微生物,高智商,大产业——合成生物学助力阿维菌素的高效智能制造

合成生物学研究具有两种属性,即生命本质的认识提升属性与生物制造属性。以阿维菌素产生的生命过程复杂性为例,几乎可用"高智商"来形容。通过系统认知微生物的"智商",从"格物致知"到"建物致用",实现师法自然,让微生物更高效地为人类服务。在人工工业大规模制造时,上述生命本质的认识无疑是有帮助的,但在微生物与生物反应器组成的复杂系统中,如何从基因到代谢的细胞生理状态到胞外的环境影响中,由"格物致知"的因果关系找到可人工操作的生物智能制造(智造),这又是极其困难的科学问题,这就是合成生物学的生物制造属性。因此,必须开展生物过程大数据分析,克服基因、代谢、过程到生产组织中产生的大量互不联系的数据孤岛。近年来,合成生物学的蓬勃发展掀起的技术革命已经彻底颠覆了人们过去对于生物和生物技术的认识。该文以阿维菌素的研究为例,讨论在合成生物学时代如何利用微生物的"智商"来加速实现微生物药物高效智能制造的研发过程,并为其他微生物天然产物药物的智能化生产提供可借鉴的思路和方法。     

微生物发酵过程生理参数检测传感器技术与过程优化

工业生物发酵过程是一个复杂的代谢表达调控系统。阐述了开发和利用先进的发酵过程传感仪表技术,进行环境参数和细胞生理代谢特性参数的实时精确测定,是系统了解和分析工业微生物的宏观与微观代谢特性的基础。实现生物传感器与信息技术、过程多参数智能化过程分析的软件识别系统联合,是构建新型的智能化工业生物过程控制与生产模式、建立生产过程的绿色智能制造新技术的关键。     

人工智能时代的智能生物制造

生物制造以低碳循环、绿色清洁的优势在社会可持续经济发展模式中占有举足轻重的作用,其发展是未来大趋势。技术进步使得生物制造在微生物细胞代谢调控规律、生物加工过程的在线数据等方面形成了海量数据,但传统数据分析相关理论的不完善极大地限制了这些海量数据的挖掘,利用人工智能在数据处理方面的优势,通过机器学习对数据中蕴含的知识进行深入挖掘,是实现生物制造智能化路径的一个重要方向。本文中,笔者从人工智能的基本概念入手,针对生物制造的两个主体,即微生物细胞的智能化设计和生物过程的智能化检测与控制,提出了一些观点和建议,希望以此拓宽相关研究人员的研究思路,共同开启智能生物制造的时代。     

大数据时代的生物过程研究

正在讨论实现生物技术产业化时,认为由于从基因、细胞到生物反应器操作的生物过程高度复杂性,必须改变传统的数据处理思维方式。建议采用大数据分析方法和工业4.0,打破生命科学上游研究到生物制造下游研究的多学科技术壁垒,其大数据分析的4V特征和3个观念转变是生物过程研究的基本出发点。总结了笔者研究组近几十年的研究成果,分析了发酵过程多尺度理论方法与大数据分析理念,由此探索形成新的概念、理论、方法与装备技术。其中最重要的技术进展标志是生物反应器由原来的参数自动控制演变为实现过程优化与放大决策的智能控制,以及"数据超载"情况下的"信息→相关→因果→知识"的研究过程。     

大数据-模型混合驱动下生物过程优化与放大的新机遇与挑战

当前,生物制造技术和产业是世界关注的热点。然而,生物过程优化与放大过程中普遍面临以下几个难题,包括:过程检测手段缺乏,难以满足关键指标参数的监控;细胞代谢认知匮乏,无法理性实现过程最优化调控;反应器环境差异大,导致逐级放大效率低下。文中针对以上亟待解决的关键问题,通过案例分析介绍发酵过程实时检测-动态调控-理性放大全链条关键技术创新。在未来,生物过程设计将以集成细胞生理学(时空多尺度细胞代谢模型)和流体动力学(CFD模型)的全生命周期模型为指导,推进计算机辅助设计与开发,加速生物过程实现大规模智能化生产,开启绿色生物制造新时代。     

