当期目录

2025年 第6卷 第1期    刊出日期：2025-01-31

上一期   

观点

工业生物制造与“碳中和”目标探讨

应汉杰, 柳东, 王振宇, 沈涛, 庄伟, 朱晨杰

2025, 6(1):  1-7.  doi:10.12211/2096-8280.2023-075

摘要 ( 601 )   HTML ( 72)   PDF (1012KB) ( 625 )  

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地球上的不可再生资源为人类构建现代丰富的物质文明做出了巨大的贡献，然而埋藏数亿年的化石资源的大量释放，造成了严重的碳失衡所致的生态环境问题。工业生物制造是一种以碳循环的可再生资源为原料的物质制造技术，践行“阳光经济”的发展模式，是工业可持续发展的新的生产方式。本文从制造原料、生产模式及产品使用等角度探讨了生物制造在助力“双碳”战略实施方面的几种途径。生物制造可通过原料置换、技术迭代和产品替代的方式减少碳排放。秸秆等生物质碳利用、非粮蛋白的制造、生物基三苯三烯产业格局等的构建是生物制造减碳的重要途径；天然产物的高效生物制造和食品的生物制造将极大提高生产效率，节约大量土地资源，为实现“碳置换”提供土地资源；通过生物技术和产品优化未来农用产品是减少面源污染、增强农业碳汇能力的重要手段。

生物制造的市本率（PC值）：定义与应用

张以恒, 陈雪梅, 石婷

2025, 6(1):  8-17.  doi:10.12211/2096-8280.2024-072

摘要 ( 760 )   HTML ( 103)   PDF (3064KB) ( 523 )  

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生物制造是中国“十四五”战略性新兴产业之一。本文作者曾经提出“道法术器”对工业生物制造的哲学指导意义。为了深入阐述生物制造中“法以立本”的原则，本文首次提出“市本率”这一创新性概念，即产品市场价格与原料成本的比值，英文全称是Price to Cost-of-raw-materials Ratio，简称PC值。市本率是一个衡量技术水平与经济价值的关键指标，具有简单、公开、透明的属性，提供了生物制造产品分类新方法，有助于指导新技术增效和降本的发展路径，预判生物产品未来制造成本及市场价格的趋势，评估新兴生物技术的产业化潜力。市本率的计算与分析，作为一种新方法学工具，将为生物制造战略新兴产业的未来发展提供顶层设计的新视角，深化对生物制造产品市场前景的理解，推动生物经济高质量发展。

特约评述

液体生物燃料合成与炼制的研究进展

郭姝媛, 张倩楠, 姑丽克孜·买买提热夏提, 杨一群, 于涛

2025, 6(1):  18-44.  doi:10.12211/2096-8280.2023-040

摘要 ( 926 )   HTML ( 84)   PDF (1947KB) ( 805 )  

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人类社会发展对化石燃料的依赖导致了资源枯竭的加剧及显著的气候变化，迫切需要开发能够代替化石燃料的新型生物燃料。虽然已有生物乙醇和生物柴油等生物能源，但其生产规模和成本仍然是大规模应用的主要问题。近年来，随着可再生能源技术的发展，结合代谢工程及新兴的合成生物学，开发基于CO₂合成的新兴生物燃料，逐渐成为未来绿色能源的重要研究方向。本文综述了生物燃料的种类及四代生物燃料的发展情况，并着重介绍了第三代和第四代生物燃料丰富的底物原材料、多能源偶联合成生物燃料的研究现状、合成生物学在其中的应用及现阶段的研究进展。最后概括了合成生物燃料所面临的困境，主要包括原料的供应及成本，新型液体生物燃料产量低和产品种类少等问题，并提出相应的解决办法，以二氧化碳作为主要原材料，结合自养型微生物及甲基营养型微生物等细胞工厂，通过优选固碳途径、转化二氧化碳为甲醇等低碳底物及多能源耦合等方式实现多种生物燃料的合成，以期扩大生物燃料的产能及应用范围，进一步推动新型生物燃料的产业化进程。

