合成生物学

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2020, 1(4): 0.

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植物合成生物学的现在与未来

邵洁, 刘海利, 王勇

2020, 1(4): 395-412. doi:10.12211/2096-8280.2020-037

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得益于近年来系统生物学和分子生物学等多方面技术的发展，合成生物学的研究对象正逐步过渡到更为复杂的多细胞体系。因此植物合成生物学正成为合成生物学的“下一篇章”。植物拥有丰富的内膜系统和细胞器、高度特化的生物合成基因簇、精细的代谢调控网络，为开展相关研究提供了理想的模式体系。以植物为底盘的合成生物学研究，如设计检测环境变化的植物传感器、开发精准修饰的基因编辑技术、建立高效异源合成代谢途径等，不仅有助于人类加深对复杂生命运行规律的理解，还有望为解决农业生产、生物制药、能源环境等方面的困境与难题提供新策略，实现可持续发展。本文总结近期植物合成生物学在基础研究方面的进展，主要涉及元件的表征定量标准化、遗传装置的理性设计、使能技术的开发应用，还在此基础上回顾了该领域在农业和工业的实际应用，提出未来发展亟需解决的问题及延伸应用。

基因组编辑技术及其在合成生物学中的应用

曹中正, 张心怡, 徐艺源, 周卓, 魏文胜

2020, 1(4): 413-426. doi:10.12211/2096-8280.2020-047

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基因组编辑技术是一种能够定向修改基因组的强有力工具。近年来，CRISPR/Cas9系统因其易于构建、编辑效率高等优点逐渐成为应用最为广泛的基因组编辑工具。合成生物学作为一门整合了工程学思维以及生物学原理的新生交叉学科，在生物学、医学、化学、农业、能源和环境等领域发挥着重要的作用。合成生物学对于DNA等遗传物质的合成、组装和编辑等操作有着巨大的需求，因此基因组编辑技术在合成生物学中有着广泛的应用。本文综述了以ZFN和TALEN为代表的早期基因组编辑技术，以及新型CRISPR/Cas9基因组编辑技术的原理、发展、作用机制、系统优化、衍生技术以及应用。同时也介绍了基因组编辑技术在基因表达调控、微生物基因编辑和分子记录等合成生物学领域的应用，并展望了基因组编辑技术的前景以及在合成生物学领域的发展趋势。

智能抗逆微生物细胞工厂与绿色生物制造

许可, 王靖楠, 李春

2020, 1(4): 427-439. doi:10.12211/2096-8280.2020-045

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绿色生物制造作为新的工业模式，在其发酵过程中，生物转化效率往往被环境变化或代谢失衡引起的一系列逆境胁迫所限制，导致细胞工厂生长缓慢、产量下降、生产能耗大幅升高等，严重制约着产业的发展。构建在多重胁迫因子条件下具有良好表现的智能抗逆微生物细胞工厂，为绿色生物制造迎来了新的机遇。本文介绍了绿色生物制造过程中微生物细胞工厂面临的胁迫因子及其胁迫机理，综述了提高微生物细胞工厂耐受性的主要策略，包括非理性技术增强细胞自身防御系统及以工程化思维、借助合成生物学技术有针对性地设计并集成抗逆基因线路，重编程微生物细胞工厂提高其抗逆能力，最后对智能抗逆微生物细胞工厂在生物医药、大宗化学品、食品等绿色生物制造涉及领域的应用进行展望。期待本文为实现细胞工厂对环境胁迫的应答与智能调节提供新的研究思路。

动态调控策略在代谢工程中的应用研究进展

于政, 申晓林, 孙新晓, 王佳, 袁其朋

2020, 1(4): 440-453. doi:10.12211/2096-8280.2020-029

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微生物细胞工厂作为一种可持续的生化反应器，被广泛应用于天然产物、药品、营养保健品等高附加值产物的生产中。为了使细胞工厂在生产过程中以最大的产量、产率和生产能力生产目标化合物，往往需要利用代谢工程方法对细胞工厂进行合理的改造和调控。以基因敲除和过表达为主要策略的静态调控不可避免地带来了细胞代谢流与能量流失衡、生长阻滞和毒性中间体积累等问题，限制了细胞工厂的生产能力、碳收率和产物产量。为了解决这一问题，构建调控元件并设计基因线路以精确调节物质流及能量流的动态调控策略被普遍应用于代谢工程领域，成为调控微生物细胞工厂的常用方法之一。本文依据不同动态调控策略的特点，将动态调控策略分为代谢物响应、群体感应响应、环境响应和蛋白质水平调控四种类型，重点介绍了各种调控元件的构建方法及其在代谢工程中的应用，分析了不同调控策略在工业化应用中面临的挑战。同时，指出了高通量筛选和蛋白质工程方法、计算机模拟和数学模型分析、耦合基因控制元件等方面的策略在解决动态调控工具响应阈值窄、调控范围有限等问题中的应用潜力。