工业生物过程智能控制原理和方法进展

工业生物过程是一个复杂的系统过程,对活体细胞代谢过程的认识是实现高效工业生物制造的基础。文中首先综述了工业发酵过程多尺度优化控制原理和实践,包括多尺度理论与装备、细胞宏观代谢在线检测传感技术以及生理代谢参数相关分析。在此基础上,对工业生物过程智能控制——感知细胞内生理代谢特性新型传感技术、大数据库建立和数据深度计算以及生物过程智能决策进行了综述和展望。     

黑曲霉组学研究进展

黑曲霉作为重要的工业发酵菌株,被广泛用于多种有机酸和工业用酶的生产。随着组学技术的日益发展和成熟,黑曲霉的基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等组学数据不断增长,宣告着黑曲霉生物过程研究大数据时代的到来。从单一组学的数据分析、多组学的比较到以基因组代谢网络模型为中心的多组学整合研究,人们对黑曲霉高效生产机制的理解不断深入和系统,这为通过遗传改造和过程调控对菌株的生产性能进行理性的全局优化提供了可能。本文回顾和总结了近年来黑曲霉的组学研究进展,并提出黑曲霉组学研究未来的发展方向。     

国家级生物大数据中心展望

大数据时代下,科学大数据已经成为科技创新和社会经济发展的新动力。我国是生物数据生产大国,生命大数据是人口健康和国家安全的重要战略资源。面对我国生物数据因存储零散、缺乏系统监管而大量丢失和流失,以及严重依赖国际生物组学大数据中心的局面,亟需从国家层面建设我国自己的生命大数据保存和管理体系。本文以美国NCBI为例介绍了国际生物大数据中心的发展历程及现状,阐明我国建立国家级生物大数据中心的重要性、迫切性、当前历史机遇和发展前景。中国科学院北京基因组研究所生命与健康大数据中心为此做了大量努力,并在数据存储、汇交和转化应用上取得了阶段性成果,以期推进我国生物大数据中心的建设,提高生命科学研究的国际竞争力和影响力。     

推动精准医疗和伴随诊断产业创新发展

正精准医疗,就是应用现代分子生物学、分子病理学、分子遗传学、分子影像技术、生物信息技术以及目前热门的大数据技术、智能化技术等,结合患者生活环境和临床数据,实现精准的疾病分类和诊断,制定具有个性化的疾病预防和诊疗方案。包括对风险的精确预测,疾病精确诊断,疾病精确分类,药物精确应用,疗效精确评估,疗后精确     

球毛壳菌(Chaetomium globosum)EST生物信息分析数据库的建立

用基因本体论（Cene Ontology,GO）中的相关的规范术语和BLAST分析结果来对球毛壳菌EST及CONTIG序列信息进行注释,利用GO的语义模型构建不同物种数据库之间的语义联接,在此基础上建立球毛壳菌EST生物信息分析数据库,在概念和联系层面上有效地解决了不同物种生物信息的整合问题,实现了对球毛壳菌生物信息学数据智能化的多重、复合和交叉检索。为球毛壳菌生物信息学的进一步研究奠定了坚实的基础。文中详细论述了基于GO的球毛壳菌EST生物信息学数据库的研究背景、建立过程、查询功能及其维护。     

探究水污染对生物的影响及生物的净化作用

本实验是初中生物学"探究环境污染对生物的影响"关于水污染的拓展创新实验,学生积极参与共创最优实验方案,深刻理解生物与环境的关系。从发现问题、选取实验材料,设计实验思路,再到数据统计和作图分析等,在科学探究过程中运用理性思维,实现在教材基础上的深度学习。     

