合成生物学驱动的智能生物制造研究进展

合成生物学的迅猛发展给包括药物和化学品在内的生物制造带来了强劲动力。它助力生物合成关键元件的挖掘,丰富了智能生物制造所必需的基础(催化)元件库;底盘细胞的性能优化为高效生物制造奠定了基石和平台。合成生物学经典的"设计-构建-测试-学习"则是创建高效智能细胞工厂的核心研发内容。天然宿主的系统代谢工程和合成生物学以及无细胞体系的体外合成生物学,是实现高效生物制造和替代底盘细胞体系的可选途径。该文简要综述近年国内外的相关研究进展。     

合成微生物学研究的若干前沿的思考

1 引言 合成生物学是建筑在工程学和生物学基础上、正在迅速发展、以创新为导向的崭新研究领域.高通量低成本的基因测序技术、DNA 合成技术及其公司化运作,以及各种高通量的细胞功能组分分析技术为该领域发展奠定坚实的基础.合成生物学旨在工程学思想的指导下,从头设计并构建新的生物元件、装置和系统,或对现有的、天然的生物系统进行重新设计和改造.     

合成生物学与科学方法论和自然哲学

合成生物学是一个多学科交叉的研究领域,旨在整合生命科学、工程学、物理学与化学等学科,通过设计和建造新的生物元件、功能和系统,以构建在自然界中并不存在的可控方式,生物逻辑和生产系统.其众多潜在的应用领域包括新药物、环境修复、新农药、癌症治疗、生物燃料和新材料等.除了自然科学家和工程师,合成生物学也吸引了社会学家、经济学家和哲学家的关注.目前使用的"合成生物学"这个词是一个特别宽泛的概念,体现了其同样广泛的目标.合成生物学究竟是什么?它的科学方法论是什么?它有怎样的哲学含义?本文将针对上述问题展开讨论.     

基因组工程在医学合成生物学中的应用

合成生物学旨在建立一套完整的工程理论和方法,通过设计和组装基本生物学元件,更为有效地实现复杂生物系统的设计,并使其完成可编程的生物学功能。近年来随着可编程基因组元件的出现,特别是CRISPR和CRISPRi技术平台的建立和完善,使得合成生物学进入了一个全新发展的时期。本文重点综述CRISPR等基因组编辑和调控技术,其在构建可编程生物学元件和复杂基因线路的应用以及合成生物学在医学中(称为医学合成生物学)的发展前景。     

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.     

细菌信号传导调控元件的合成生物学研究进展

合成生物学的一个重要目标是设计、改造微生物(主要指细菌),使其能够自主执行复杂任务,如合成重要生物基产品(药物、生物燃料等)、疾病治疗以及环境修复等,造福人类社会.要完成这些任务,细菌必须依赖其信号传导系统,根据环境变化作出正确及时的应答.在长期进化过程中,细菌产生了众多不同的信号传导系统,给我们提供了大量宝贵的信号传导调控元件.通过对这些调控元件的合成生物学设计、改造,我们可以给细菌装备全新的信号传导系统,从而使其能够在工业生物技术及生物医学等应用中执行设定任务.     

天然药物研究中的合成生物学

天然产物一直是药物分子设计和开发过程中的重要灵感来源之一,源自天然产物的临床用药目前也占据着难以替代的地位.但是大多数天然来源的药物分子结构复杂、分离困难,利用传统的合成化学和天然产物化学方法难以满足日益增长的市场需求.天然产物在其产生物种中一定对应着一个由若干功能各异的基因元件所构成的生物合成基因群,或成簇分布或离散分布.合成生物学则旨在通过对不同基因元件的改造、组合、拼装而得到新的生物途径和体系.本文主要将针对合成生物学在天然药物研究中的应用进行总结和展望,并从基因元件以及合成生物学的角度重新认识和理解天然产物的生物合成.     

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.     

催化元件和途径的人工设计与组装

催化元件以及由多个催化元件组成的合成途径的设计与组装为人工合成体系的建立奠定了基础,是合成生物学的重要研究内容。除从自然生物中挖掘大量的天然酶和途径可供人工合成体系使用外,将计算生物学、蛋白质工程以及组合生物合成等技术相结合,理性地、有目的地进行催化元件和途径的人工设计与组装,将提供新功能酶以及新物质合成途径。介绍了催化元件和合成途径人工设计与组装的研究策略和最新进展。     

复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建

天然产物是人类疾病预防和治疗药物的最重要来源。合成生物学技术的蓬勃发展为天然产物的开发注入了全新的活力。文中重点介绍了如何利用合成生物技术进行复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建,包括与此相关的生物元件理性设计、生物元件挖掘、途径装配与集成,模块的组装与系统的适配等内容。     

合成生物学展望

21世纪生命科学将因系统生物学和合成生物学而进入新的发展时期,系统生物学使生命科学由实验科学转变为定量、预测的系统科学,而合成生物学是在系统生物学基础上进一步把生命科学推向工程科学．把系统生物学研究的天然元件、模块、网络、系统转变为工程化的元件、模块、网络用以构建具备各种功能的生物装置和生物体。     

