合成生物学

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2024, 5(1): 0.

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引导编辑研究进展及其应用

许志锰, 谢震

2024, 5(1): 1-15. doi:10.12211/2096-8280.2023-038

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引导编辑器（prime editor，PE）是继碱基编辑器（base editor，BE）之后新问世的基于CRISPR/Cas（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated）系统的基因编辑工具，可以在不造成DNA双链断裂的情况下引入碱基替换、插入和删除。PE因其全面的编辑能力，问世即受到全球学者的广泛关注，然而PE表达盒编码较长（>6 kb）、编辑效率较低等问题也亟待研究人员解决。PE的研究方向与BE有许多相似之处，本文首先梳理了学界对PE本身编辑效率和安全性的探索；然后重点介绍了PE效应蛋白、pegRNA和其他细胞因子三个方面对PE的改进手段，以及为方便PE应用而开发的自动化设计工具；最后梳理了PE在动植物以及基因治疗中的应用。方兴未艾的PE领域尽管还难称完善，但在提高编辑效率和改进安全性等方面已取得了许多重要进展。鉴于Cas9、BE等基因编辑工具已广泛应用于遗传病疗法，PE走向遗传病治疗值得期待。

合成生物学表型测试生物反应器及其装备化研究进展

郭肖杰, 剪兴金, 王立言, 张翀, 邢新会

2024, 5(1): 16-37. doi:10.12211/2096-8280.2023-067

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合成生物学经过多年的发展，形成了典型的细胞工厂创制“设计-构建-测试-学习”（design-build-test-learn， DBTL）循环，成为支撑面向加速生物制造发展的智慧生物育种的重要方法。其中，测试环节是对前期所设计与构建的生物体系进行表型测试，以提供大量数据用于后续的学习和迭代升级。测试阶段的通量主要依赖于细胞自身或其培养测试所使用的生物反应器及其装备，是整个DBTL流程的限速步骤。本文系统综述了合成生物学表型测试所开发的面向不同通量的生物反应器及装备，从单细胞检测和筛选及不同尺度生物反应器包括皮纳升级生物反应器、微升级生物反应器、毫升级生物反应器和升级生物反应器等，系统地介绍了各自的特点和应用场景。同时，指出了现有生物反应器及其装备的应用潜力、面临的挑战与发展趋势，为合成生物学表型测试技术研究提供重要参考。

基于细菌双组分系统的生物传感器的研究进展

赵静宇, 张健, 祁庆生, 王倩

2024, 5(1): 38-52. doi:10.12211/2096-8280.2023-016

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细菌双组分系统能够感知和响应细胞内外的物理、化学和生物刺激，通过耦合传感和调节机制从而引起一系列的细胞反应，是一个普遍存在的信号转导通路家族。当前越来越多的合成生物学家已开始利用双组分系统的特异属性来工程化设计微生物传感系统，并应用于光遗传学、材料科学、肠道微生物组工程、生物炼制和土壤改良等领域。本综述重点介绍了开发基于双组分系统的生物传感器的最新研究进展以及在各个领域中的潜在应用。同时探讨了如何运用新的工程方法提高双组分系统传感器性能的可靠性，包括遗传重构、DNA结合结构域交换、检测阈值调节和磷酸化串扰隔离，以及如何根据特定应用的要求定制双组分系统信号特性。在未来，研究者可以将这些方法与大规模的基因合成、高通量筛选相结合，以加速和帮助发现更多未确定特征输入的双组分系统，并开发新的对广泛的刺激做出反应的基因编码生物传感器，拓展双组分生物传感器在不同领域的应用。