大数据在生态环境领域的应用进展与展望

随着互联网和移动通讯技术的发展,生态环境领域从信息采集到加工处理也进入信息化和数字化时代,数据量呈现爆发式增长,生态环境大数据受到越来越多的关注.生态环境大数据是在对生态环境要素“空天地一体化”连续观测的基础上,集成海量的多源多尺度信息,借助云计算、人工智能及模型模拟等大数据分析技术,实现生态环境大数据的集成分析和信息挖掘.生态环境大数据存在数据来源多样、涉及部门广;数据采集方式不统一;服务对象众多、对专业化服务要求高等特点.大数据已在生态环境领域得到了初步应用,如在全球气候变化预测、生态网络观测与模拟和区域大气污染治理等方面作用明显.目前我国生态环境大数据的发展还存在诸多问题,包括数据共享难、监测技术落后、传感器等监测设备严重依赖进口、数据集成和深度分析能力不足等.随着大数据技术的进步,未来大数据在解决生态环境健康问题、提高重大生态环境风险预警预报水平、提高生态环境领域科学研究水平等方面都将发挥巨大作用.大数据将最终实现生态环境管理决策定量化、精细化,生态环境信息服务多样化、专业化和智能化,为中国社会经济可持续发展和生态文明建设提供技术保障.     

大数据时代的生物多样性科学与宏生态学

高质量的生物多样性数据是认知生物多样性的起源和维持机制及应对其丧失风险的科学基础。当前,在新物种发现、已知物种的地理分布、种群数量与时空动态、物种进化史、功能性状、物种与环境之间以及物种与物种之间的相互作用等7个方面都存在着知识上的空缺。大数据时代的到来为弥补这些知识空缺提供了可能,大数据的挖掘及其应用最近已成为国际生物多样性与宏生态学研究的前沿内容。如何有效地利用和分析不断增长的生物多样性大数据是生物多样性研究面临的一个极大挑战。本文通过全球、大陆和区域尺度上的研究案例展示了大数据在生物多样性研究中应用的新进展,内容涉及森林覆盖变化、保护生态学、生物多样性与生态系统功能、气候变化对生物多样性的影响等。最后,对大数据在生物多样性研究中存在的数据采集、处理和分析等方面的问题进行了总结,并对其潜在应用前景进行了探讨。     

基于系统生物学的生物过程全局优化

随着检测手段的丰富和测序手段的日渐发达,生物过程表现出数据量大、种类多、时变性和相关耦合性的特征,反映了过程中基因、细胞、反应器不同尺度特性的混杂性。提出了基于系统生物学的生物过程全局优化方法,利用基因组学、数学模型、转录组学、蛋白组学、代谢物组学和代谢流组学数据,结合反应器流场特性和细胞生理特性的关系,对生产菌株的限制性瓶颈问题进行了探索和解决。以广泛应用于合成生物学的宿主大肠杆菌和酿酒酵母、产抗生素的放线菌属和顶头孢霉,以及用于有机酸和异源蛋白表达的黑曲霉为主要案例,对生物过程的研究进展进行综述,并为生物过程的全局优化提供了新的思路。     

植物多样性监测研究进展

监测是植物保护工作的重要基础,也是管理者决策的重要依据,对生物资源的可持续利用和保护至关重要。本研究综述了植物多样性监测的进展,就未来的热点和方向进行了探讨。植物多样性监测正以全新的局面飞速发展,已经进入了智能化、宏观与微观结合、联网监测、大数据、大尺度、多学科、全方位、立体化、由物种水平扩展到科属水平、群落或生态系统层面的监测时代;生物多样性监测网络的建设促进了联网监测与核心监测指标体系的统一,网络资源成为植物多样性监测的大数据源。数据的标准化与有效利用、大数据共享、遗传多样性和个体物种水平监测是监测植物多样性的机遇和挑战。未来的生态监测是大尺度、智能化、统一化的监测,完善监测网络体系,寻找新方法、构建新模型,开展热点区域和优先物种监测,并兼顾群落或更大尺度,重视植物基础本底数据的收集,是今后监测的重点。     

构建基于磁珠微流控芯片的iFlora遗传信息高效获取系统

磁珠以其比表面积大、易与生物分子耦联、操控方便等优点,在生命科学中得到了广泛应用。随着微机电系统（MicroElectroMechanicalSystems,MEMS）技术的发展,将磁珠应用到微流控芯片中构建磁珠微流控分析系统,为生物样品分离、检测提供了一种全新方法。新一代植物志iFlora融入现代DNA测序技术．应用高速发展的信息、网络技术及云计算分析平台,收集、整合和管理植物物种相关信息,以实现物种智能鉴定和数据提取,而包括DNA条形码在内的遗传信息及其获取技术在iFlora中的作用至关重要。本文重点概述了基于纳米磁珠的微流控芯片技术及其在分子生物学领域中的应用,提出构建基于纳米磁珠微流控芯片的iFlora遗传信息采集系统,在微芯片上完成从DNA提取到测序全过程,实现物种遗传信息的快速、高效获取。     

