基因合成与基因组编辑

合成生物学被认为是继"发现DNA双螺旋"和"人类基因组测序计划"之后的又一次生物技术革命,有望在工业制造、医药、农业、环境和能源等诸多领域带来变革。DNA合成和基因编辑是合成生物学的基石,其技术进步也是推动合成生物学快速发展的主要动力。该文重点介绍了DNA合成和基因编辑领域的主要技术及其研究进展,包括利用芯片oligo池的高通量基因合成技术和CRISPR介导的第三代基因组编辑系统等。     

计算生物学分析在基因组编辑研究中的应用

基因组编辑是对基因组遗传信息进行定向改造的技术,其中CRISPR/Cas系统是目前应用最广泛的基因组编辑新技术。将先进的高通量测序以及相关计算生物分析应用于基因编辑研究,可进一步优化基因编辑效率和精度等检测流程,实现对全基因组功能基因筛选的监测。同时,利用基于生物信息及机器学习和深度学习等新方法,可对向导RNA(gRNA)的高效设计和实现对编辑效果的预测。本文将对计算生物学分析在CRISPR/Cas基因编辑系统的应用及研究进展等进行概述。     

数字细胞模型的研究及应用

组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义,因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍,重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用,进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势,对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍,最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。     

2023年合成生物学在健康与医药领域的应用

自21世纪初以来,高通量DNA测序、大规模DNA合成与组装、高效率基因组编辑等技术不断取得突破,推动合成生物学“读-编-写”进入高通量、自动化的时代,已经开始影响或应用于生物医药、材料化工、农业、食品、能源、环境保护等多个领域。在健康与医药领域,合成生物学研究成果和技术创新可以在认识生命规律的基础上,解析疾病发生发展机制、寻找药物设计靶点、干预自然的生理代谢过程与机体的免疫应答机制、实现对人体生理状态的监测以及对疾病的诊断与治疗,从而深刻影响医疗模式、诊疗体系和生命健康产业。该文对2023年合成生物学在健康与医药领域的规划布局、研发进展和产业发展进行了系统性的梳理,并展望了该领域未来更广泛的应用前景。     

工业应用导向的蛋白质结构与功能研究进展

在蛋白质工程、绿色生物制造以及合成生物学等研究领域中,对重要催化反应的重塑和合成路径的优化搭建,都依赖于对相关蛋白质结构与功能的深入了解。合成生物技术近年来的飞速发展对关键菌种及生物催化过程中的蛋白质的性能提出了更高要求,相关研究的关键是获得大批量、高纯度目的蛋白,并进行快速、准确的构效关系研究。中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来,在工业蛋白质领域进行了多年的积累,成功搭建成了蛋白质结构生物学平台;并在植物天然产物合成相关萜类合成酶、白色污染降解的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)塑料降解酶以及生物质转化利用相关酶等方面获得了一些进展,通过对这些蛋白进行结构和功能的研究,为许多研究工作提供了理论依据。蛋白质结构功能研究相关技术的不断发展,将加速合成生物学的学术和工业应用研究,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

中国科学院工业生物技术发展路径

随着工程生物学、基因编辑等共性技术的快速发展,工业生物技术领域的颠覆式创新在低碳合成、未来食品、药物开发等工业生物技术领域不断取得颠覆式创新,支撑了生物产业高质量创新发展。工业生物技术正在为变革传统工业制造模式,构建碳中性工业制造路线形成重要科技支撑。本文从战略规划、创新机构、人才建设、基础研究、科技创新、产业推进等方面系统介绍了中国科学院在工业生物技术领域的整体安排、建制化研发与科技进展,并提出了加快工业生物技术发展的建议。     

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DBTL策略中各步骤相关的重要技术方法;概述了部分重要模式微生物底盘细胞的策略与研究进展;重点比较介绍了工业生物技术领域具有特殊生理功能、利用一碳化合物及高效生产平台化合物的部分非模式细菌;同时也提出了实现优良、安全合成微生物细胞工厂构建与应用的策略。这些方法策略包括依靠合成生物学技术方法,综合模式与非模式微生物优势,开发应用经济、高效的高通量智能装备,建立分子组学与表型组学研究平台,推动多层次系统生物学与表型组学大数据的解析、整合、模拟与可视化,以及建立高质量的数字细胞模型和基因组优化的底盘细胞,推动高效、优良工业细胞工厂的理性设计、构建与应用。     

