调控元件与底盘适配性的研发

合成生物学是21世纪新兴的交叉学科,仅仅十年的发展就取得举世瞩目的成就。然而由于外源元件与底盘适配性研究不够深入,细胞工厂消耗了更多的资源,增加了排放和环境污染,生产效率远远不能满足设计需求。适配性研究的滞后影响了合成生物学的深入发展和产业化应用,本文试图从调控元件与底盘适配性的环节探讨突破的可能。     

人工酵母后鲨烯路径基因对7-脱氢胆固醇合成的影响

酵母内源后鲨烯路径中的固醇类物质,是异源甾体类药物合成的重要前体。为了通过微调后鲨烯路径,与异源模块进行适配,以期达到提高异源甾体类化合物表达的目的,以维生素D₃的直接前体-7-脱氢胆固醇(7-DHC)的合成为例,首先在固醇C-24甲基转移酶(ERG6)缺失的酿酒酵母BY4742中,通过导入人源固醇C-24 还原酶DHCR24,并过表达截短的羟甲基戊二酰辅酶A还原酶tHMGR,获得可以合成7-DHC的人工酵母。在此基础上,将后鲨烯路径分割并构建成ERG1、ERG7、ERG11、ERG24-25-26-27和ERG2-3这5个模块,分别在所构建的7-DHC合成菌株中过表达。通过GC-TOF/MS分析7-DHC以及后鲨烯路径中相关代谢中间体的含量,并结合主成分分析发现,过表达不同后鲨烯模块会引起后鲨烯路径上固醇组分的变化而最终影响7-DHC的产量:与出发菌株相比,过表达ERG11模块会显著强化其他固醇物质到酵母固醇的转化;而过表达ERG2-3模块则会减少鲨烯的积累,同时显著增加羊毛固醇及其之后的固醇组分的含量,并获得迄今为止7-DHC在微生物中摇瓶水平的最高产量。因此,对ERG11和ERG2-3的表达优化对7-DHC的合成以及后鲨烯路径代谢流的强化起到了显著的作用,是后续优化人工7-DHC合成酵母的潜在靶点。为研究后鲨烯路径与其他异源甾体合成模块间的适配,提供了可供参考的案例。     

合成生物学底盘微生物细胞的应用及其生物安全在创新型本科生培养中的实践

本科生创新能力培养是\"双一流\"建设人才培养的重要组成部分。合成生物学是一门新兴多学科交叉领域,被誉为可改变世界的十大新技术领域之一。构建高版本底盘微生物细胞和利用底盘细胞人工合成细胞工厂是合成生物学的重要组成部分。以实现创新型本科生为培养目标,我们将合成生物学底盘微生物细胞技术融入人才培养环节,通过组织学生参加国际遗传工程机器设计竞赛、主持大学生创新创业训练项目以及完成本科生毕业设计课题等多元化途径,提高学生理论联系实际及创新实践能力。同时,由于底盘微生物细胞是基因组经过精简、优化或其基因通路被改变的细胞,其应用存在一定的生物安全风险。我们通过将安全教育纳入培养大纲和教学计划、出版实验室安全与操作规范专业教材、开发虚拟仿真实验项目、建立实验室准入制度和信息化管理体系,以及针对底盘微生物细胞从购买、管理、规范使用和废弃物处理等进行生物安全教育等系列举措,规范底盘微生物细胞应用的生物安全。这些实践为培养创新型本科生提供了一个强有力的途径和有效保障,也为合成生物学的发展提供了支持,并有助于培养新的生力军。     

合成生物学时代基于非模式细菌的工业底盘细胞研究现状与展望

工业微生物底盘细胞的开发将为工业生物技术的发展提供优良的细胞工厂,有利于实现环境保护及经济可持续发展.基于合成生物学\"设计-构建-测试-学习\"(Design-Build-Test-Learn,DBTL)策略,对底盘细胞进行多维度的理性或半理性改造是实现\"建物致知\"以及\"建物致用\"目标的重要手段.文中简述了合成生物学DB...     