合成基因线路的工程化设计研究进展与展望

高歌, 边旗, 王宝俊

2025, 6(1):  45-64.  doi:10.12211/2096-8280.2023-096

摘要 ( 1092 )   HTML ( 111)   PDF (3188KB) ( 1519 )  

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合成基因线路利用合成生物学的技术和方法，将生物元件进行重新设计与构建，使人工设计的生物分子线路在活细胞中行使特定生物功能，在生物制造、医疗健康以及环境监测等领域具有巨大的潜力。但其工程化设计仍受到各种因素的制约，包括正交元器件数量有限、大规模线路组装困难、线路行为预测性低等。根据研究者们开发的各种调控元件工具箱和组装方法，本文逐点阐述了工程化设计基因线路所需遵循的几个核心原则：正交化、标准化、模块化与自动化。文章从DNA复制、转录和翻译层面介绍了正交基因元件库的构建和改造方法；全面总结了基因元件的标准化定量表征方法与标准元件设计方法；并介绍了本团队与其他团队在模块化基因线路设计方面的相关进展；分别从软件、硬件和人工智能角度展示如何实现基因线路的自动化设计。最后，本文探讨了基因线路设计的未来发展趋势，指出需要进一步融合人工智能和自动化等信息技术来加速基因线路“设计-构建-测试-学习”循环的迭代，提高线路设计的功能可预测性和复杂性，高效设计出符合目标需求的人造生命体。

蛋白质工程在医药产业中的应用

温艳华, 刘合栋, 曹春来, 巫瑞波

2025, 6(1):  65-86.  doi:10.12211/2096-8280.2024-061

摘要 ( 671 )   HTML ( 75)   PDF (2141KB) ( 614 )  

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蛋白质工程，通过定向进化、半理性或理性设计、计算机辅助设计等手段，实现对蛋白质特定功能的设计和改造，获得的工程化蛋白质在食品、医药、能源、材料等行业具有重要的应用价值。在医药化工领域，工程化酶可作为化学原料药及其中间体合成的高效生物催化剂，实现医药工业绿色制造。在生物制药领域，多肽或蛋白修饰酶的改造可显著提升候选药物的制备效率，诊断酶的改造则可以大幅增强检测的准确性和灵敏度。此外，蛋白质工程在提升治疗性酶和治疗性抗体等生物制剂的生物活性、增强药物稳定性、降低免疫原性等方面也发挥重要作用，从而提高药物的可开发性、安全性和有效性。因此，本文简要回顾了蛋白质工程的发展历程，具体阐述了其在化学原料药合成和生物制药两大产业中的一系列应用实例，旨在剖析蛋白质工程在科技成果转化及医药产业应用中存在的问题与挑战，并展望医药产业中蛋白质工程的未来发展方向，以期为促进产学研一体化发展提供借鉴。

光遗传学工具在学习记忆中的应用研究

郑益坤, 郑婕, 胡国鹏

2025, 6(1):  87-104.  doi:10.12211/2096-8280.2024-042

摘要 ( 322 )   HTML ( 19)   PDF (2746KB) ( 448 )  

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光遗传学是一种结合光学和遗传学的新型细胞生物学工具。通过引入光激活通道（光敏感蛋白基因）到特定的神经元群体，光遗传学能够以毫秒级精度对这些神经元进行非侵入性光学控制。这一技术的进步为研究学习和记忆的神经生物学基础提供了强大支持。通过在活体动物中精确操控神经元活动，研究人员可以更详细地分析神经网络的功能，探索学习和记忆过程中的分子、细胞和神经回路机制。光遗传学不仅揭示了突触可塑性在记忆形成中的关键作用，还通过特定波长的光激活或抑制神经元，实现记忆的生成、消除和恢复。本文综述了光遗传学工具在学习和记忆研究中的应用，包括不同波长光照对受体的影响、光学刺激对记忆的激活和抑制，以及基于光遗传学的神经功能增强研究方法。然而，在光遗传学的应用过程中仍存在一些挑战，例如开发安全且高效的基因传递载体、优化光敏蛋白的性能、探索其在临床环境中转化的可行性等。解决这些问题对于光遗传学的进一步发展至关重要。未来，随着光遗传学工具的持续优化和跨学科技术的融合应用，这项技术有望在治疗神经系统疾病、增强认知功能与成瘾研究等领域提供新的理论基础和实践方法。

