要 ( 1207 )   HTML ( 112)   PDF (2725KB) ( 1104 )  

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限制性内切酶在分子生物学研究中是一类重要的工具酶，目前主要由异源生物合成的方式进行表达与生产，由于它们对特定的DNA序列（即酶切位点）具有切割活性，在异源表达时会对宿主产生较高的细胞毒性。而无细胞生物合成体系具有操作快捷、灵活高效、无细胞毒性等优势，因此，本研究利用无细胞蛋白合成（cell-free protein synthesis， CFPS）技术进行限制性内切酶的表达制备。本课题组选择3种限制性内切酶EcoRⅠ、BamHⅠ和BsaⅠ作为研究对象，构建线性DNA为表达模板，无需甲基化酶对宿主的保护，在6 h内即可完成蛋白表达。经亲和色谱与凝胶色谱两步纯化，得到了纯度高（95%左右）、酶活相当（EcoRⅠ 3.7 × 10⁵~3.7 × 10⁶ U/mg，BamHⅠ 8.3 × 10²~4.1 × 10³ U/mg，BsaⅠ 4.4 × 10⁵ ~ 4.4 × 10⁶ U/mg）的目标蛋白。同时，建立了限制性内切酶的实时酶活检测方法，将有助于限制性内切酶的催化和快速筛选研究。本研究所开发的限制性内切酶无细胞表达制备体系，从基因模板构建到纯化蛋白所需时间短（1~2 d）、蛋白产量高（32.5~130 mg/L无细胞反应）、制备效率高（1.3 × 10⁵ ~ 5.7 × 10⁸ U/L无细胞反应），具有较好的普适性，为限制性内切酶的研发与制备生产提供了新的思路。