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当期目录

    2020年 第1卷 第5期    刊出日期:2020-10-31
    本期中英文目录
    2020, 1(5):  0-0. 
    摘要 ( 174 )   PDF (320KB) ( 116 )  
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    特约评述
    基因组的“读-改-写”技术
    王会, 戴俊彪, 罗周卿
    2020, 1(5):  503-515.  doi:10.12211/2096-8280.2020-013
    摘要 ( 1979 )   HTML ( 216)   PDF (2023KB) ( 2296 )  
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    基因组是生命系统的指令中枢,对基因组的研究是生命科学的核心内容,基因组研究相关技术的开发是深化对基因组序列和功能认识的重要推动力量。通过基因组测序获取基因组全序列,通过人工诱变、定点编辑研究基因组局部序列的功能与调控,通过对基因组的从头设计与化学再造实现对生命性状的定制,是基因组研究的三个不同层面。从一代测序到三代测序,基因组“读”技术极大地降低了成本和难度,提升了速度和精准度,引领着复杂基因组、大型基因组从草图走向完成图时代。通过人工诱变、定点编辑等技术可以改变野生型基因组的局部序列,研究基因组序列的功能与调控。从人工诱变到定点编辑,从ZFN到CRISPR,基因组“改”技术在效率、适用对象和简便性上有了显著的提高,为“基因型-表型”研究提供了有力工具,精准编辑、高通量编辑逐步走向应用。通过对基因组的从头设计与化学再造,书写人工基因组,可以获得对基因组全局的系统认识,实现对生命性状的定制。从病毒基因组合成、细菌基因组合成到酵母基因组合成,再到国际基因组写计划,基因组“写”技术在适用对象上不断拓展,人工设计、化学再造正成为复杂生物学问题研究和已有性状优化、新性状引入的一把利器。本文主要综述了基因组测序(读)、基因组编辑(改)和基因组合成(写)技术的发展历程、各自的特征、目前的研究进展及在基因组研究方面的一些应用,并对近期相关技术的可能突破点进行了总结和展望。“读-改-写”技术互为支撑,推动基因组研究在致知和致用领域两面开花。

    基于工程化盐单胞菌的下一代工业生物技术
    陈江楠, 陈潇宁, 刘心怡, 万薇, 章义鑫, 张自豪, 郑逸飞, 郑陶然, 王宣, 王子瑜, 闫煦, 张旭, 吴赴清, 陈国强
    2020, 1(5):  516-527.  doi:10.12211/2096-8280.2020-042
    摘要 ( 1024 )   HTML ( 80)   PDF (1874KB) ( 896 )  
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    我国是工业生物技术大国,拥有世界上最大的发酵产业,但传统发酵需要灭菌操作,发酵过程高耗能、耗淡水且不能连续,导致生产成本偏高,无法与化学工业竞争。因此,急需开发下一代工业生物技术(NGIB)来克服这些缺点。NGIB利用盐单胞菌等极端微生物作为底盘细胞,具有发酵不需灭菌、节能节水、设备投资少、产物终浓度高、分离过程简单等优点。本文围绕下一代工业生物技术的发展过程,系统介绍了近年来在技术优势强化,生物元件和工具开发如Porin启动子系统、CRISPRi系统、CRISPR-Cas9系统等,新产物合成如聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)(PHBV)、聚(3-羟基丁酸-co-4-羟基丁酸)(P3HB4HB)、表面活性剂蛋白等,以及PHA分离过程优化、发酵工艺放大、废水循环利用等方面取得的最新进展。随着合成生物学发展和应用,基于工程化盐单胞菌的下一代工业生物技术体系正在不断完善,优势也愈加明显。下一代工业生物技术将为大幅提升绿色生物制造的竞争力提供强力支撑。

    微生物环氧水解酶催化机制及应用研究进展
    曹菲, 李永泉, 毛旭明
    2020, 1(5):  528-539.  doi:10.12211/2096-8280.2020-004
    摘要 ( 890 )   HTML ( 50)   PDF (6394KB) ( 841 )  
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    微生物来源的环氧水解酶(epoxide hydrolases,EHs,EC 3.3.2.3)能不对称水解外消旋环氧化物生成手性环氧化物和邻二醇,催化效率高且区域、立体选择性强,有利于合成高纯度的手性化合物。因此,微生物EHs成为了手性药物合成的一种非常重要的生物催化剂,也是一种强有力的生物合成元件。近10年来,随着基因组学、分子生物学、化学生物学、结构生物学等技术的快速发展,研究者又从多种微生物体内发现了多种具有潜在应用价值的EHs。与此同时,研究者也对微生物来源的EHs的酶学特性、生物大分子结构与催化机理进行了深入的研究。本文介绍了几种目前研究比较透彻的EHs催化机制,并综述了近10年来最新发现的微生物来源EHs,这些EHs具备潜在的应用价值。此外,本文总结了EHs的应用进展,重点介绍了EHs在合成生物学领域的应用。利用酶的定向进化等技术提高EHs催化性能和串联多个合成元件高效合成手性产物,是当前主要的研究趋势。

