生物大分子分离技术:过去、现状和未来

生物大分子包括多肽、酶、蛋白质、核酸(DNA和RNA)以及多糖等。生物大分子分离技术是生命科学研究中的关键技术之一。当前,各学科之间的交叉渗透为生物大分子分离技术的发展提供了更多的契机。对以沉淀、透析、超滤和溶剂萃取为代表的传统分离技术,以及色谱,电泳等现代分离技术的发展概况、原理、特点及应用进行了综述。并结合生命科学的发展现状,展望了生物大分子分离技术的发展前景。     

生物大分子动态修饰前沿进展

正生物大分子,包括核酸、蛋白质、多糖等,是组成生命体系的基本元件。这些元件的序列信息决定了生物大分子的基本功能,但它们在生理活动或异常病理活动中的作用受到动态化学修饰的精细调控。生物大分子动态化学修饰是目前生命科学研究进展最为迅速的前沿研究领域,推动了表观遗传学的发展。化学修饰多态性决定了生物大分子动态修饰的复杂多样性,如发生在DNA分子上的化学修     

糖微阵列技术在糖组学研究中的进展

聚糖多以蛋白质和脂配基形式存在,在生物体内的信息传递、细胞识别和蛋白质折叠等生物过程中具有十分重要作用,是继核酸和蛋白质之后被发现的第三类生物信息分子.但聚糖结构复杂,并存在大量异构体,无法象DNA一样进行合成和测序.根据聚糖分子能够与凝集素或糖结合蛋白特异性结合,提出并发展了糖微阵列技术.此技术在聚糖结构与功能研究中已显示出优越性.通过对糖微阵列构建方式及检测方法的探讨,对近些年来糖微阵列技术的发展进行了综述.     

化学计量基因组学研究进展

化学计量基因组学是一个新兴的研究领域,研究基因组、转录组、蛋白质组及代谢组等组学数据中生物大分子的元素使用偏好。不同生物大分子的元素组成与数量不同,当元素供应受到限制,自然选择偏好性利用某些单体(氨基酸或核苷酸)来合成生物大分子(DNA、RNA和蛋白质等),从而减少元素成本。随着高通量测序技术和组装技术的大量应用,越来越多的宏基因组、宏转录组数据被公开报道,以及新的分析手段的应用,使得该领域蓬勃发展。作为一门新兴的交叉学科,化学计量     

DNA合成技术及应用

DNA从头合成技术是指以寡核苷酸链为起始的合成DNA片段的技术,其不断进步是合成生物学快速发展的基石之一。常规使用的连接介导的DNA合成技术和PCR介导的DNA合成技术日益成熟,精确合成长度已经达到0．5—1kb。微阵列介导的DNA合成技术不断发展,其低成本、高通量的特点吸引了人们的注意;而酵母体内DNA合成技术的成功探索也为体外DNA合成提供了一种补偿方法。DNA合成在优化密码子用于异源表达、构建异源代谢途径、合成人工基因组以及合成减毒病毒用于疫苗研制等方面有广泛应用。综述了DNA从头合成技术的研究进展,并介绍了DNA合成的前沿应用。     

人工培养条件下君子兰雄配子体发育与核酸、蛋白质合成的研究

作者建立了离体培养君子兰雄配子体的简易方法并观察了其发育过程。应用核酸、蛋白质合成抑制剂和放射自显影技术,研究不同发育阶段雄配子体的核酸和蛋白质的合成。发现四分孢子释放以后,DNA 的合成仅在有丝分裂间期的细胞核内进行;散粉前96小时至精细胞形成,营养核、生殖核和精于核中均未见~3H-胸苷掺入。RNA 和蛋白质合成的动态相似,各有三次高峰和两次停顿。抑制剂的种类和加入的时间、数量对发育的影响不同,显示了 DNA、RNA 和蛋白质合成间及生物大分子合成与雄配子体形态发育间的相关性。     

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.     

太赫兹(THz)光谱在生物大分子研究中的应用

太赫兹(THz)辐射是一种新型的远红外相干辐射源,近年来,在生物大分子研究中得到了广泛的应用,特别是在生物分子的结构和动力学特性等方面有着巨大的应用潜力.结合THz光谱的特点,介绍了利用THz光谱对蛋白质、糖类及DNA等生物大分子的探索研究,以及THz技术在测定水环境与生物分子相互作用等方面的应用.探讨了该技术在生物学领域应用中有待解决的问题及发展前景.     

