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Synthetic biology-driven advances in artificial blood research
HUANG Ruping, SUN Wenzhao, JIN Juan, LV Xueli, SHENG Jingyi, HUANG Bin, GU Ning
Synthetic Biology Journal    DOI: 10.12211/2096-8280.2025-094

Fig. 2 Engineering strategies for synthesizing robust, high-active rHb
Extracts from the Article
Hb是人工氧载体的核心功能蛋白，因此，研究者主要围绕其结构优化和表达系统的构建展开研究。在结构优化方面，研究者基于天然Hb分子的结构信息，针对其抗氧化性弱、NO清除能力强等特点，通过点突变、链段插入或融合设计等方式对Hb进行功能性改造。例如，Cooper等人［53］发现，通过在胎儿血红蛋白的γ亚基表面插入酪氨酸残基，能够建立新的蛋白内电子传递路径，增强Hb的抗氧化能力；同时，在α和γ链的远端血红素口袋中引入苯丙氨酸，能显著降低Hb清除NO的速率，减少血管收缩等不良反应。这些改造能够有效提高 HBOCs的安全性和稳定性。Liu等人［54］近期提出一种系统性的合成生物学策略，通过多轮高通量筛选与理性设计，能够提升Hb的结构稳定性、血红素结合能力以及氧运输效率，从而获得理想的人血红蛋白变体（rHb）（图2）。该团队构建了两个高通量筛选工具，其一为基于CysGA荧光传感器的rHb-CysGA（G4S）?系统。该系统可用于筛选四聚体稳定性更强的Hb突变体；其二为rHb-HS1M7A双质粒系统。该系统通过荧光比值（eGFP/mKATE2）监测筛选出heme结合能力更强的变体。经过多轮突变优化，研究者最终获得含13个位点突变的rHb13th突变体，并使其在heme合成增强的大肠杆菌HEMER11菌株中成功实现高效异源表达。该突变体同时展现出良好的热稳定性、极低的自氧化率，且释氧能力接近天然红细胞，展现出成为新一代人工氧载体的应用潜力。
（1）基因编辑与调控系统：该类工具以可编程核酸识别为核心，其中应用最广泛的系统之一是CRISPR/Cas9系统，已经成为一种成熟高效的基因组编辑技术［42］.CRISPR/Cas9系统通过工程化的单链向导RNA引导Cas9核酸酶切割基因组，造成DNA双链断裂［43］. ...
Yeast genetic interaction screens in the age of CRISPR/Cas
1
2019
... （1）基因编辑与调控系统：该类工具以可编程核酸识别为核心，其中应用最广泛的系统之一是CRISPR/Cas9系统，已经成为一种成熟高效的基因组编辑技术［42］.CRISPR/Cas9系统通过工程化的单链向导RNA引导Cas9核酸酶切割基因组，造成DNA双链断裂［43］. ...
Cas9-crRNA ribonucleoprotein complex mediates specific DNA cleavage for adaptive immunity in bacteria
1
2012
... （1）基因编辑与调控系统：该类工具以可编程核酸识别为核心，其中应用最广泛的系统之一是CRISPR/Cas9系统，已经成为一种成熟高效的基因组编辑技术［42］.CRISPR/Cas9系统通过工程化的单链向导RNA引导Cas9核酸酶切割基因组，造成DNA双链断裂［43］. ...
[Progress and perspective on development of non-model industrial bacteria as chassis cells for biochemical production in the synthetic biology era]
1
2021
... （2）底盘细胞与代谢工程：底盘细胞是合成生物学中的关键“硬件”基础，是代谢反应发生的宿主，它能够承载人工设计的功能化元件、线路与代谢途径等系统，从而实现理性设计目标，是构建高效生物合成平台的核心［44］.常见的模式微生物有酿酒酵母［45］、大肠杆菌［46］、枯草芽孢杆菌［47］、谷氨酸棒杆菌［48］等.代谢工程则是利用基因工程技术来改造生物代谢途径，从而实现高效的生产过程，已逐渐发展成为一门更加系统化和高通量化的学科，有时也被称为系统代谢工程［49］.底盘细胞是代谢工程的物质基础与操作平台，而代谢工程则是针对底盘细胞进行设计与优化的核心手段. ...
Design of a synthetic yeast genome
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2017
... （2）底盘细胞与代谢工程：底盘细胞是合成生物学中的关键“硬件”基础，是代谢反应发生的宿主，它能够承载人工设计的功能化元件、线路与代谢途径等系统，从而实现理性设计目标，是构建高效生物合成平台的核心［44］.常见的模式微生物有酿酒酵母［45］、大肠杆菌［46］、枯草芽孢杆菌［47］、谷氨酸棒杆菌［48］等.代谢工程则是利用基因工程技术来改造生物代谢途径，从而实现高效的生产过程，已逐渐发展成为一门更加系统化和高通量化的学科，有时也被称为系统代谢工程［49］.底盘细胞是代谢工程的物质基础与操作平台，而代谢工程则是针对底盘细胞进行设计与优化的核心手段. ...