CRISPR-Cas系统的小型化研究进展

董颖, 马孟丹, 黄卫人

2025, 6(1):  105-117.  doi:10.12211/2096-8280.2023-068

摘要 ( 729 )   HTML ( 64)   PDF (1409KB) ( 793 )  

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CRISPR-Cas基因编辑技术由于其简便性和高效性，已被广泛应用于生物学、医学、农学等领域的基础与应用研究。目前广泛使用的Cas核酸酶均具有较大的分子量（通常大于1000个氨基酸），而广泛应用于基因治疗中的腺相关病毒（AAV）载体的承载容量却十分有限，在容纳CRISPR核酸酶与gRNA的编码序列之余往往难以承载更多其他功能元件，如碱基编辑、转录调控、多基因编辑等相应元件，这严重限制了其在基因治疗等领域的应用。使用紧凑型Cas蛋白变体的CRISPR-Cas系统可能有助于用AAV产生和传递基因组编辑和调节工具到人类细胞。因此，小型化的CRISPR-Cas系统开发是解决这一技术难题的重要途径，本文主要概括了基于Cas9、Cas12和Cas13蛋白系统在小型化方面的研究进展，包括筛选新型Cas蛋白、缩减蛋白结构域以及引导RNA的改造等，旨在为开发微型精准基因编辑和调控工具提供新思路。目前小型化的CRISPR-Cas系统的局限性主要体现在蛋白分子量的大小和基因编辑的效率、特异性不可兼得上，在未来的研究中若能解决这一问题，获得更小型化的结构域，相信不仅能够优化该系统在体内的传递，更有望为临床带来高效率且低损害的治疗方法。

生物合成法生产α-熊果苷的研究进展

仲泉周, 单依怡, 裴清云, 金艳芸, 王艺涵, 孟璐远, 王歆韵, 张雨鑫, 刘坤媛, 王慧中, 冯尚国

2025, 6(1):  118-135.  doi:10.12211/2096-8280.2024-054

摘要 ( 518 )   HTML ( 70)   PDF (1877KB) ( 410 )  

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熊果苷（arbutin）是一种天然的糖苷类化合物，广泛存在于自然界中。α-熊果苷（α-arbutin）是其一种异构体，由于其高效安全的美白作用和许多优秀的药理作用，受到越来越多的市场关注。研究发现，生物合成法生产α-熊果苷相较于自然提取法和化学合成法有着更高的产量、更安全的环境、更有竞争力的价格等优势，已经成为主流生产方式。本文介绍了常用于α-熊果苷生产的七种酶类的相关研究，分别为α-淀粉酶、蔗糖磷酸化酶、环糊精糖基转移酶、α-葡萄糖基酶、葡聚糖蔗糖酶、淀粉蔗糖酶和蔗糖异构酶。另外对全细胞催化法、微生物发酵法生产α-熊果苷的研究进展进行综述，对α-熊果苷生产过程中存在的问题进行了剖析并提出在工业化发展上的建议，最后对α-熊果苷合成的未来方向进行了展望，以期能够为实现更高效、更低成本的α-熊果苷生产提供新思路。

基因工程辅助萝卜硫苷在十字花科作物中的高效生物合成

刘晓悦, 王盼娣, 吴刚, 刘芳

2025, 6(1):  136-156.  doi:10.12211/2096-8280.2024-031

摘要 ( 510 )   HTML ( 31)   PDF (1734KB) ( 793 )  