合成生物制造2022

本文对2022年《生物工程学报》发表的与合成生物制造相关的综述和研究论文进行了评述,重点讨论了DNA测序、DNA合成、DNA编辑、基因表达调控和数学细胞模型等底层技术,酶的设计、改造和应用技术,化学品生物催化、氨基酸及其衍生物、有机酸、天然化合物、抗生素与活性肽、功能多糖、功能蛋白质等重要产品的生物制造技术,一碳化合物和生物质原料利用技术以及合成微生物组技术,以帮助读者从一个侧面了解合成生物制造相关技术和产业的发展情况。     

遗传信息传递的晶体学解密

生物大分子(如蛋白质等)在生物体内行使功能必须要保证其立体结构的正确性。作为研究大分子高级结构的主要手段,结晶技术结合X-射线衍射技术、核磁共振技术以及电镜技术被普遍应用于高级结构的数据分析。随着这些技术的进一步完善,目前已经能完成蛋白质与配体的共结晶。遗传信息从最原始的DNA或RNA传递到以蛋白质的形式呈现功能的过程是由众多酶或蛋白质复合体催化的多步骤进程,解析其中重要元件的空间结构推动了对这些酶反应机理的深入研究。主要阐述结晶技术在遗传信息传递过程中关键酶或蛋白质复合体的研究中的应用。     

一株稀有海洋真菌Stachybotrys longispora FG216的De Novo测序及基因组学分析

【背景】长孢葡萄穗霉菌(Stachybotrys longispora) FG216是一株稀有海洋真菌,其次生代谢产物FGFC1具有纤溶活性。进行S. longispora FG216的基因组序列分析,将充实和促进海洋微生物功能基因和次生代谢产物合成生物学的基础研究和应用研究。【目的】解析S. longispora FG216的基因组序列,分析基因组生物功能和同源相似性关系,分析次生代谢产物纤溶活性化合物FGFC1的相关基因。【方法】基于Illumina HiSeq高通量测序平台对S. longispora FG216菌株进行De Novo测序,使用SSPACE、Augustus等软件进行组装、编码基因预测、基因功能注释、物种共线性分析以及预测FGFC1次生代谢产物合成基因簇。【结果】S. longispora FG216的基因组测序总长度为45622830bp,共得到605个Scaffold,GC含量为51.31%,注释预测得到13329个编码基因和169个非编码RNA。基因组测序数据提交至国家微生物科学数据中心(编号为NMDC60016264),其中13 053、8 422、8 460、7 714和2 847个基因分别能够在NR、KEGG、KOG、GO和CAZy数据库匹配到注释信息。比较基因组学分析发现,Stachybotrys具有保守性,核心基因占基因家族总数目的71.44%,S. longispora FG216与S. chlorohalonata IBT 40285的相似性最高;同时,预测得到101个次生代谢产物合成基因簇,其中18个基因簇与已知的化合物相匹配。通过antiSMASH预测,Cluster57是编码合成FGFC1母核结构异吲哚啉酮的基因簇,与S.chlorohalonataIBT40285中的基因簇相似度为40%。【结论】海洋稀有真菌S.longisporaFG216的基因组信息已上传至国家微生物科学数据中心公开使用,为Stachybotrys种属的研究提供了重要的参考意义,同时发现了S. longispora FG216次生代谢产物纤溶活性化合物FGFC1母核部分编码基因是Cluster 57。     

串联质谱图谱从头测序算法研究进展

近年来,基于质谱技术的高通量蛋白质组学研究发展迅速,利用串联质谱图谱鉴定蛋白质是其数据处理中一个基础而又重要的环节．由于不需要利用蛋白质序列数据库,从头测序方法能够分析新物种或者基因组未测序物种的串联质谱数据,具有数据库搜索方法不可替代的优势．简要介绍高通量串联质谱图谱从头测序问题及其研究现状．归纳出几种典型的计算策略并分析了各种策略的优缺点．总结常用的从头测序算法和软件,介绍算法评估的各种指标和常用评估数据集,概括各种算法的特点,展望未来研究可能的发展方向．     