    细菌群体感应系统在细胞间通讯中的应用及其合成生物学研究进展
    李晓萌, 姜威, 梁泉峰, 祁庆生
    2020, 1(5):  540-555.  doi:10.12211/2096-8280.2020-043
    摘要 ( 1372 )   HTML ( 138)   PDF (1959KB) ( 1333 )  
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    群体感应(quorum sensing,QS)是一种细菌细胞与细胞间的通讯系统,细菌通过分泌扩散性小分子信号感知细菌群体的密度,从而引起一组特定基因在转录水平协调表达。随着研究的不断深入,群体感应相关基因元件及调控原理逐渐清晰。近年来通过合成生物学手段构建包含细菌QS系统组成部分的基因线路,实现了种内和种间的人工通讯,而且这些基于QS的基因线路在生物技术和生物医药等领域有着巨大的应用潜力。本文综述了几种目前研究相对清楚且有代表性的微生物群体感应系统及其主要功能作用,介绍了基于群体感应系统构建的合成生物学基因线路在种内细胞间通讯和种间细胞间通讯的应用,并讨论了微生物群体感应系统研究在构建生物计算工具、调控种群密度和调节代谢流等方面的未来发展前景。

    酿酒酵母基因组进化的研究进展
    夏思杨, 江丽红, 蔡谨, 黄磊, 徐志南, 连佳长
    2020, 1(5):  556-569.  doi:10.12211/2096-8280.2020-044
    摘要 ( 1310 )   HTML ( 106)   PDF (2658KB) ( 1200 )  
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    由于细胞代谢和调控网络的复杂性,尤其是对于多基因调控的复杂性状和遗传工具有限的生物系统而言,基因组进化在微生物细胞工厂的构建中起着至关重要的作用。基因组进化通过人为创造多样化性状以及功能筛选的迭代循环,在实验室中模拟且加速自然进化的过程,从而快速获得满足目标需求的进化突变体。酿酒酵母是代谢工程中重要的底盘细胞,全基因组进化是对其进行系统性改造的最有效合成生物学手段之一。本文总结了基因组进化在构建高效的酿酒酵母细胞工厂中的技术进展和应用,包括基因组改组、转座子插入诱变和全局转录机制工程(gTME)等基于随机突变的非理性基因组进化以及诸如酵母寡核苷酸介导的基因组工程(YOGE),真核基因组多重位点自动改造技术(eMAGE)、RNAi辅助的基因组进化方法(RAGE)以及基于CRISPR体系的基因组规模改造技术(CHAnGE、MAGIC和MAGESTIC)等可示踪的半理性基因组进化,并简要介绍了基因组进化面临的挑战和高通量筛选方法的发展前景。

    烟酰胺类辅酶依赖型氧化还原酶的辅酶偏好性改造及其在合成生物学中的应用
    刘美霞, 李强子, 孟冬冬, 魏欣蕾, 游淳
    2020, 1(5):  570-582.  doi:10.12211/2096-8280.2020-038
    摘要 ( 924 )   HTML ( 44)   PDF (2849KB) ( 1299 )  
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    烟酰胺类辅酶NAD(P)是生命体氧化还原过程中最常见的电子中介体。绝大多数氧化还原酶都需要NAD或NADP进行分解代谢和合成代谢,但根据其在代谢过程中的作用,不同氧化还原酶表现出不同的辅酶偏好性。为了解决辅酶在代谢过程中的供需平衡、生产成本和稳定性等问题,对氧化还原酶的辅酶偏好性改造是蛋白质工程的研究热点。本文综述了氧化还原酶的天然烟酰胺辅酶偏好性的改造方法和研究进展,以及天然辅酶偏好性改造工程在提高产品收率和降低生产成本方面的应用。仿生烟酰胺辅酶因成本低、稳定性高,常被用来代替天然烟酰胺辅酶参与氧化还原反应,因此本文还详细介绍了改造酶元件使其偏好仿生烟酰胺辅酶以及其在合成生物学领域构建体内生物正交氧化还原途径和体外合成途径等方面的研究进展。随着更多天然酶元件以及新型优良仿生辅酶的挖掘和设计,从天然辅酶到仿生辅酶的辅酶偏好性改造已成为辅酶工程的一个重要方向。

