合成生物学

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2020, 1(3): 0-0.

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人工多细胞体系设计与构建研究进展

钱秀娟, 陈琳, 章文明, 周杰, 董维亮, 信丰学, 姜岷

2020, 1(3): 267-284. doi:10.12211/2096-8280.2020-040

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合成生物学的发展正从优化基因元件与模块走向从头设计复杂代谢线路。多细胞体系因可实现代谢功能分工、复杂底物多组分利用及耐受复杂环境等，在医药、食品、化工、环境及能源等领域发挥着不可替代的作用，并已成为合成生物学发展的新方向。然而，多细胞体系的研究还处于起步阶段，理性设计与构建人工多细胞体系、解析细胞间信息互作机制及调控多细胞体系结构等方面还面临诸多挑战。本文综述了人工多细胞体系在医药开发与医疗健康、天然产物合成、木质纤维素一体化生物加工以及环境修复等领域的应用，总结了人工多细胞体系的构建原理，阐述了多细胞体系内细胞间的交流机制，并剖析了人工多细胞体系面临的诸多挑战以及针对性的解决方案，为构建系统鲁棒、稳定、可控的人工多细胞体系提供理论指导。

数字植物：科学内涵、瓶颈及发展策略

朱新广, 常天根, 宋青峰, 常硕其, 王重荣, 张国庆, 郭亚, 周少川

2020, 1(3): 285-297. doi:10.12211/2096-8280.2020-018

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当前，各类组学技术、基因组编辑技术及超性能计算能力的飞速发展正使得植物科学从描述性、定性研究向精细定量研究乃至理性设计的转变。在这个过程中，数字植物的研究应运而生。数字植物通过对植物生长发育过程多尺度、多生理生化现象的系统定量模拟，以实现植物整个生命周期的“数字化”。数字植物将为定量植物科学研究、植物设计及改造提供理论工具。数字植物的发展将支持新代谢通路、基因调控网络的设计，乃至植物理想基因系统的设计，从而为以提升作物产量和优化作物品质为目标的植物合成生物学提供设计工具。本文在分析当前构建数字植物遇到的瓶颈的基础上，提出发展数字植物所需要的关键措施，即：构建植物生长发育基本模型；获得同化物在各器官间分配的代谢数据；创建模块模型耦联方法；建立数字植物研究公共平台；发展表型数据与机理模型相结合的方法；以水稻为模式植物，开展数字植物指导的分子设计育种；建立支持数字植物的人才培养及储备策略。利用数字植物定量模拟和设计植物是未来植物合成生物学发展的趋势，数字植物指导下的作物栽培和育种也是精准农业和智慧农业的必然要求。

基于病毒组件的纳米材料的自组装合成、功能化及应用

张文静, 李明, 周维, 张先恩, 李峰

2020, 1(3): 298-318. doi:10.12211/2096-8280.2020-031

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病毒在传统意义上是感染性病原体。同时，病毒也是蛋白质、核酸等生物大分子的有序组装体，处于典型的几十到几百纳米尺寸范围，近年来在材料学等交叉学科领域引起广泛兴趣。从材料学的角度，病毒衣壳具有形状大小均一、结构可寻址、易于修饰改造、易于生物合成、生物相容性好等诸多优点。本文介绍了基于病毒组件的纳米材料的结构特性，基因工程、化学修饰、生物矿化和自组装等生物合成及功能化策略，以及在生物医学成像、生物传感、核酸及药物递送、疫苗与免疫调节剂、组织工程、纳米反应器、微电子元件、纳米光子学等不同领域的应用。当前基于病毒组件的纳米材料研究在病毒纳米颗粒的理性设计、（多级）组装的精准控制、免疫原性调控、活体高效靶向递送、稳定性等方面还有诸多难题亟待突破。强化学科深度交叉、攻克这些难题、推动实际应用与转化则代表了病毒纳米材料领域的发展方向。

基于合成生物学策略的酶蛋白元件规模化挖掘

张建志, 付立豪, 唐婷, 张嵩亚, 朱静, 李拓, 王子宁, 司同

2020, 1(3): 319-336. doi:10.12211/2096-8280.2020-028

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生物制造以人工生物体系为催化剂合成工业化学品、药物和功能材料，具有低碳循环、绿色清洁等特征。酶蛋白是构建生物催化系统的重要功能单元，然而，由于缺乏准确预测序列-功能关系的方法，目前酶的理性设计仍面临巨大挑战。因此，需要利用合成生物学工程化的思路和手段，从自然界中大规模挖掘新的酶蛋白元件，相关研究不但可以为开发工业酶制剂和构建细胞合成代谢提供优质元件，而且有利于快速获得酶蛋白序列-结构-功能间的对应关系，为建立预测与设计模型提供基础。本文针对酶元件工程化挖掘的关键技术进行综述：介绍了计算机辅助设计的算法和软件，用于将数据库中海量的酶蛋白序列按照实验目的进行聚类分析和优先化排序；总结了规模化合成组装、异源表达和功能筛选酶蛋白元件的高通量实验技术；讨论了如何综合利用计算与实验手段，系统性探索酶家族成员的催化性能。未来，通过综合计算机辅助设计、自动化合成生物构建、高通量测试等方法，设计和建设高度集成的工程化研究平台，成为实现对酶蛋白资源进行系统化的研究和挖掘的重要方向。