链霉菌底盘细胞的开发现状及其应用

天然产物及其衍生物在现代医疗中扮演着举足轻重的角色,其生物活性多样性以及化学结构的丰富性是新药研发的源泉和动力。利用纯化学方法合成天然产物在技术和成本上有很大的困难,加上许多天然产物的原始产生菌具有培养条件苛刻、产量低下等缺点,而且大量基因簇在原始菌株中是沉默的,这使得利用合成生物学思想来指导天然产物生物合成基因簇的异源表达具有重大意义。作为抗生素、抗肿瘤活性物质、免疫抑制剂等次级代谢产物主要来源的放线菌一直是研究者们关注的焦点,特别是随着基因测序技术的飞速发展,人们发现链霉菌基因组中包含着极为丰富的天然产物生物合成基因簇资源。这意味着开发链霉菌底盘细胞作为异源表达宿主有其得天独厚的优势。本综述从底盘细胞开发的意义入手,重点阐述链霉菌底盘细胞构建的策略及现状,随后通过实例阐述了各种底盘链霉菌的实际应用。     

脱氢松香基1,2,4-三氮唑衍生物的合成及除草活性

以脱氢松香酸为原料,经5步反应设计合成了6个新型的脱氢松香基-1,2,4-三氮唑类化合物,对所有目标化合物的结构都进行了1H NMR、IR、MS和元素分析确证。初步的生物活性检测结果表明,所有目标化合物都表现出一定的除草活性。     

应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘

光合蓝细菌具有一系列良好的特质,包括利用太阳能固定CO2、营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等.近年来,光合蓝细菌作为生产可再生燃料和精细化学制品的“自养型人工细胞工厂”引起了社会的广泛关注,促进了相关研究的升温.目前在应用合成生物学的技术和研究策略来优化光合蓝细菌作为底盘生物等方面已取得了一些令人鼓舞的进展.文中综述了近年来在光合蓝细菌底盘优化的方法、光合效率的提高以及各种耐受性蓝细菌底盘的构建方面的进展,并对光合蓝细菌底盘构建的工业应用价值进行了讨论.     

基因组编辑技术的优化发展及其在底盘细胞改良与代谢工程中的应用

基因组编辑技术利用核酸酶对特定基因序列进行特异性切割,随后借助细胞内的自然修复机制,实现对基因的定向编辑。基因编辑技术经过不断地开发与改造,向着特异性更强、操作效率更高、适用性更广泛的方向发展。对于CRISPR/Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein)系统的开发拓宽了基因编辑技术的应用前景。在合成生物学中,CRISPR/Cas系统已经广泛应用于底盘细胞的改造,通过对底盘细胞的基因组精简、转录和翻译调控,以及合成途径的改造,可以有效地降低细胞的代谢负担,减少抑制细胞生长的代谢副产物和有毒性或会对目标产物合成产生负面影响的物质。本文简要介绍了基因组编辑技术的发展历程,着重阐述CRISPR技术的研究进展,并强调了基因编辑技术在底盘细胞改良与代谢工程中的应用多样性,最后展望了基因编辑技术在合成生物学的发展趋势。     

脱氢松香基1,2,4-三氮唑衍生物的合成及除草活性北大核心CSCD

以脱氢松香酸为原料,经5步反应设计合成了6个新型的脱氢松香基-1,2,4-三氮唑类化合物,对所有目标化合物的结构都进行了1H NMR、IR、MS和元素分析确证。初步的生物活性检测结果表明,所有目标化合物都表现出一定的除草活性。     

蓝细菌细胞工厂合成聚合物单体的研究进展

蓝细菌是当前合成生物学研究的热门底盘生物之一,是光合自养底盘微生物的典型代表.随着化石资源的逐渐枯竭和碳排放所导致的全球变暖问题的加剧,以CO2为碳源的蓝细菌细胞工厂的研究又迎来了一次新的浪潮.长期以来,人们对于蓝细菌细胞工厂的关注点主要是在生物能源的生产,比如液体燃料及氢气等.蓝细菌细胞工厂研究的主要瓶颈之一是其低效...     

合成生物学及其在生物技术中的应用进展

合成生物学是一门21世纪生物学的新兴学科,它着眼生物科学与工程科学的结合,把生物系统当作工程系统\"从下往上\"进行处理,由\"单元\"(unit)到\"部件\"(device)再到\"系统\"(system)来设计,修改和组装细胞构件及生物系统.合成生物学是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程等多学科交叉的产物.目前研究应用包括两个主要方面:一是通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造,修改已存在的生物系统,使该系统增添新的功能.二是通过设计和构建新的生物零件、组件和系统,创造自然界中尚不存在的人工生命系统.合成生物学作为一门建立在基因组方法之上的学科,主要强调对创造人工生命形态的计算生物学与实验生物学的协同整合.必须强调的是,用来构建生命系统新结构、产生新功能所使用的组件单元既可以是基因、核酸等生物组件,也可以是化学的、机械的和物理的元件.本文跟踪合成生物学研究及应用,对其在DNA水平编程、分子修饰、代谢途径、调控网络和工业生物技术等方面的进展进行综述.     