    天然产物成药性的合成生物学改良
    王清, 陈依军
    2020, 1(5):  583-592.  doi:10.12211/2096-8280.2020-019
    摘要 ( 1653 )   HTML ( 118)   PDF (2109KB) ( 1850 )  
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    微生物和植物来源的天然产物结构复杂多样,具有抗感染、抗肿瘤、免疫抑制等多种活性,是现代临床治疗药物的重要来源之一。然而,大部分天然产物存在水溶性差、活性不强、结构类似物多以及可及性受限等问题,难以通过简单的化学修饰和改造解决,极大限制了天然产物的成药性及其后续研发。综合基因工程、代谢工程、基因组学、系统生物学、合成化学和计算生物学等学科的合成生物学,为改善天然产物的成药性提供了新机遇。本文针对限制天然产物成药的主要因素,概述了近年来利用合成生物学方法与策略在提高天然产物成药性方面取得的研究进展。通过理性分析天然产物的构效关系、挖掘合成和调控元件、构建系列反应模块和人工合成体系、筛选并优化底盘生物等策略,实现了多种天然产物来源药物或前体在“细胞工厂”中的定向、高效合成。与此同时,合成生物学技术也衍生了结构多样和性质改良的生物活性分子和潜在新药。随着合成生物学、药学和信息科学等方面的发展,可以预见提高和改善天然产物成药性的研究将会进入一个崭新的时代。

    合成生物学技术制造食品的商业化法律规范
    杜立, 王萌
    2020, 1(5):  593-608.  doi:10.12211/2096-8280.2020-041
    摘要 ( 793 )   HTML ( 697)   PDF (1803KB) ( 876 )  
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    随着合成生物学基础研究的不断突破,其在多领域已初显应用潜力,商业化价值日益凸显。在食品制造业,合成生物学技术的运用可以提高食物的营养价值,提供给消费者更多样化的选择,以及缓解未来粮食短缺问题。目前已有数种合成生物食品在欧美国家投入销售市场,然而利用合成生物学技术制造的食品在生物安全、食品安全以及伦理等方面仍存争议,如何运用法律来平衡此类食品商业化带来的风险和收益已经成为欧美各国和国际社会关注的重点问题。本文基于近年合成生物食品领域的投融资状况,梳理欧美国家以及我国针对合成生物食品商业化的相关政策及风险管控立法;以已经在美国获批进入销售市场的合成生物食品——“不可能汉堡”为例,探讨法律规范对于新兴合成生物食品商业化的影响。本文最后提出支持与完善我国合成生物食品商业化相关问题的法律建议。

    研究论文
    基于紫外诱变与生物合成基因簇倍增的多氧霉素高产菌株构建
    刘如欣, 杜磊, 徐晓庆, 丁金鹏, 张伟, 李盛英
    2020, 1(5):  609-620.  doi:10.12211/2096-8280.2020-032
    摘要 ( 839 )   HTML ( 62)   PDF (2537KB) ( 876 )  
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    多氧霉素是一种抑制几丁质生物合成的广谱抗真菌类抗生素,对多种真菌引起的农作物病害具有显著的防治效果,且对人和动植物无害,是一种绿色安全的生物农药,目前仍然是全球应用最广泛的抗真菌农药之一。多氧霉素的主要作用机制在于竞争性抑制真菌细胞壁合成中几丁质合成酶的活性,因此对农作物真菌病害具有显著的防治效果。现代农业的发展对于绿色生物农药的需求日益增长,本研究的目的是构建多氧霉素关键活性成分——多氧霉素B的高产菌株。从一株自土壤环境中分离得到的金色链霉菌(Streptomyces ansochromogenes)出发,首先通过紫外诱变初步筛选多氧霉素B的高产突变菌株;然后利用ExoCET直接克隆技术对多氧霉素基因簇pol进行克隆,并在基因簇第1个基因上游分别添加原始启动子和kasOp*强启动子,通过整合酶phiC31将基因簇整合到突变株染色体上构建pol倍增菌株,HPLC-MS检测比较多氧霉素B的产量。通过紫外诱变育种和筛选获得了链霉菌突变株Pol-12菌株,其产量较野生型菌株提高了1.2倍。为进一步提高多氧霉素产量,利用ExoCET直接克隆技术将pol克隆至p15A载体,并通过接合转移转化Pol-12菌株获得pol倍增菌株S. ansochromogenes Pol-12::Pori-pol(M1)和S. ansochromogenes Pol-12::PkasOp*-pol(M2)。与受体菌Pol-12相比,菌株M1和M2多氧霉素B的产量分别提高了22倍和33倍。因此得出结论:紫外随机诱变育种联合基因工程定向育种可有效应用于多氧霉素高产菌株的构建,增加基因簇的拷贝数以及强启动子插入有效提高了多氧霉素B的产量。