人工调控受体聚集的化学合成生物学策略及应用

袁燕燕, 陈慧芳, 杨思慧, 王洪辉, 聂舟

2024, 5(1): 53-76. doi:10.12211/2096-8280.2023-028

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细胞表面受体的聚集和激活在多种生物过程中发挥着重要作用，如细胞迁移、增殖、凋亡和分化。鉴于受体介导的细胞功能对健康和疾病的广泛相关性，研究人员一直致力于探究细胞受体信号传递和激活的生物化学和生物物理学机制，进而在其基础上开发多样的分子工程策略操纵受体信号和细胞功能。随着化学合成生物学的快速发展，一系列分子工程工具被开发出来用于理性控制受体，使得人工受体激活更加简单、精准和多样化。本综述首先总结了涉及调节受体聚集控制的关键功能元件，包括分子识别、空间组织、动态和细胞选择性元件。随后介绍了这些高度可控的功能模块在动态聚集、特定响应性、时空分辨和高细胞选择性的精准控制受体聚集分子工具的最新研究进展。此外强调了多种人工控制受体聚集的精准激活策略在细胞表型和命运操纵、免疫激活和活体组织修复方面的新兴应用。最后，本文从作用机理、元件工程、临床局限性、体内长效性等多个角度概述人工受体聚集策略当前面临的挑战和缺点。同时，本文也对其在疾病治疗领域的潜在应用进行了前瞻性的展望。

基于动力学分析的合成生物学研究

王瑞琦, 陈洛南

2024, 5(1): 77-87. doi:10.12211/2096-8280.2023-001

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随着生物技术与其他各学科如计算科学的发展，合成生物学在功能设计与实验实施方面都取得了长足的进展。合成生物学近年来在计算生物学与人工智能等交叉学科领域引起广泛兴趣。从数学科学的角度，设计各种具有特定功能的合成生物元件的理论不断涌现，如基因开关、基因振子、生物逻辑门等。从生物技术角度，基因工程、蛋白（酶）的化学修饰自组装等生物合成及功能化策略也取得了巨大进步。这些相关方面的长足发展，也大大促进了合成生物学的发展。本文重点从生物分子网络动力学的角度，深入阐述各种具有特定功能的合成生物网络背后的理论基础与分析方法，其中包括生物功能器件如开关与振子，以及数学与网络理论相关的因素，包括正负反馈回路与动力学的相关性、非线性因素与时间延迟产生的原因、稳定性与分支相关理论、周期振子的鲁棒性、周期可调性等动力学相关的理论基础与分析方法，为进一步设计更为复杂或者更易实验合成的生物器件提供可以借鉴的理论分析方法。

深度学习在基于序列的蛋白质互作预测中的应用进展

朱景勇, 李钧翔, 李旭辉, 张瑾, 毋文静

2024, 5(1): 88-106. doi:10.12211/2096-8280.2023-074

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蛋白质-蛋白质相互作用在细胞信号转导、基因表达和代谢调控等生物过程中发挥重要作用，鉴定蛋白质间的相互作用对于理解复杂生物过程至关重要。预测蛋白质间的相互作用可以为药物发现、蛋白质功能研究和设计等领域提供帮助。近年来，随着人工智能技术的蓬勃发展，深度学习技术在预测蛋白质互作领域做出巨大贡献，其中基于序列的深度学习模型通过学习蛋白质序列信息的深层特征进行互作预测。本文综述了深度学习在基于序列的蛋白质互作预测中的应用，按照算法框架和时间线对该领域进展进行分类归纳，介绍了数据处理、序列编码方法、算法架构以及模型的评估指标等内容，并分析了当前面临的问题以及未来的发展方向。随着深度学习技术的发展，预测蛋白质互作的效率大幅提高，未来需要发展泛化能力更强的预测模型，助力蛋白质互作的预测。

酶催化杂Diels-Alder反应

王翠珍, 陈窕, 王健博

2024, 5(1): 107-125. doi:10.12211/2096-8280.2023-015

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Diels-Alder反应被认为是合成复杂天然产物的最有效的方法之一，一直以来都深受化学家的关注。而杂原子参与的HDA（Hetero-Diels-Alder）反应是合成各种天然杂环的重要工具，其中以氧杂DA反应和氮杂DA反应最为常见。酶催化HDA反应以其绿色温和、高效、高选择性等优势受到人们广泛关注。随着杂环天然产物中酶催化HDA反应的不断发现，对HDA相关酶的立体选择性、底物特异性的研究也不断深入，有效促进了人们对这一类酶序列与功能关系的了解，为其挖掘和改造奠定了基础。本文集中对目前已知的酶催化HDA反应合成杂环天然产物的成果进行概述，主要包括吡喃类化合物和吲哚生物碱生物合成中涉及的酶促HDA反应，以期通过对途径和催化机理的分析，为发展新的相关生物催化剂用于合成非天然的杂环产物提供思路。