典型模式微生物基因表达精细调控工具的研究进展

田荣臻, 刘延峰, 李江华, 刘龙, 堵国成

2020, 1(4): 454-469. doi:10.12211/2096-8280.2020-026

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以大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母等为代表的典型模式微生物是合成生物学研究中的重要底盘细胞。典型模型微生物的新型基因表达调控工具开发与应用实现了细胞代谢途径的精确工程设计和新型遗传回路的设计，极大促进了合成生物学和代谢工程的发展。本文针对典型模式微生物基因表达精细调控工具，特别是人工基因表达调控元件和精确调控的工具进行了系统总结和讨论。首先总结了经典的基因表达调控元件，然后介绍和讨论了基于中心法则创建的新型基因表达调控元件、基于全局调控蛋白的基因表达全局调控工具，以及响应特定信号的基因表达调控工具三个方面的最新研究进展，最后展望了如何通过新型天然基因表达调控元件的发现和响应代谢压力等细胞生理特性的基因表达调控系统的开发，进一步提升基因表达精细调控的范围和精度。通过将系统生物学数据与生物信息学相结合，能够进一步促进基因表达调控元件的标准化和多元化，提升基因表达精细调控的效率。

合成生物学在探索生物图案形成基本原理中的应用与展望

周楠, 夏婷颖, 黄建东

2020, 1(4): 470-480. doi:10.12211/2096-8280.2020-011

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自然界中不同生物图案形成的背后是否存在普遍规律，是生物学最基本的科学问题之一。然而，生物系统的复杂性给归纳、理解和验证潜在的普遍规律带来了极大挑战。合成生物学采用自下而上的工程策略，利用功能明确的基因元件构建定量可控的合成体系，为解析生物图案形成的基本原理带来了新的契机。本文围绕合成生物学在生物图案形成研究中的应用，重点阐述了利用合成生物系统验证成形素浓度梯度模型和反应-扩散模型等现有生物图案形成理论的研究进展，并总结了合成生物学在探索生物图案尺寸调控、周期性生物图案形成和多细胞结构产生新机制中的重要贡献。最后提出对合成系统的研究与发育生物学的进一步交互有望拓展对自然生物图案形成的认知，并指出合成生物图案今后在生物材料制造、再生医学和组织工程等领域的应用价值和前景。

2'-岩藻糖基乳糖的酶法合成研究进展和展望

史然, 江正强

2020, 1(4): 481-494. doi:10.12211/2096-8280.2020-033

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人乳寡糖（human milk oligosaccharides，HMOs）是人乳中一类结构复杂、非消化性的碳水化合物。2'-岩藻糖基乳糖（2'-fucosyllactose，2'-FL）是人乳中含量最高的寡糖，也是最早被FDA和欧盟批准可添加到婴幼儿奶粉、膳食补充剂以及医疗食品中的HMOs之一。2'-FL具有调节肠道菌群、抵抗病原菌的黏附、免疫调节及促进神经系统发育和修复等多种功能活性。2'-FL的主要合成方法有化学合成法、全细胞合成法及酶催化合成法。全细胞合成法是当前工业上生产2'-FL的主要方法，降低L-岩藻糖的成本、调节合成途径中鸟苷二磷酸-L-岩藻糖（GDP-岩藻糖）的水平与菌体生长之间的平衡、发掘新型高活性的α-1，2-岩藻糖基转移酶是降低全细胞合成2'-FL成本的关键。2'-FL的合成途径在一些更为安全表达宿主（如无抗生素大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和酵母菌等）中的构建也面临着挑战。本文重点综述了2'-FL酶法合成的研究现状，利用α-1，2-岩藻糖基转移酶合成2'-FL专一性好，但所需糖基供体GDP-岩藻糖成本较高；利用α-L-岩藻糖苷酶的转糖苷活性也可以合成2'-FL，α-L-岩藻糖苷酶来源广泛，易获得，稳定性好，可利用天然底物作为糖基供体。将α-L-岩藻糖苷酶应用于2'-FL合成的关键在于高效的转糖苷酶以及天然、经济的岩藻糖基供体的发掘。酶法合成将来有望成为工业上生产2'-FL的方法。

我国“合成生物学”项目立项概况与实施管理建议

曹芹, 旷苗, 王晶, 谭昳, 田金强

2020, 1(4): 495-502. doi:10.12211/2096-8280.2020-056

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我国自2018年启动国家重点研发计划“合成生物学”重点专项以来，实施方案中设置的“重要生物基因组的人工合成”等11个任务模块均已不同程度部署。截至2020年底，预计安排的专项经费约占本专项总概算的78%。本文从项目类别、研究任务、承担单位等角度简述了项目申请及立项情况，并对项目申请和执行提出了建议，主要包括：项目申请应紧扣专项特点和指南要求；项目执行应遵循学科特点；项目管理部门和项目承担单位应深入领会中央财政科研资金管理改革精神，切实贯彻落实相关政策；做好部市联动任务和港澳单位申请的组织实施；大力发挥青年科学家在原创性科技创新中的作用。

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