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植物次级代谢物萝卜硫苷（glucoraphanin，GRA）是一种由蛋氨酸衍生的硫代葡萄糖苷（glucosinolate，GSL），性质相对稳定，其本身及水解后活性产物萝卜硫素（sulforaphane，SFN）在抵抗癌症、神经保护等方面发挥重要作用，在食品营养和科学研究中受到广泛关注。本文将综述GRA的理化性质、来源、生物学功能、合成途径以及当前生产现状，并进一步探讨未来GRA高效生物合成的潜力策略。GRA合成路径复杂，包括侧链延伸、核心结构形成以及侧链修饰三个阶段，可经植物内源黑芥子酶（myrosinase， MYR）或肠道微生物转化为具有生物活性的SFN等物质。西蓝花等十字花科作物中GRA含量较高，是当前GRA的主要来源作物，但其存在种植周期较长、产量不稳、提取率低等问题，开发经济且可再生的GRA新资源将极大地推进GRA开发应用。随着GRA生物合成及调控路径的明晰，基因工程辅助GRA的高效生物合成展现出巨大的潜力，也提示突破主流的单基因调控策略，聚合多基因多维度协同提高GRA合成的潜力。本文聚焦基因工程辅助十字花科作物高效生产GRA这一目标，系统地梳理了GRA合成各阶段的潜在候选基因并从富集部位角度指出了具高应用价值的底盘作物，以期为将来通过基因工程和分子育种技术调控植物中GRA的生物合成、实现GRA大规模可持续生产，提供一定的思路和策略。

DNA存储的关键技术：编码、纠错、随机访问与安全性

徐怀胜, 石晓龙, 刘晓光, 徐苗苗

2025, 6(1):  157-176.  doi:10.12211/2096-8280.2024-066

摘要 ( 405 )   HTML ( 27)   PDF (2790KB) ( 574 )  

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DNA信息存储是一种利用DNA分子作为数据载体的新型存储技术，通过合成特定序列的DNA来编码信息，并通过测序技术实现数据的读出。相比于传统的磁性、光学和电子存储介质，DNA存储在存储密度、数据保存时间和能源效率等方面具有显著优势，且不易受电磁干扰的影响。随着全球数据总量的猛增，DNA存储以其高效的存储能力、潜在的低维护成本和易于合成的化学特性，逐渐成为研究热点。本文首先介绍了DNA存储的基本流程，然后综述了DNA信息存储涉及的关键技术，尤其是编码策略、纠错技术、随机访问及DNA信息加密的研究进展。探讨了当前DNA存储技术的发展现状和主要挑战，如高成本、写入和读取速度慢等问题，并提出了可能的技术改进方向。并展望了DNA存储未来的发展前景，强调其在大数据时代的潜在应用和革命性影响，指出了实现商业化应用所需解决的关键技术瓶颈。

DNA数据存储技术的法律治理议题

焦洪涛, 齐蒙, 邵滨, 蒋劲松

2025, 6(1):  177-189.  doi:10.12211/2096-8280.2024-033

摘要 ( 278 )   HTML ( 39)   PDF (1178KB) ( 276 )  

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DNA数据存储技术是合成生物学的关键分支领域，以其存储密度高、存储时期长、稳定、安全等特点，有望成为当下数据爆炸式增长导致存储能力不足的解决方案。DNA数据存储技术的快速发展为现行法律体系带来冲击，探讨DNA数据存储技术的法律治理议题是强化新兴科技伦理治理的重要内容。在人权层面，探讨可能引发的对“人的尊严”的挑战和数据鸿沟问题，建议完善DNA数据存储基于科技伦理治理框架上的政策法律体系；在安全层面，探讨可能引发的信息安全和生物安全相关问题，建议结合信息安全和生物安全两个维度强化DNA数据存储技术的安全治理；在知识产权层面，探讨DNA合成和测序技术、DNA介质以及重组DNA的微生物中涉及的可专利性等问题，建议完善专利保护规则，优化知识产权法治环境，以促进DNA数据存储技术科技创新和产业创新。

合成生物学视域下有机体的两种隐喻

李冀渊, 吴国盛

2025, 6(1):  190-202.  doi:10.12211/2096-8280.2024-035

摘要 ( 269 )   HTML ( 20)   PDF (1134KB) ( 264 )  