微生物发酵法合成虾青素的研究进展

周强, 周大伟, 孙敬翔, 王靖楠, 姜万奎, 章文明, 蒋羽佳, 信丰学, 姜岷

2024, 5(1): 126-143. doi:10.12211/2096-8280.2023-065

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虾青素是一种高附加值的抗氧化萜类物质，具有很强的抗氧化活性，同时还具有抗癌、预防炎症、护眼等诸多功效。随着合成生物学技术的不断发展，利用微生物发酵法合成虾青素是实现虾青素工业化生产最有效的途径之一，也更能满足消费者对天然化合物的需求。目前，生产虾青素的微生物包括细菌、真菌、藻类等。本文系统介绍了虾青素的结构性质和生产方法，重点讲述了虾青素天然合成以及外源构建的合成路径，总结了不同微生物如雨生红球藻、酵母和大肠杆菌生产虾青素的最新进展，分析了利用基因工程和发酵过程调控手段提高虾青素产量的方法。未来，通过代谢工程等手段（如虾青素合成基因过表达、使用高强度启动子、代谢途径优化等）可提高虾青素产量，以进一步增加虾青素在食品、医疗、化妆品和饲料等产业的应用。

有涌现性功能的合成菌群在作物育种上的应用前景

高春辉, 杨宁, 王创, 侯时季, 严建兵, 郑金水, 李锦, 吴尘聊, 蔡鹏

2024, 5(1): 144-153. doi:10.12211/2096-8280.2023-073

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在农业生态系统中，微生物具有丰富多样的复杂生态学功能，这些功能的产生具有涌现性。所谓涌现性，指的是复杂系统中随着系统复杂性增加产生的新特性。有趣的是，虽然涌现性功能源于多物种的共同作用，但是所需物种数量通常较少。这不但为利用合成菌群探究涌现性功能的产生提供了可能，而且还为应用合成菌群改造植物菌群提供了抓手。种子菌群作为植物最早的微生物群落，其所包含的微生物具有多样性相对较低的特点。但是，其在植物共生菌群的演化过程中却具有重要作用。此外，受限于种子干燥、贫营养的微生境条件，生物膜是微生物在种子表面和内部存在的主要形式。因此，本文提出以有涌现性功能的合成微生物群落为种子包衣，或可成为在植物微生物组调控中最关键时间节点、最易于开展阶段的有效干预途径。在此基础上，分别从宿主和菌群角度介绍了调控种子菌群涌现性功能的潜在因素。在智慧农业的场景下，通过与种子芯片技术、无人智能化平台的结合，或可在农田中实现合成菌群的大规模施用和功能动态实时监测，为发掘具有特定功能的合成微生物群落、开展基于种子合成菌群生物膜包衣的应用提供可行途径，进而有望为微生物-作物联合育种技术的发展带来重大变革。

工程化细胞外囊泡的设计合成与生物医学应用

刘夺, 刘培源, 李连月, 王雅欣, 崔钰惠, 薛慧敏, 王汉杰

2024, 5(1): 154-173. doi:10.12211/2096-8280.2023-010

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近年来，细胞外囊泡因其与疾病发生发展密切相关而受到越来越广泛的关注。随着细胞外囊泡参与生命功能调控的机制被不断解析，利用细胞外囊泡作为药物载体，用于靶向治疗的工作也相继开展。细胞外囊泡作为药物载体，与人工载体相比，具有高生物相容性、低免疫原性和良好的生物膜融合能力，同时有着参与细胞通信的归巢效应等天然优势。然而，细胞外囊泡的生物医学应用也存在表面修饰复杂、包载能力差、产量较低等问题，导致使用范围严重受限。工程化细胞外囊泡是指对天然细胞外囊泡进行人工改造，使其能够特异性靶向受体细胞或组织，实现所包载功能分子的精准递送，并支撑可放大生产的模式，从而展现出广阔的生物医学应用前景。合成生物学技术的引入，可实现底盘细胞的从头设计再造，支撑细胞外囊泡的标准化、模块化合成。本文首先概括了工程化细胞外囊泡的表面修饰、工程化细胞外囊泡的功能分子包载的方法和应用；其次总结了工程化细胞外囊泡的生产制备，如提升细胞外囊泡产量的工程化策略、细胞外囊泡的放大生产与提取纯化等；最后展望了合成生物学通过改造底盘细胞基因组、人工设计囊泡表面蛋白、调控分子包载的细胞过程等定制化合成细胞外囊泡的前景。合成生物学技术的发展与使用可推动工程化细胞外囊泡的定制化设计与合成，将进一步精细控制其属性、提升其效能、拓展其应用，争取将其早日广泛应用于人类健康事业。