创新型设计便携式生物精密检测仪器及应用

基于实用新型和外观设计的"双重"创新型设计理念,本研究应用自动化与控制技术、物联网无线远程监控技术等先进的前沿技术,研发出一种便携式生物精密检测仪器及其实现方法。并通过描述创新仪器的基本原理和主要特征,体现出其设计新颖,便携实用,使用方便,智能化程度高,检测精准等优点,解决传统生物检测仪器存在的设备多而重、占用空间大、自动化程度低、操作繁琐、检测误差大等不足之处,以满足行业对生物检测设备技术创新的迫切需求。     

深圳城市生态大数据智慧管理和服务平台技术集成与应用研究

生态环境是人类赖以生存和发展的基础,城市生态大数据智慧管理和服务平台建设是生态城市和美丽城市建设的需要。以深圳市为例,借助物联网、移动互联网、计算机、数据库和网络地理信息系统技术,以及时空地理大数据整合和共享、大数据挖掘分析和云端一体化业务协同等关键技术,结合城市生态系统评估分析决策模型/方法/对策库,在实现深圳市“空-地-网-统计-众源”等多源异构生态大数据有效集成的基础上,搭建了 “数据采集-信息提取-知识发现-决策生成-快速服务”全流程、一体化的深圳市生态大数据智慧管理和服务平台,构建了面向业务部门和科研人员等专业用户的生态野外数据调查采集系统和城市生态监测与评估管理决策分析系统,以及面向社会大众的深圳生态大调查APP。平台首次揭示了深圳市1979年以来不同生态系统的格局、构成、过程、服务和健康状况的变化,提升了深圳市生态环境综合决策科学化、生态环境监管精准化、生态环境公共服务便民化水平。平台有效降低了用户数据收集与处理和操作专业模型的难度,突破了原始数据应用的瓶颈和难点,提高了专业模型在业务部门中的使用率。未来,依靠“生态大数据+生态专业模型”的技术方案实现从数据到知识的挖掘,是实现城市生态大数据智慧化和专业化管理的关键,也是全面提高城市生态环境保护信息化服务水平的重要途径。     

餐厨垃圾资源化利用技术研究现状及展望

餐厨垃圾产生量大、成分复杂、具有"危害性"和"资源性"的双重属性,随着垃圾分类工作的推进,将餐厨垃圾作为一种生物资源回收其中的资源和能源的研究受到了越来越多的关注。本文介绍了餐厨垃圾的成分特性及预分选方法,对餐厨垃圾厌氧消化、好氧堆肥、生物饲料、昆虫养殖、热处理技术及生物炼制生产高附加值化学品等主要的资源化利用途径进行了分析,并对餐厨垃圾收集及资源化过程中产生的恶臭气体、废水污染问题及处理方法进行了介绍。最后指出餐厨垃圾厌氧消化、昆虫养殖、好氧堆肥及生物饲料技术工业化利用过程中的设备运行的稳定性及其废水和臭气的控制问题仍需进一步的研究。餐厨垃圾热处理过程如何进一步降低能耗及开发高附加值的功能炭材料是未来的重要发展方向,餐厨垃圾生物炼制生产高附加值化学品是实现餐厨垃圾高值化利用的有效途径,也是替代传统化工路线生产化学品的重要路径。总之,采用多技术耦合是实现餐厨垃圾"减量化、无害化、资源化"的有效手段,也是发展我国循环经济发展的必然要求。     

工业生物过程系统集成优化在有机酸生产中的应用

生物基化学品在人类社会、经济和环境中的应用受到越来越多关注。工业生物过程是由高复杂性生命系统和大规模性工程系统组成的有机整体,因此实现工业生物过程的系统集成对提升生产效率和资源利用率以及降低能耗和排放具有非常重要的作用。简要综述了当前工业生物过程系统集成的理论、方法和技术,并重点介绍了其在乳酸和葡萄糖酸钠工业生产过程中的应用。