高通量测序技术在农作物全基因组序列测定中的应用概览

近几年飞速发展的高通量测序技术(next generation sequencing,NGS)在生命科学研究的各个领域充分展现了其低成本、高通量和应用面广等优势。在现代农业生物技术领域,利用高通量测序技术,科学家们不仅能更经济而高效对农作物、模式植物或不同栽培品种进行深入的全基因组测序、重测序,也可以对成百上千的栽培品种进行高效而准确的遗传差异分析、分子标记分析、连锁图谱分析、表观遗传学分析、转录组分析,进而改进农作物的育种技术,加快新品种的育种研究。其中,获得农作物的全基因组序列是其他研究和分析的基础。本文通过介绍近年来发表的一些利用高通量测序技术进行的农作物全基因组测定和组装的工作,展示高通量测序技术在现代农业生物技术领域的广泛前景以及其建立起来的研究基础。     

合成生物学：从“造物致用”到产业转化

“合成生物学”在生命科学研究中汇聚了工程、物理、化学、数学、计算机等学科的进展,采用工程科学的研究理念,对生物体进行有目标地设计、改造乃至重新合成,甚至创建赋予非自然功能的“人造生命”,推动了从认识生命到设计生命的跨越,正在引领产业技术变革和生物经济可持续发展。本文结合中国科学院天津工业生物技术研究所作为我国合成生物学领域重要代表成立十年来的发展,聚焦“造物致用”,简要回顾和梳理了国内外合成生物学的重要科技进展与产业发展状况,并展望分析了我国合成生物学的未来发展。     

基因合成技术研究进展

基因合成是生物学中一项最基本的、最常用的技术.对DNA调控元件、基因、途径乃至整个基因组的合成是验证生物学假设和利用生物学为人类服务的有力工具.合成生物学的快速发展对基因合成能力提出了日益迫切的需求.近年来,基于微芯片基因合成技术取得了很多令人振奋的新进展,正在向着高通量、高保真、自动化的方向发展.文中综述了DNA化学合成和基因组装及相关技术的最新研究进展和发展趋势,这些新技术正在推动着合成生物学向着更高的水平发展.     

Microfluidics Approaches in Modern Developmental Biology

Modern automated microsystems based on microhydrodynamic (microfluidic) technologies— labs on chips—make it possible to solve various basic and applied research problems. In the last 15 years, the development of these approaches in application to the problems of modern quantitative (systems) development biology has been observed. In this field, high-throughput experiments aimed at accumulating ample quantitative data for their subsequent computer analysis are important. In this review, the main directions in the development and application of microfluidics approaches for solving problems of modern developmental biology using the classical model object, Drosophila embryo, as an example is discussed. Microfluidic systems provide an opportunity to perform experiments that can hardly be performed using other approaches. These systems allow automated, rapid, reliable, and proper placing of many live embryos on a substrate for their simultaneous confocal scanning, sorting them, or injecting them with various agents. Such systems make it possible, in particular, to create controlled gradients of microenvironmental parameters along a series of developing embryos or even to introduce discontinuity in parameters within the microenvironment of one embryo, so that the head half is under other conditions compared to the tail half (at continuous scanning). These approaches are used both in basic research of the functions of gene ensembles that control early development, including the problems of resistance of early patterns to disturbances, and in test systems for screening chemical agents on developing embryos. The problems of integration of microfluidic devices in systems for automated performance of experiments simultaneously on many developing embryos under conditions of their continuous scanning using modern fluorescence microscopy instruments will be discussed. The methods and approaches developed for Drosophila are also applicable to other model objects, even mammalian embryos.     