新型冠状病毒复制子人工合成和应用研究进展

万里川, 王学军, 王升启

2024, 5(1): 174-190. doi:10.12211/2096-8280.2023-029

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从2019年12月初首次报道到2023年9月，新型冠状病毒在全世界已造成约7.7亿人感染和696万人死亡。由于该病毒具有极强的传染性，理论上相关的研究工作都必须在生物安全三级或以上的实验室中进行。为了克服这一局限性，研究人员应用反向遗传学技术构建了众多复制子，使得在生物安全二级实验室中就可以进行相关的研究工作。科学家们通常会在复制子中插入绿色荧光蛋白或荧光素酶等报告基因以及遗传霉素等抗性基因，方便检测病毒和建立稳定的细胞株。另外，新冠病毒复制子还可通过与共转染的病毒糖蛋白的反式互补作用形成只能单次侵染的病毒粒子，使之能侵染无新冠病毒受体的细胞。因此，本文总结了合成新冠病毒复制子的主要方法，如通过Ⅱ型或ⅡS型限制性内切酶进行体外连接、基于细菌人工染色体的构建、利用酵母转化相关重组进行克隆和应用环形聚合酶延伸反应构建，同时综述了新冠病毒的单周期和稳定表达复制子系统。总之，多种复制子系统的构建和应用为研究新冠病毒基因功能、病毒与宿主互作机制和抗病毒药物的高通量筛选奠定了坚实的基础，为阻止病毒的蔓延和保卫人类的健康做出了重大贡献。

肿瘤类器官及其在合成生物学中的研究进展

孟倩, 尹聪, 黄卫人

2024, 5(1): 191-201. doi:10.12211/2096-8280.2023-021

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类器官技术的发展为更接近机体细胞组成和病理生理特征的癌症模型开辟了新途径。患者来源的肿瘤类器官在多次传代后仍能维持原有肿瘤的组织病理学及遗传表型特征，不仅可作为测试新型抗癌药物的优良模型，也可通过其药物敏感性测试预测患者的临床反应，为肿瘤患者的个体化精准治疗提供可靠的依据。合成生物学是以工程学思想为指导，提供独特工具来重建空间和动态信号，调控细胞间通信。合成生物学的快速发展，为肿瘤类器官在肿瘤的发生发展及肿瘤治疗等方面提供了一系列崭新的思路和方法，包括如何工程化重建类器官空间与动态信号、细胞稳态维持、细胞间通信调控等。本文概述了肿瘤类器官的构建过程及其在合成生物学中的应用，讨论了肿瘤类器官当前在构建效率、标准化、自动化、精确度等方面的局限性，最后展望了合成生物学在推动肿瘤类器官结构和功能复杂化方面的前景。

CRISPR-Cas系统在病原核酸检测中的研究进展

杜瑶, 高宏丹, 刘家坤, 刘孝荣, 邢志浩, 张涛, 马东礼

2024, 5(1): 202-216. doi:10.12211/2096-8280.2022-068

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CRISPR-Cas系统作为原核生物获得性免疫系统，由簇状规则间隔短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats， CRISPR）和CRISPR相关蛋白（CRISPR-associated proteins， Cas）构成，因其识别和切割特定DNA或RNA序列，而成为分子诊断领域研究的热点。研究人员利用Cas蛋白（Cas12、Cas13、Cas14、Cas3等）结合信号放大和转化技术（荧光法、电位法、比色法、侧向流动技术等），开发了许多高灵敏度、高特异性、低成本的诊断平台，为病原核酸检测提供了新途径。本文介绍了CRISPR-Cas系统的生物学机制及分类，总结现有的基于Cas蛋白反式切割活性开发的病原核酸检测技术，描述其特点、功能和应用场景，并对该系统的未来应用前景进行展望，期望CRISPR-Cas系统成为包括核酸检测在内的多靶标的理想检测平台。

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