Oxidative stress sensitivity of engineered Escherichia coli cells with a reduced genome
1
2011
... （2）底盘细胞与代谢工程：底盘细胞是合成生物学中的关键“硬件”基础，是代谢反应发生的宿主，它能够承载人工设计的功能化元件、线路与代谢途径等系统，从而实现理性设计目标，是构建高效生物合成平台的核心［44］.常见的模式微生物有酿酒酵母［45］、大肠杆菌［46］、枯草芽孢杆菌［47］、谷氨酸棒杆菌［48］等.代谢工程则是利用基因工程技术来改造生物代谢途径，从而实现高效的生产过程，已逐渐发展成为一门更加系统化和高通量化的学科，有时也被称为系统代谢工程［49］.底盘细胞是代谢工程的物质基础与操作平台，而代谢工程则是针对底盘细胞进行设计与优化的核心手段. ...
Large-scale reduction of the Bacillus subtilis genome: consequences for the transcriptional network, resource allocation, and metabolism
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2017
... （2）底盘细胞与代谢工程：底盘细胞是合成生物学中的关键“硬件”基础，是代谢反应发生的宿主，它能够承载人工设计的功能化元件、线路与代谢途径等系统，从而实现理性设计目标，是构建高效生物合成平台的核心［44］.常见的模式微生物有酿酒酵母［45］、大肠杆菌［46］、枯草芽孢杆菌［47］、谷氨酸棒杆菌［48］等.代谢工程则是利用基因工程技术来改造生物代谢途径，从而实现高效的生产过程，已逐渐发展成为一门更加系统化和高通量化的学科，有时也被称为系统代谢工程［49］.底盘细胞是代谢工程的物质基础与操作平台，而代谢工程则是针对底盘细胞进行设计与优化的核心手段. ...
Chassis organism from Corynebacterium glutamicum--a top-down approach to identify and delete irrelevant gene clusters
1
2015
... （2）底盘细胞与代谢工程：底盘细胞是合成生物学中的关键“硬件”基础，是代谢反应发生的宿主，它能够承载人工设计的功能化元件、线路与代谢途径等系统，从而实现理性设计目标，是构建高效生物合成平台的核心［44］.常见的模式微生物有酿酒酵母［45］、大肠杆菌［46］、枯草芽孢杆菌［47］、谷氨酸棒杆菌［48］等.代谢工程则是利用基因工程技术来改造生物代谢途径，从而实现高效的生产过程，已逐渐发展成为一门更加系统化和高通量化的学科，有时也被称为系统代谢工程［49］.底盘细胞是代谢工程的物质基础与操作平台，而代谢工程则是针对底盘细胞进行设计与优化的核心手段. ...
Systems metabolic engineering in an industrial setting
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2013
... （2）底盘细胞与代谢工程：底盘细胞是合成生物学中的关键“硬件”基础，是代谢反应发生的宿主，它能够承载人工设计的功能化元件、线路与代谢途径等系统，从而实现理性设计目标，是构建高效生物合成平台的核心［44］.常见的模式微生物有酿酒酵母［45］、大肠杆菌［46］、枯草芽孢杆菌［47］、谷氨酸棒杆菌［48］等.代谢工程则是利用基因工程技术来改造生物代谢途径，从而实现高效的生产过程，已逐渐发展成为一门更加系统化和高通量化的学科，有时也被称为系统代谢工程［49］.底盘细胞是代谢工程的物质基础与操作平台，而代谢工程则是针对底盘细胞进行设计与优化的核心手段. ...
无细胞合成生物学在生物医学领域的应用研究进展
1
2025
... （3）无细胞与人工系统构建：无细胞合成生物学是无细胞体系与多学科交叉融合形成的新兴生物技术，能够在体外环境重构核心生命过程，如转录、翻译和代谢网络.自Noireaux和Libchaber于2004年首次证明无细胞生物合成系统可在类细胞膜结构如脂质体中持续运行以来［36］，该领域已逐步成为连接生物设计与功能验证的快速桥梁，加速了合成生物学应用的迭代［50］. ...
Research progress on the applicationof cell-free synthetic biology in the biomedical field
1
2025
... （3）无细胞与人工系统构建：无细胞合成生物学是无细胞体系与多学科交叉融合形成的新兴生物技术，能够在体外环境重构核心生命过程，如转录、翻译和代谢网络.自Noireaux和Libchaber于2004年首次证明无细胞生物合成系统可在类细胞膜结构如脂质体中持续运行以来［36］，该领域已逐步成为连接生物设计与功能验证的快速桥梁，加速了合成生物学应用的迭代［50］. ...