工程微生物合成苯丙酸类化合物及其衍生物的研究进展

牛福星, 杜云平, 黄远斌, 周荷田, 刘建忠

2020, 1(3): 337-357. doi:10.12211/2096-8280.2020-014

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苯丙酸类化合物是一类重要的苯丙素类化合物，是指含C₆-C₃单元的天然有机酸，包括苯丙烯酸类和苯乳酸类化合物。许多苯丙酸类化合物具有抗氧化、抑菌、增强免疫力、抗癌、抗病毒、抗炎、降血脂、治疗心血管疾病等生物学活性，广泛应用于食品、医药、香料、化妆品、农业等领域。苯丙酸类化合物是经由莽草酸合成途径合成的苯丙氨酸或酪氨酸衍生物。随着代谢工程和合成生物学的发展，成功构建了一些微生物以合成苯丙酸类化合物及其衍生物。为此，本文系统综述了工程微生物合成苯丙酸类化合物及其衍生物的进展，包括肉桂酸、苯乙烯、对香豆酸、对羟基苯乙烯、对香豆酸-莽草酸、咖啡酸、绿原酸、3，4-二羟基苯乙烯、阿魏酸、姜黄素、左旋多巴、苯乳酸、对羟基苯乳酸、丹参素和迷迭香酸。其后，归纳了应用于微生物合成芳香化合物的主要合成生物学策略。最后，对合成苯丙酸类化合物及其衍生物的工程微生物的发展趋势进行了展望。本文旨在为合成苯丙酸类化合物及其衍生物的人工微生物的创制提供指导。

合成生物学在含氟化合物生产中的应用

王高丽, 金雪芮, 罗云孜

2020, 1(3): 358-371. doi:10.12211/2096-8280.2020-003

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将氟原子引入有机化合物分子可以赋予化合物新的功能，使其具有更好的物理化学特性。含氟化合物常被应用于新药研发、医疗诊断等诸多方面，受到合成化学家的广泛关注。但利用有机化学方法合成氟化物往往难以实现氟原子的选择性引入，且含氟试剂成本高，产物分离纯化困难。近年来，合成生物学技术的发展为氟化物的生产提供了新思路。通过发掘链霉菌等微生物中天然的氟化酶，并通过定向进化、理性设计等方法对天然氟化酶进行优化改造，可催化合成特定的C—F键；通过将含氟模块引入天然产物生物合成途径，可合成新型复杂含氟天然产物，如氟化聚酮等。本文归纳总结了利用氟化酶和含氟模块构建氟化物生物合成系统的方法，讨论了合成生物学手段在含氟化合物生产中的重要应用，并从合成生物学的角度展望了优化改造氟化酶和构建新型含氟生物合成系统的未来发展方向。采用合成生物学新策略实现含氟产物的高效生物合成，将有望解决复杂手性含氟化合物的合成问题。

从全球专利分析看合成生物学技术发展趋势

陈大明, 周光明, 刘晓, 范月蕾, 王跃, 毛开云, 张学博, 熊燕

2020, 1(3): 372-384. doi:10.12211/2096-8280.2020-035

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合成生物学以工程化的理念，通过标准化、自动化、智能化技术，对现有自然生物体系进行改造和优化，甚至从头设计创建具有特定功能的“人造生命”，正在彻底改变研究的理念和模式。本文从专利分析的角度，对合成生物学技术及其应用的发展历程进行了解析；通过典型企业的合成生物学产品开发及其对应技术的专利布局分析，梳理了合成生物学的主要技术模块及其应用领域；基于关键技术和应用专利的系统分析，初步构建了贯穿技术发展价值链的分解和综合的分析框架，从而将专利信息转化为竞争情报，阐明合成生物学全球竞争格局的特征，预测技术发展趋势，分析合成生物学发展对行业和社会的影响。最后，本文对合成生物学使能技术平台和工具的开发、标准必要专利的界定和使用、知识产权管理与产品准入的关系等进行了展望。

2010—2019年国家自然科学基金资助合成生物学领域情况

杜全生, 洪伟, 祖岩

2020, 1(3): 385-394. doi:10.12211/2096-8280.2020-065

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合成生物学以工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，是生命科学研究的新兴前沿领域。合成生物学研究的技术方法和工具手段，可能突破生命自然进化的限制，通过新颖的研究思路拓展了对生命现象与规律的认识，有望引领生命科学研究的未来。我国科学家在科学基金的资助下围绕染色体人工合成、基因元件、最小基因组构建等研究前沿取得了系列创新成果。本文梳理了2010—2019年期间，科学基金网络信息系统数据库中，国家自然科学基金委合成生物学相关项目的申请及资助情况、获资助项目的主要研究进展、国际合成生物学领域发展规划与布局。据此，分析科学基金资助合成生物学发展面临的挑战，提出合成生物学项目资助管理工作的建议，为相关科研工作者提供参考。

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