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对有机体本质的追问，一直是生物学和哲学久盛不衰的话题。在生物学研究中，经常使用隐喻来认识和理解生命现象。回顾生物学的发展历史，有机体的隐喻可以分为两类：①机器隐喻，将有机体的部件与组织方式类比为机器的运作；②自主系统隐喻，将有机体类比为具有目的性和独特属性的复杂系统。两种隐喻在生物学各个领域发挥认知作用，例如理论假说、启发式工具、科学传播的作用。在隐喻发挥认知作用的同时，也有隐喻使用的一些争议，这个问题在合成生物学的语境下，显得尤为重要。合成生物学旨在通过整合生命科学、化学、物理学、材料科学、计算机科学，利用工程学方法重新设计、从头设计生物系统。合成生物学的发展挑战了自然物/人工物的二分，也为重新理解有机体的本质和方式带来了机遇，从生物元件到合成生命系统，两种隐喻在合成生物学的发展中都有所体现。本文通过对两种隐喻概念的溯源和澄清以及两种隐喻在合成生物学中的应用，分析有机体隐喻使用中的本体隐喻/认识论隐喻的混淆问题，并说明在合成生物学的语境下，隐喻混淆带来的认知作用和伦理上的争议，例如过度依赖本体隐喻带来认知上的误导作用、隐喻混淆对合成有机体内在价值、道德地位的不当判断等。基于这些讨论，本文将辩护一种认识论隐喻的立场，不论从隐喻的认知作用还是伦理后果，都应谨慎使用隐喻。

人类世中对合成生物学的哲学反思

唐兴华, 陆钱能, 胡翌霖

2025, 6(1):  203-212.  doi:10.12211/2096-8280.2024-039

摘要 ( 317 )   HTML ( 31)   PDF (1095KB) ( 219 )  

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合成生物学作为21世纪改变生命领域的科学，其所具有的跨学科性、打破人工与自然的界限、强调人的作用和技术对我们生存方式的塑造等，是我们所处的人类世所面临的共同挑战。首先，作为顺应人类世呼声的合成生物学，打破自然与人工界限，实现二者融合，在更深层的“生命”领域体现了技术对我们的塑造。其次，合成生命打破传统意义上的学科划分，成为不同学科的研究对象，促使多学科交叉和融合，而合成生命具有的开放性和合成生物学发展的生成性，则决定了合成生物学面向未来的特性，改变了人类世中技术研究的方向。最后，技术哲学所关注的“大问题”和“小问题”在合成生物学这里实现了统一。合成生物学既有“大问题”也有“小问题”，对合成生物学的研究既要关注一般性的大问题，又要关注其产生的具体的小问题。总之，合成生物学作为人类世中的技术形态，对其涵义和特征进行哲学反思，有助于从新的理论范式下理解合成生物学。

研究论文

大肠杆菌中终止子对下游转录单元基因表达的影响

任家卫, 张金鹏, 徐国强, 张晓梅, 许正宏, 张晓娟

2025, 6(1):  213-227.  doi:10.12211/2096-8280.2024-046

摘要 ( 721 )   HTML ( 70)   PDF (2485KB) ( 905 )  

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在基因转录过程中，RNA聚合酶通过识别启动子序列启动转录过程，而当其识别到位于3′-UTR的终止子序列后，转录复合物解离，转录过程终止。因此，转录单元内的启动子和终止子分别发挥启动和终止转录的作用。然而，对于下游的转录单元，终止子除了终止转录本通读这一直接作用以外，其与RNA聚合酶之间的解离可能会影响后续转录单元中启动子与RNA聚合酶的结合，从而间接改变下游转录单元的表达。这种跨转录单元的终止子和启动子之间的互作关系目前尚缺少研究，因此，明确终止子对下游转录单元的转录反应强度的影响对于精准调控基因表达、开发高效终止子具有重要的意义。本研究通过one-pot技术将9种终止子、5种间隔序列和9种启动子进行组合构建了一个包含405种不同组合元件（终止子-间隔序列-启动子）的组装文库，基于FlowSeq技术对文库中所有组合进行测序和荧光强度分析，进而建立组合序列-下游基因表达之间的相关性。结果表明弱终止子、短间隔以及强启动子的组合更有利于提高下游基因的表达。通过对转录本的定量分析发现弱终止子不仅提高下游的渗漏转录（提高21～70倍），同时也促进了下游启动子重新招募RNA聚合酶进行重启转录（提高2～3倍）。本研究解析了终止子对下游转录单元基因表达的调控效果和机制，为利用终止子构建基因回路提供设计依据。