Plant DNA methyltransferases

DNA methylation is an important modification of DNA that plays a role in genome management and in regulating gene expression during development. Methylation is carried out by DNA methyltransferases which catalyse the transfer of a methyl group to bases within the DNA helix. Plants have at least three classes of cytosine methyltransferase which differ in protein structure and function. The METI family, homologues of the mouse Dnmt1 methyltransferase, most likely function as maintenance methyltransferases, but may also play a role in de novo methylation. The chromomethylases, which are unique to plants, may preferentially methylate DNA in heterochromatin; the remaining class, with similarity to Dnmt3 methyltransferases of mammals, are putative de novo methyltransferases. The various classes of methyltransferase may show differential activity on cytosines in different sequence contexts. Chromomethylases may preferentially methylate cytosines in CpNpG sequences while the Arabidopsis METI methyltransferase shows a preference for cytosines in CpG sequences. Additional proteins, for example DDM1, a member of the SNF2/SWI2 family of chromatin remodelling proteins, are also required for methylation of plant DNA.     

Evaluation of Chemical Derivatisation Methods for Protein Identification using MALDI MS/MS

In proteomic studies, assigning protein identity from organisms whose genomes are yet to be completely sequenced remains a challenging task. For these organisms, protein identification is typically based on cross species matching of amino acid sequence obtained from collision induced dissociation (CID) of peptides using mass spectrometry. The most direct approach of de novo sequencing is slow and often difficult, due to the complexity of the resultant CID spectra. For MALDI-MS, this problem has been addressed by using chemical derivatisation to direct peptide fragmentation, thereby simplifying CID spectra and facilitating de novo interpretation. In this study, milk whey proteins from the tammar wallaby (Macropus eugenii) were used to evaluate three chemical derivatisation methods compatible with MALDI MS/MS. These methods included (i) guanidination and sulfonation using chemically-assisted fragmentation (CAF), (ii) guanidination and sulfonation using 4-sulfophenyl isothiocyanate (SPITC) and (iii) derivatising the epsilon-amino group of lysine residues with Lys Tag 4H. Derivatisation with CAF and SPITC resulted in more protein identification than Lys Tag 4H. Sulfonation using SPITC was the preferred method due to the low cost per experiment, the reactivity with both lysine and arginine terminated peptides and the resultant simplified MS/MS spectra.*Australian Peptide Conference Issue.**This project was funded by an ARC Linkage grant to Deane supported by TGR Biosciences and facilitated by access to the Australian Proteome Analysis Facility established under the Australian Government’s Major National Research Facilities program.     

The dominant mutation Suppressor of black indicates that de novo pyrimidine biosynthesis is involved in the Drosophila tan pigmentation pathway

A deficiency in the production of -alanine causes the black (b) phenotype of Drosophila melanogaster. This phenotype is normalized by a semi-dominant mutant gene Su(b) shown previously to be located adjacent to or within the rudimentary (r) locus. The r gene codes for three enzyme activities involved in de novo pyrimidine biosynthesis. Pyrimidines are known to give rise to -alanine. However, until recently it has been unclear whether de novo pyrimidine biosynthesis is directly coupled to -alanine synthesis during the tanning process. In this report we show that flies carrying Su(b) can exhibit an additional phenotype, resistance to toxic pyrimidine analogs (5-fluorouracil, 6-azathymine and 6-azauracil). Our interpretation of this observation is that the pyrimidine pool is elevated in the mutant flies. However, enzyme assays indicate that r enzyme activities are not increased in Su(b) flies. Genetic mapping of the Su(b) gene now places the mutation within the r gene, possibly in the carbamyl phosphate synthetase (CPSase) domain. The kinetics of CPSase activity in crude extracts has been studied in the presence of uridine triphosphate (UTP). While CPSase from wild-type flies was strongly inhibited by the end-product, UTP, CPSase from Su(b) was inhibited to a lesser extent. We propose that diminished end-product inhibition of de novo pyrimidine biosynthesis in Su(b) flies increases available pyrimidine and consequently the -alanine pool. Normalization of the black phenotype results.     