工业微生物：创新与突破专刊序言(2021)

工业微生物及其产品广泛用于工业、农业、医药等诸多领域,相关产业在国民经济中具有举足轻重的地位。高效的菌株是提高生产效率的核心,而先进发酵技术和仪器平台对充分开发菌株代谢潜能也很重要。近年来,工业微生物领域的研究取得了快速进展,人工智能、高效基因组编辑技术和合成生物学技术逐渐广泛使用,相关产业应用也在不断扩展。为进一步促进工业微生物在生物制造等领域的应用,《生物工程学报》特组织出版专刊,从微生物菌株的多样性和生理代谢、菌株改造技术、发酵过程优化和放大,高通量微液滴培养装备开发以及工业微生物应用等方面,分别阐述目前的研究进展,并展望未来的发展趋势,为促进工业微生物及生物制造等产业的发展奠定基础。     

核黄素工业菌株高通量筛选方法的建立和应用

枯草芽孢杆菌是主要的核黄素工业生产菌之一,高通量筛选技术是选育获得高产核黄素菌株的关键环节。为实现工业菌种选育与高通量筛选技术相结合,对流式细胞分选、液滴微流控分选和96孔板筛选在核黄素工业菌株筛选中的应用进行了研究,并对96孔板筛选方法进行了优化。在流式细胞分析中,来源于同一株工业菌的低产菌株P1与高产菌株R1的细胞荧光与核黄素产量不成正相关。在液滴微流控分析中,P1和R1的发酵液上清荧光与核黄素产量成正相关,然而液滴分选后活细胞的数量很少。在96孔板筛选实验中,振荡培养后P1和R1的发酵液荧光分别为22 264 a.u.、28 647 a.u.;静置培养后荧光分别为7 095 a.u.、10 189 a.u.,核黄素产量与荧光成正相关,且二者荧光差异显著。利用96孔板静置培养的方法对工业菌株S1的突变体库进行筛选,得到的优选菌株核黄素产量为2.53 g/L,相比S1提高了15%。这些结果表明96孔板静置培养-荧光检测筛选可以应用于核黄素工业生产菌产量的提高。     

基于微流控芯片的秀丽隐杆线虫的研究进展

微流控芯片技术作为近年来最前沿的分析技术之一,已经在化学、生物学、医药学等研究领域取得了突破性的进展.微流控芯片具有高通量、微型化和多功能集成化等独特优势,已经成为生物医学研究的新平台之一,被越来越多地应用于秀丽隐杆线虫的研究.综述了基于微流控芯片上的秀丽隐杆线虫在生物医学领域中的研究进展,侧重介绍了微流控芯片在线虫的自动化固定、行为学、衰老与发育学、神经学、药物筛选及基因筛选等六大方面所取得的最新进展,并展望了微流控芯片的应用前景.     

Genome-scale genetic engineering in Escherichia coli

Genome engineering has been developed to create useful strains for biological studies and industrial uses. However, a continuous challenge remained in the field: technical limitations in high-throughput screening and precise manipulation of strains. Today, technical improvements have made genome engineering more rapid and efficient. This review introduces recent advances in genome engineering technologies applied to Escherichia coli as well as multiplex automated genome engineering (MAGE), a recent technique proposed as a powerful toolkit due to its straightforward process, rapid experimental procedures, and highly efficient properties.     

CRISPR/Cas9技术在工业微生物中的应用

近年来,通过基因编辑技术对工业微生物底盘细胞改造从而获得的优良细胞工厂,促进了农业、医学、环境、能源等领域的可持续发展,提高了人民的生活水平。微生物底盘细胞的改造离不开基因编辑,作为现阶段主要的基因编辑技术,规律间隔成簇短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR）/Cas9系统自被发现以来,依靠其低成本、高效率等编辑优点,被广泛用于工业微生物底盘细胞的改造。本文主要简述了以CRISPR/Cas9为基础而衍伸出的各种基因编辑技术,提出了常用的工业微生物对应底盘细胞的改造策略,以期为研究者在进行微生物底盘细胞改造时选择出合适的基因编辑方法。最后指出了CRISPR基因编辑技术面临的PAM位点的依赖性、脱靶效应和应用广泛性等问题。