合成生物学技术在材料科学中的应用

材料是人类赖以生存与发展的物质基础,科技和社会的进步都离不开材料技术的发展,未来先进材料的合成和制备必然朝着绿色可持续、低耗高产出、精细可调控、高效多功能的方向发展。以"基因调控·工程设计"为核心的合成生物学技术从分子、细胞层面极大地推动了生命科学的发展,也已经并继续为材料科学的发展注入新的思路和活力。本文将围绕合成生物学技术在材料科学中的应用,以基因回路设计为核心,概念应用为线索,重点介绍合成生物学技术在高分子生物材料和无机纳米材料领域的开发和生产,细胞展示和蛋白定向进化战略对分子材料的筛选和优化,"活体"功能材料、工程菌调节的人工光合系统功能材料体系以及基因回路在材料科学中的应用。     

从DNA合成技术角度阐述合成生物学

合成生物学是一个拥有巨大潜力的新兴学科,合成生物学技术的发展将会对未来生物、医药、农业、能源、材料和环保等方面产生巨大的推进作用。基因合成是合成生物学中最基本和使用最多的一种技术手段,合成生物学的快速发展对基因合成能力提出了空前需求。综述基因合成技术的发展历史、现状和未来趋势,探讨基因合成技术存合成生物学以及整个生命科学研究中的应用和重要意义。     

合成生物学及应用

<正>化学工业出版社出版合成生物学是生物学、工程学、化学和信息技术相互交叉形成的一个新兴领域,是设计和建造新的生物学配件、设备和系统,以及为了应用的目的,重新设计现存的自然生物学系统。本书主要介绍了合成生物学的四个相关领域——生物燃料、生物修复、生物材料以及合成生物学的新发展,涉及20项应用。     

合成生物学及应用

<正>化学工业出版社出版合成生物学是生物学、工程学、化学和信息技术相互交叉形成的一个新兴领域,是设计和建造新的生物学配件、设备和系统,以及为了应用的目的,重新设计现存的自然生物学系统。本书主要介绍了合成生物学的四个相关领域——生物燃料、生物修复、生物材料以及合成生物学的新发展,涉及20项应用。     

中国合成生物学发展回顾与展望

合成生物学既是一门"汇聚"型新兴学科,又孕育着颠覆性的使能技术.它在系统生物学基础上,融会工程科学原理,采用自下而上的策略,重编改造天然的或设计合成新的生物体系,以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系,被喻为认识生命的钥匙(建物致知)、改变未来的颠覆性技术(建物致用).中国科学家曾经首次实现人工合成蛋白质(牛胰岛素)和核糖核酸(酵母丙氨酸tRNA),近年来又在染色体合成与染色体工程、基因组编辑、生物底盘构建、定量工程生物学、生物元件工程和基因回路工程、天然活性物质和有机化工产品的人工合成代谢、计算机生物模拟等方面取得系列原始发现和创新成果,成为国际合成生物学领域中的一支重要力量.时值新中国科技发展70年,撰写本文,从一个视角讨论合成生物学发展及中国科学界的贡献,纪念开拓者,励志来者,总结经验,梳理发展思路.期待中国合成生物学繁荣发展,更多地贡献于人类.     

自愈合水凝胶在组织工程中的研究进展

作为新型生物医用智能材料,自愈合水凝胶在解决柔性生物材料损伤修复问题及实现生物材料智能化和高效化中具有重要意义.本文综述了目前新型自愈合水凝胶的最新设计思路、性能以及在神经修复、骨缺损修复、心脏组织修复、肝脏止血等组织工程中的应用.这些研究进展为设计制备智能多功能水凝胶材料提供了创新思路,为增加柔性自愈合材料的多样性提供了新途径,为智能水凝胶材料在组织工程中的发展及生物医学中的应用奠定了良好的基础.     

金属纳米材料的生物化学制备及在生物医学领域的应用

近40年来,金属纳米材料发展迅猛,因其不同于宏观晶体的特殊性质,逐渐在各行业中起到了不可或缺的作用。当下人类面临资源、环境等日益严重的生态问题,因此金属纳米材料与生物学结合的绿色生态模式是大势所趋。本文重点综述了利用各种植物提取物、微生物以及蛋白质等生物材料作为还原剂,制备金属以及金属氧化物纳米材料的生物化学绿色合成方法。这些方法操作简单,制备的材料形貌尺寸不会产生太大变化。除此之外,生物材料的特定结构与金属纳米材料结合,通常会表现出协同或者新的理化和生理性能,以至于这些金属纳米材料在光热治疗及生物成像、抑菌及康复治愈和生物传感器及检测等生物医学领域产生了重大影响。金属纳米材料的生物化学制备会给未来纳米材料和生物学领域带来更多的交叉,会有更多跨学科工作者对其现存挑战来进行努力工作,并且在未来的医疗领域定会有金属纳米材料不可或缺的身影。     