青枯雷尔氏菌胞外多糖合成缺失突变株构建及其生物学特性

【目的】由青枯雷尔氏菌(Ralstonia solanacearum)引起的植物青枯病是一种毁灭性土传病害。胞外多糖(extracellular polysaccharides,EPS)是青枯雷尔氏菌关键的致病因子之一。通过构建胞外多糖缺失突变株,研究胞外多糖在青枯病致病中的作用。【方法】从青枯雷尔氏菌FJAT-91的基因组中克隆出胞外多糖合成结构基因epsD同源臂,克隆至自杀性质粒p K18mobsacB,再将庆大霉素抗性基因(Gm)插入同源臂中间,获得重组质粒p K18-epsD。将重组质粒转化至青枯雷尔氏菌FJAT-91感受态细胞中,通过同源重组敲除epsD基因,获得EPS合成缺失的突变株FJAT-91Δeps 。研究突变株与野生菌株在菌落形态、胞外多糖合成、运动能力、定殖能力的差异性。【结果】突变菌株FJAT-91ΔepsD与出发菌株FJAT-91相比:胞外多糖产量显著减少,生长较慢;泳动能力(swimming motility)和群集运动能力(swarming motility)显著降低;在番茄苗根部和茎部的定殖能力显著降低;弱化指数(AI)为0.905,鉴定为无致病力菌株。【结论】胞外多糖在青枯雷尔氏菌的致病中起着关键的作用,本课题研究成果为开发植物疫苗提供了优良的材料与研究基础。     

de novo转录组学分析华南地区入侵植物五爪金龙代谢特征

为探究华南地区严重入侵植物五爪金龙(Ipomoea cairica)生物入侵的分子机制,对五爪金龙及其近缘种七爪金龙(I. digitata)和裂叶牵牛(I. nil)进行de novo转录组测序和组装,得到56551条unigenes,其中56522条得到注释,7815条GO注释,15615条COG注释,180201条KEGG数据库注释。转录组分析结果表明,五爪金龙氮代谢通路关键酶基因的表达高于对照。次生代谢关键酶(PAL、4CL、CAD、查耳酮合酶、苯基丙乙烯酮异构酶、槲皮黄3-O-甲基转移酶等)基因在五爪金龙与七爪金龙及裂叶牵牛中均得到协同性的差异表达,而这些代谢通路指导的产物合成对五爪金龙的抗逆境能力、生长、化感作用等均起关键作用。关键基因的RT-qPCR验证结果与转录组结果具有一致性。因此,这从分子生物学层面上对解释五爪金龙在华南地区的入侵机制提供了新的证据。     

巴西橡胶树HbWRKY1基因的克隆及转化烟草的初步研究

利用RACE结合RT-PCR技术,从巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)总RNA中扩增得到长度为1234 bp的WRKY基因cDNA全长编码序列。通过氨基酸同源性比对,该序列推导的氨基酸序列与蓖麻、白杨的WRKY同源性分别为79%和73%,表明分离的cDNA序列为橡胶树WRKY基因,命名为HbWRKY1。通过构建pCAMBIA1304-HbWRKY1植物表达载体,经农杆菌GV3101介导,将HbWRKY1基因导入烟草(Nicotiana tabacum)中,对所获得的潮霉素抗性烟草株系进行PCR鉴定。结果表明,HbWRKY1基因已整合到65株转基因植株中。干旱胁迫试验表明,HbWRKY1的过量表达可以明显提高转基因烟草对干旱胁迫的耐受能力。这说明WRKY基因与橡胶树抗旱能力之间存在一定的关系。     

夏枯草PvGGPPS基因的克隆和诱导表达分析

为探究夏枯草中GGPPS基因的生物学特性及功能,该文在夏枯草转录组测序的基础上设计特异性引物,采用逆转录PCR技术获得夏枯草中GGPPS基因的全长核苷酸序列,并进行生物信息学分析;采用qPCR法分析PvGGPPS基因在不同外源性物质诱导下在夏枯草果穗中的表达量以及该基因在夏枯草不同组织中的表达量。结果表明:PvGGPPS基因开放阅读框1 092 bp,编码363个氨基酸,理论分子量为38 815.68 D,等电点为5.69。PvGGPPS蛋白具有异戊烯基焦磷酸合酶家族的特征结构域。系统进化树表明PvGGPPS蛋白与丹参、毛喉鞘蕊花GGPPS蛋白具有较高的亲缘关系。qPCR分析表明,PvGGPPS基因在叶中表达量高于果穗及茎。对果穗施加7种外源性物质处理24 h后,GA3处理组该基因表达量升高。PvGGPPS基因在夏枯草不同组织中表达量差异较大,且受外源物质诱导表达。该研究结果为进一步研究PvGGPPS基因对夏枯草萜类成分合成途径中的功能及表达调控奠定基础。