合成未来：从大肠杆菌的重构看合成生物学的发展

合成生物学（synthetic biology）是伴随着基因工程、系统生物学以及生物信息学的发展而出现的一个新的交叉学科。大肠杆菌（Escherichia coli）作为一种宿主在合成生物学的发展中功不可没。从某种意义上讲,合成生物学的每一次进展都离不开大肠杆菌。从大肠杆菌的角度出发,对合成生物学的发展进行深入分析,并提出了合成生物学在中圉发展的重点。     

细胞编程技术:助力高效细胞工厂的设计

合成生物学是近年来蓬勃发展的一门涉及分子生物学、生物工程、微生物学、系统生物学等多个学科新型交叉学科;旨在利用生物学原理和工程方法创造全新的生物学系统和生物产品。合成生物学的发展也受到了高效“细胞工厂”理念的推动;这使得生物工程技术朝着工业化应用的方向迈出了重要一步。然而;受制于生产效率低、遗传不稳定、调控过程难等问题;如何获得转化效率高、鲁棒性强的“细胞工厂”仍然是合成生物学领域面临的重要任务。近年来;细胞工程和基因工程领域发展迅速;新型细胞元件、细胞底盘以及基因回路构造方式等技术逐渐成熟;其通过精确的基因编辑和调控;可实现对细胞的特定功能进行编程;例如增强细胞的代谢能力、改变细胞的分化路径以及设计新的细胞功能模块等;具有广泛的应用前景。本文从新型细胞元件、底盘细胞以及基因回路构造方式等角度;综述了近年来在细胞工程和基因工程领域发展迅速的细胞编程技术;这些技术的进步已经或者将要用于合成生物学的发展中;将会赋予工程菌更加强大的工作能力。     

新型生长快速需钠弧菌基因组无痕编辑体系构建

需钠弧菌Vibrionatriegens作为近几年发展起来的一种新型生长快速底盘细胞,在合成生物学领域展现出良好的应用前景。基因组编辑是合成生物学研究中不可或缺的遗传操作手段。但是,开展需钠弧菌的合成生物学研究仍然有待进一步发展精准、高效的基因组编辑系统。针对这个问题,首先对6株需钠弧菌的生理表型进行检测,选取生长快速、表型稳定的CICC 10908菌株作为基因组编辑研究的宿主细胞。其次,建立并优化需钠弧菌自然转化系统。优化后的系统将筛选标记基因cat-sacB或KanR整合到需钠弧菌染色体上的同源重组效率分别达到4×10–5和4×10–4。再次,在优化的自然转化系统基础上,利用双向选择性筛选方法,建立了精准、高效的需钠弧菌基因组无痕编辑体系。通过测试,基因敲除、回补、插入和替换这4种不同类型基因编辑的阳性率分别为93.8%、100%、95.7%和100%。最后,需钠弧菌可以实现质粒的高效转化和消除。该工作为需钠弧菌合成生物学研究提供精准、高效的基因组无痕编辑手段。     

谷氨酸棒杆菌耐受胁迫机制及工业鲁棒性合成生物学研究进展

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum作为一般被认为具有生物安全性的一种模式工业微生物,不仅在发酵工业中成功用于大规模生产氨基酸,而且具有合成多种新型化学品的潜力。谷氨酸棒杆菌菌株在生产化合物时,经常会受到各种逆境条件的胁迫,从而降低细胞活力和生产性能。合成生物学的发展为提高谷氨酸棒杆菌的鲁棒性提供了新的技术手段。本文总结了谷氨酸棒杆菌应对发酵过程中各种胁迫的耐受机制。同时,重点介绍提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性和耐受性的合成生物学新策略,包括挖掘新的抗逆元件、改造转录调控因子、利用适应性进化策略挖掘抗逆功能模块等。最后,从生物传感器、转录调控因子的筛选和设计、多种调控元件利用等方面对提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性进行了展望。