基于天然水凝胶的生物材料在骨组织工程中的应用*

天然水凝胶是指原材料来自于天然生物材料的水凝胶。由于这种天然的聚合物含有构成生物体的天然成分,与天然组织具有生物学和化学相似性,而受到特别关注。天然水凝胶由于其与细胞外基质高度的相似性被认为是骨组织工程中优良的仿生基质材料。而针对天然水凝胶机械性能差、成骨诱导性能弱等缺陷,通常需要对天然水凝胶进行改性、引入其他材料或生物活性因子,以此来获得更适用于骨组织工程支架材料。对近年来基于天然水凝胶的生物材料在骨组织工程的应用,与其不同的应用形式(可注射水凝胶、多孔水凝胶支架、3D生物打印水凝胶支架等)进行了概述,以期对这类基于天然水凝胶的生物材料在未来骨组织工程中的应用提供参考。     

2022年合成生物学发展态势

合成生物学已经进入快速发展阶段,突破性成果不断涌现,技术转化与产业应用也初见成效。DNA合成、基因编辑、计算机辅助设计和过程自动化、机器学习等技术的进步和相关平台的建设,以及政策的支持和投融资的持续活跃,有望进一步推动生物产业及生物经济的发展。在新一轮科技变革与保护自然环境、减少碳排放的背景下,世界主要国家更加注重生物经济的可持续发展。该文系统梳理了全球合成生物学在2022年的战略规划、研发和产业等方面的进展,展望了未来在技术创新、产业应用等方面的发展前景。     

组织工程与生物材料

介绍了组织工程的原理、研究现状,以及相关生物材料的基本概念和生物材料的发展概况。指出目前组织工程的研究为生物材料提供了极大的发展机会,认为可降解生物材料是组织工程用支架材料的研究重点,未来组织工程相关生物材料的发展方向是仿生化和智能化,组织工程学的发展将会促进材料的发展．并将由此产生巨大的社会效益和经济效益。     

粘合材料及其在生物医学中的应用：进展与展望

粘合材料作为一种重要的辅助材料,在工业包装、海洋工程以及生物医药等多个领域都有广泛的应用需求。天然存在的粘合剂如贻贝足丝粘合蛋白等具有良好的生物相容性和生物可降解性,但因其来源受限及在生理环境下较弱的粘合性能,因此在生物医药领域的应用受到了限制。从自然生物的粘合现象中汲取灵感,各种利用化学或生物合成方法制备的仿生粘合材料应运而生,针对生物医药领域的特定需求,一些新兴粘合材料在生物相容性、生物可降解性以及组织粘附等方面都表现出在医药领域应用的潜力。展望未来,受自然粘合材料兼具环境响应、自我再生和自修复等特征的启迪,各种生物灵感和生物仿生粘合材料的开发势必是未来的发展热点,而合成生物学技术为创建具有上述特征的活体粘合材料提供了新的可能。     

骨生物材料通过细胞途径降解的研究进展

生物材料作为移植物已广泛应用于骨组织修复,在应用生物材料时需要考虑材料各个方面的性能,如生物兼容性、力学强度、可塑性等。材料的可降解性也是骨修复材料不得不考虑的方面。既往研究表明,生物材料可以通过物理、化学和生物三种方式进行降解。在材料的生物降解过程中,经细胞途径降解是其中重要的一环。这种降解途径主要是通过巨噬细胞、破骨细胞的生物学行为及其所分泌的生物活性氧、酶、酸性代谢物等作用机制进行。认识细胞作用对生物材料的降解有助于更好地理解细胞的生物学行为,精准设计、制造更合理的骨修复材料,既利于材料植入时的初始稳定,也可以符合材料降解与新骨形成的匹配,促进骨再生和骨修复。     

2012酶工程专刊序言

酶工程是酶学与工程科学融合的综合性科学技术,是现代生物技术与未来生物经济的支柱。近年来,随着在合成生物学研究上的突破,作为合成生物学重要核心内容的酶工程研究受到重视与关注,为促进国内酶工程研究的发展,本期"酶工程专刊"介绍了我国酶工程专家与青年学者在新酶的发掘、酶的作用机制及酶的生产与应用方面所取得的最新进展。     

构建合成生物学制造厂

合成生物学是一个"自上而下",以设计-构建-测试循环为研究模式、以工程化组装构建为特征的新兴跨学科领域.近年来在此新兴领域的众多研究成果使该研究循环获得了极大的成功,特别是在基于计算机的生物系统设计、DNA从头合成、组装及验证,以及代谢产物分析等方面为建立未来高通量生物系统加工生产线打下了坚实的基础.本文旨在总结当前合成生物学的技术发展水平,并对建立自动化生物产品制造厂需要应对的挑战展开讨论.     