基于人工智能和计算生物学的合成生物学元件设计
1
2023
... （4）AI与自动化DBTL循环：AI与计算生物学的深度融合，为深入探索启动子功能并对其进行理性设计提供了强大工具.利用AI算法设计优化的启动子序列，已成为精准调控基因表达、增强目标产物合成效率并降低细胞代谢负荷的关键途径.Wang等人［51］提出AI+DBTL循环的新模式，在DNA与RNA层面，AI模型可预测启动子、核糖体结合位点（RBS）及调控 RNA的活性；在蛋白层面，可辅助结构建模与功能域融合；在代谢与调控网络层面，则通过强化学习与系统建模，优化通路平衡与表达动态.结合高通量筛选与CRISPR系统，AI算法可进一步用于靶点效率预测、脱靶风险评估及引导RNA（gRNA）序列优化，实现高通量、多位点的并行编辑.例如，Chuai等人［52］开发了基于深度学习的 CRISPR/Cas9 gRNA 设计与预测平台DeepCRISPR.该平台对gRNA活性与特异性进行统一预测与优化，标志着深度学习在基因编辑设计领域的首次系统化应用. ...
Design of synthetic biology components based on artificial intelligence and computational biology
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2023
... （4）AI与自动化DBTL循环：AI与计算生物学的深度融合，为深入探索启动子功能并对其进行理性设计提供了强大工具.利用AI算法设计优化的启动子序列，已成为精准调控基因表达、增强目标产物合成效率并降低细胞代谢负荷的关键途径.Wang等人［51］提出AI+DBTL循环的新模式，在DNA与RNA层面，AI模型可预测启动子、核糖体结合位点（RBS）及调控 RNA的活性；在蛋白层面，可辅助结构建模与功能域融合；在代谢与调控网络层面，则通过强化学习与系统建模，优化通路平衡与表达动态.结合高通量筛选与CRISPR系统，AI算法可进一步用于靶点效率预测、脱靶风险评估及引导RNA（gRNA）序列优化，实现高通量、多位点的并行编辑.例如，Chuai等人［52］开发了基于深度学习的 CRISPR/Cas9 gRNA 设计与预测平台DeepCRISPR.该平台对gRNA活性与特异性进行统一预测与优化，标志着深度学习在基因编辑设计领域的首次系统化应用. ...
DeepCRISPR: optimized CRISPR guide RNA design by deep learning
1
2018
... （4）AI与自动化DBTL循环：AI与计算生物学的深度融合，为深入探索启动子功能并对其进行理性设计提供了强大工具.利用AI算法设计优化的启动子序列，已成为精准调控基因表达、增强目标产物合成效率并降低细胞代谢负荷的关键途径.Wang等人［51］提出AI+DBTL循环的新模式，在DNA与RNA层面，AI模型可预测启动子、核糖体结合位点（RBS）及调控 RNA的活性；在蛋白层面，可辅助结构建模与功能域融合；在代谢与调控网络层面，则通过强化学习与系统建模，优化通路平衡与表达动态.结合高通量筛选与CRISPR系统，AI算法可进一步用于靶点效率预测、脱靶风险评估及引导RNA（gRNA）序列优化，实现高通量、多位点的并行编辑.例如，Chuai等人［52］开发了基于深度学习的 CRISPR/Cas9 gRNA 设计与预测平台DeepCRISPR.该平台对gRNA活性与特异性进行统一预测与优化，标志着深度学习在基因编辑设计领域的首次系统化应用. ...
Precise Engineering and Efficient Biosynthesis of Robust and High-Activity Human Haemoglobin for Artificial Oxygen Carriers
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2025
... Hb是人工氧载体的核心功能蛋白，因此，研究者主要围绕其结构优化和表达系统的构建展开研究.在结构优化方面，研究者基于天然Hb分子的结构信息，针对其抗氧化性弱、NO清除能力强等特点，通过点突变、链段插入或融合设计等方式对Hb进行功能性改造.例如，Cooper等人［53］发现，通过在胎儿血红蛋白的γ亚基表面插入酪氨酸残基，能够建立新的蛋白内电子传递路径，增强Hb的抗氧化能力；同时，在α和γ链的远端血红素口袋中引入苯丙氨酸，能显著降低Hb清除NO的速率，减少血管收缩等不良反应.这些改造能够有效提高 HBOCs的安全性和稳定性.Liu等人［54］近期提出一种系统性的合成生物学策略，通过多轮高通量筛选与理性设计，能够提升Hb的结构稳定性、血红素结合能力以及氧运输效率，从而获得理想的人血红蛋白变体（rHb）（图2）.该团队构建了两个高通量筛选工具，其一为基于CysGA荧光传感器的rHb-CysGA（G4S）?系统.该系统可用于筛选四聚体稳定性更强的Hb突变体；其二为rHb-HS1M7A双质粒系统.该系统通过荧光比值（eGFP/mKATE2）监测筛选出heme结合能力更强的变体.经过多轮突变优化，研究者最终获得含13个位点突变的rHb13th突变体，并使其在heme合成增强的大肠杆菌HEMER11菌株中成功实现高效异源表达.该突变体同时展现出良好的热稳定性、极低的自氧化率，且释氧能力接近天然红细胞，展现出成为新一代人工氧载体的应用潜力. ...

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