生物学的新军——合成生物学

合成生物学是一个新兴而极具研究前景的领域．旨在通过将多种天然或人工设计的生物学元件进行合理组合,创造出重构的或非天然的生物系统。综述了合成生物学这一新兴学科的核心理念、研究内容以及与相关学科的联系,详细介绍了J．CraigVenter研究小组所合成的“人造生命”,并展望了合成生物学广阔的发展前景和所面临的问题。     

合成生物学技术在聚羟基脂肪酸酯PHA生产中的应用

合成生物学的迅猛发展使其在各个领域得到了广泛应用,底盘设计、元件组装、代谢网络的从头构建、大片段DNA克隆、多片段DNA拼接等合成生物学技术的开发和利用大大提高了工业生物技术的竞争力.聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一种具有生物可降解和生物相容性等优良特性的生物塑料,可以在许多细菌胞内合成,已经被开发应用于多个领域.但是,PHA高昂的生产成本阻碍了其大规模应用.基于合成生物学研究而得到的新方法、新技术可以改变细菌生长模式、生长条件以及细菌形态,从而进一步降低PHA的生产成本.另一方面,通过改造细菌基因组如弱化?-氧化途径可以得到不同种类的重组菌株,用于生产具有不同性能的包括无规共聚物、嵌段共聚物、带有官能团的聚合物等在内的新型多功能PHA材料.合成生物学的应用开创了低成本、高附加值的PHA材料生产的新时代,为PHA的产业化奠定了坚实的基础.     

蛋白质预算：合成生物学的成本标尺

合成生物学以创建人工生命体系为目的.实践中人们希望人工生命体系具有更强的生产能力、转化能力、环境适应与监测能力,从而获得更优质的生产方式.生命体系的优化涉及到多层次的调控网络,而根本上还是对细胞中蛋白质的含量、定位、活性的控制.在蛋白质表达水平上进行控制是合成生物学元件设计、模块组装以及适配性研究最核心的手段.类似于工厂中的成本计算,合成生物学创建的人工生命体系(人工细胞工厂)以蛋白质预算为依据.优化蛋白质预算的研究策略已经成功应用于合成生物学研究实践中.     

新功能生物元器件的筛选、设计与功能鉴定

<正>合成生物学与基因工程、代谢工程最显著的区别,在于能够将大量生物元器件进行快速、随意的组装,而实现这一目标的前提,是将生物元件或器件进行详细地功能表征与标准化。目前合成生物学面临的主要挑战之一,是可用的生物元件和模块(器件)种类局限、数量不足、表征描述不清楚、通用性程度不高。为此,有必要在功能元件的挖掘、表征、设计、改造与标准     

新本草计划——基于合成生物学的药用植物活性代谢物研究

经过近十年的发展,合成生物学研究的对象从单细胞的生物元件和装置的研究,逐渐过渡到多细胞的复杂体系。植物合成生物学被称为合成生物学研究的"下一篇章"。从复杂而多样的植物代谢切入进行植物合成生物学研究,有助于人类在更复杂的层面上理解生命运行的本质规律,及更深入地认知复杂人造生命的设计和构建的科学及工程原理;也有望在药用植物活性代谢物的合成生物学设计和创新生产方面实现突破。本文综述了该领域的国内外进展,并提出新本草计划的研究设想,通过基于合成生物学的药用植物活性代谢物研究,使数千年传统的本草学研究焕发新生。     

合成生物学：会让世界变得更美好

合成生物学以工程学和生物学作为基础,通过多学科交叉集成,将自然存在的元件模块化、标准化以最终实现利用现代工程理念研究科学问题及应用改造生物系统。合成生物学用人工合成的方法重新设计和改造现有存在的生物系统,     

合成生物学设计技术

合成生物学以工程化思想为指导,通过多学科交叉,设计改造生命系统,以加深对生命的认识和创造新功能,为应对人类面临的诸多挑战提供支撑。合成生物学的精髓在于借助精妙的设计实现对生物系统的构建和模拟,从而更好地了解生命现象。该文主要集中介绍合成生物学研究中的设计技术,包括生物元件设计、人工基因线路设计和代谢线路设计、人工基因组设计,归纳总结目前已有的设计技术手段和策略。     

新书介绍

<正>合成生物学及应用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     

生物体系的多层次计算设计与合成生物学

合成生物学的核心思想是将现代工程学的原理与方法引入对生命系统的改造和构建中.生命活动覆盖从分子到细胞再到有机体等不同层次.合成生物学研究同样跨越了多个层次,例如,在分子层次进行生物元件和器件的设计和标准化、通过合成基因线路研究生物网络的设计和调控原理、在途径和网络层次进行细胞内代谢网络和代谢途径的人工设计改造等.本文一方面试图对与此有关的既有计算机模拟与设计方法加以总结和介绍,另一方面探讨这些不同层次的计算模拟与设计工具可应用于哪些方面的合成生物学问题,以及既有方法可能在哪些方向上还有比较大的发展潜力,能更好满足合成生物学研究需求.