组织工程生物支架材料

组织工程支架材料表面的微观和亚微观结构对细胞的黏附与生长有很重要的影响,纳米结构材料的应用为该结构展现了较广阔的前景。另外,组织工程支架材料的表面修饰及孔径调控对生物材料的改进有很重要的作用。介绍了生物材料的基本要求和分类,纳米结构材料在组织工程中的应用及生物材料表面修饰,以及以泡沫支架为例介绍材料孔径调控。     

基因工程功能化丝蛋白生物材料及其在生物医学中的应用

丝蛋白生物材料具有优异的力学性能、良好的生物相容性及可降解性,在生物医学领域具有巨大的应用潜力。现有丝蛋白生物材料在结构和功能方面的相关知识,为设计合成新型丝蛋白生物材料提供了理论基础。此外,利用基因工程技术可将编码新肽或结构域的基因序列添加到编码丝蛋白的基因序列中,以获得具有新功能的丝蛋白生物材料,并更好地满足现代生物医学的需求。文中总结了基因工程功能化的丝蛋白生物材料在生物医学领域中的应用现状和发展前景。     

施陶丁格连接介导的生物传感及药物运输研究进展

施陶丁格连接是有机叠氮化物与膦在室温、水溶液等温和条件下直接发生的一种无金属催化的点击反应。由于施陶丁格连接具有生物正交特性且无潜在的细胞毒性,目前正广泛应用于材料表面功能化、各种生物大分子的合成及标记等方面。同时,在药物的合成与递送以及生物传感器等应用中具有较大发展空间。详细介绍了施陶丁格连接的反应机理、影响反应动力学、连接产率以及反应进程的多种因素,以及该连接反应介导的生物标记技术。在此基础上,论述了施陶丁格连接在生物传感中的应用,包括以核酸、小分子为靶标的荧光生物传感器;细胞成像技术在核酸、聚糖中的应用;以及在药物合成与递送中的应用。最后预测了施陶丁格连接未来的发展方向以及在生物传感中的应用前景。     

蓝细菌光驱固碳细胞工厂的合成生物学开发策略

光合生物制造技术是指以光合自养生物为底盘,通过光合固碳过程,将太阳能和二氧化碳直接转化为生物燃料和生物基化学品的全新生物制造模式。发展光合生物制造技术可以同时实现固碳减排和清洁生产。蓝细菌是极具潜力的微生物光合底盘,也为光合生物制造技术开发高效的光驱固碳细胞工厂提供了重要平台。着眼于未来的规模化应用需求,蓝细菌光驱固碳细胞工厂需要在物质能量转化效率、工业过程中的生长和生产稳定性以及与工程过程的适配性这三方面进一步提升。现从光能的捕集和利用、碳源的固定和转化、逆境胁迫的适应以及工程过程的适配这四个角度,介绍了如何应用合成生物学工具和策略,人工设计、开发进而优化蓝细菌光驱固碳细胞工厂,以满足光合生物制造技术大规模应用的需要;最后,总结、介绍了本领域的最新研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

生物合成芳香族氨基酸及其衍生物的研究进展

现代生物化工主要以廉价可再生资源为底物生产高附加值的精细化学品、大宗化学品、药品及营养品。合成生物学研究是生物化工领域的重要发展方向和支撑体系之一,是在功能基因组学、计算生物学和系统生物学等基础上,将工程化理念应用在生物学中,定向创造新型生物产品和生物过程整体优化的新的研究方向。合成生物学发展十几年以来,创造出了很多强有力的工具被应用于微生物、植物及动物的研究。以微生物生产芳香族氨基酸及其衍生物为主要内容,系统的综述合成生物学在以微生物生产高附加值产物方面的研究进展。     

噬菌体重组酶系统在合成生物学中的应用*

合成生物学技术采用工程化设计理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,对重塑非自然功能的“人造生命”具有重要意义。噬菌体重组系统具有高效、精确和广谱适用性等特点,在基因工程、代谢工程以及生物治疗等合成生物学领域得到了广泛的应用。从基因电路、体内遗传改造和体外重组等方面全面阐述了噬菌体重组系统在合成生物学研究的现状及热点,对当前该系统的局限性进行了探讨,并就未来的研究和发展趋势进行了展望。