构建微生物突变体的方法综述

生物学范畴内的突变是指细胞中的遗传物质发生可遗传的改变,包括DNA碱基对的置换、增添或缺失等结构的变化。人们利用突变生物体进行科学研究和培育新产品。综述了人工构建突变体的几种常用方法及原理,着重介绍了应用基因工程技术进行微生物改造的方法,为科研工作和生产实践拓展思路。     

合成生物学方法构建电活性大肠杆菌

电活性微生物具有独特的在细胞内外环境之间传递电子的能力。在对天然电活性微生物电子传递机制充分研究的基础上,通过合成生物学方法异源构建天然电活性微生物电子传递结构基础也可以将遗传背景清晰的非电活性大肠杆菌改造为电活性微生物。构建获得的工程化电活性大肠杆菌可以直接应用于微生物燃料电池和生物传感器等领域,同时也可以作为底盘细胞整合相应的目标产物合成通路实现电能驱动的生物合成。本文以合成生物学方法构建电活性大肠杆菌为主题,详细阐述天然电活性微生物电子传递的机理及结构基础,总结了工程化电活性大肠杆菌的构建策略、成功案例以及应用领域,并对合成生物学方法构建电活性大肠杆菌未来的研究方向进行了展望。     

微生物胞外电子传递效率的合成生物学强化

电活性微生物(产电微生物和亲电微生物)通过与外界环境进行双向电子和能量传递来实现多种微生物电催化过程(包括微生物燃料电池、微生物电解电池、微生物电催化等),从而实现在环境、能源领域的广泛应用,并为开发有效且可持续性生产新能源或大宗精细化学品的工艺提供了新机会。但是,电活性微生物的胞外电子传递效率比较低,这已经成为限制微生物电催化系统在工业应用中的主要瓶颈。以下综述了近年来利用合成生物学改造电活性微生物的相关研究成果,阐明了合成生物学如何用于打破电活性微生物胞外电子传递途径低效率的瓶颈,从而实现电活性微生物与环境的高效电子传递和能量交换,推动电活性微生物电催化系统的实用化进程。     

合成生物学技术在环境保护中的应用

合成生物学是一个基于生物学和工程学原理的科学领域，其目的是重新设计和重组微生物，以优化或创建具有增强功能的新生物系统。该领域利用分子工具、系统生物学和遗传框架的重编程，从而构建合成途径以获得具有替代功能的微生物。传统上，合成生物学方法通常旨在开发具有成本效益的微生物细胞工厂进而从可再生资源中生产化学物质。然而，近年来合成生物学技术开始在环境保护中发挥着更直接的作用。本综述介绍了基因工程中的合成生物学工具，讨论了基于基因工程的微生物修复策略，强调了合成生物学技术可以通过响应特定污染物进行生物修复来保护环境。其中，规律间隔成簇短回文重复序列（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats，CRISPR）技术在基因工程细菌和古细菌的生物修复中得到了广泛应用，生物修复领域也出现了很多新的先进技术，包括生物膜工程、人工微生物群落的构建、基因驱动、酶和蛋白质工程等。有了这些新的技术和工具，生物修复将成为当今最好和最有效的污染物去除方式之一。     

现代分子生物学技术在瘤胃微生态系统研究中的应用

瘤胃中栖息着大量的微生物,由于这些微生物组成复杂且有些细菌在体外无法培养,目前对这些微生物的了解仍然很少。现代分子生物学技术的发展为研究瘤胃微生物提供了有效的方法,利用核酸探针、基因序列分析、遗传指纹技术、全细胞杂交和实时定量PCR等技术可以对瘤胃微生物的分类及进化关系、区系结构图、重要酶的表达以及目的微生物的准确定量进行更为深入和透彻的研究。发展和利用这些技术不仅可以研究微生物之间的关系以及微生物与饲料颗粒之间时间与空间的关系,还能直接在细菌自然生长的环境中对其各种特征进行研究。     

昆虫共生微生物在病虫害和疾病控制上的应用前景

昆虫与微生物之间的互利共生关系是自然界中一种常见的互作形式。昆虫的种类丰富多样并且在自然界中分布广泛,在一定程度上得益于共生微生物的帮助。随着生物技术的不断发展,越来越多的共生微生物和互利共生模式得以发现并深入研究。微生物不仅能够为昆虫的生长发育提供营养,还能合成很多生物活性物质、调节宿主的免疫、对抗捕食者和抵御病原微生物感染,成为宿主昆虫健康和适应的守护者。鉴于共生微生物与昆虫生理生态的密切联系,以及昆虫对人类经济与健康的重要影响,利用共生微生物对昆虫及虫媒病进行生物控制已经成为一个热点研究方向,并展现了良好的应用前景。本文对昆虫共生微生物的多样性、生物学功能、与宿主相互作用机制及其在病虫害和虫媒病防治中的研究进展进行综述和展望。     

从微生物组到合成功能菌群

微生物组是指特定微环境中的微生物群落及其组学,自然界中的生物过程几乎都是通过微生物组完成的。随着测序技术的发展和成本降低,微生物组已经成为微生物生态学研究的热点领域。继合成生物学之后,基于微生物组的合成功能菌群研究正在兴起,在人类健康、农业、工业和生态等领域都有广泛的应用前景。本文从微生物组到合成功能菌群的角度系统论述了其在不同领域的研究现状与发展趋势,为微生物组从理论研究到应用提供思路。     

生物信息学在微生物中的应用

生物信息学是建立在生命科学和计算机数学基础上的综合学科，其本质是信息技术在生物学中的应用。对于微生物领域而言，生物信息学对数据的整理和应用可以极大地提升微生物研究的质量。因此，文章采用文献研究的方法，积极搜集生物信息学在微生物中的应用研究，首先概述了生物信息学的组成部分，然后对微生物学的建立与发展进行了详细说明，最后探讨了生物信息学在微生物生态学、环境微生物、农业微生物、微生物药物合成设计以及微生物致病基因5个方面的应用。     

合成生物学在环境有害物监测及生物控制中的应用

随着合成生物学各项技术的日益完善和遗传元件的逐渐丰富,合成生物学在环境污染物处理领域已崭露头角。如何简单快速、灵敏准确地对污染物进行原位动态监测和分析,同时避免重组工程菌可能造成的社会风险和与之相伴的生物安全问题,已经成为合成生物学面临的新的重要挑战。结合目前全细胞微生物传感器和生物控制系统取得的进展,重点介绍了合成生物学在环境有害物监测和生物控制中的应用,并探讨了其未来的发展方向。     

后基因组时代基因组重排在微生物菌种选育中的应用及展望

基因组重排作为一种实用高效的育种技术,在缺乏遗传背景认知和可操作遗传体系等条件下,可以突破微生物种属间的限制,经过多轮递推的原生质体融合来加速其人工定向进化,在微生物菌种改良及代谢产物开发和产业化等研究领域得到了广泛应用。步入后基因组时代,快速发展的组学和生物信息学使基因组重排成为连接各种微生物育种方法的重要纽带,为我们深入探索微生物复杂的代谢网络和全局调控机制,更为精准地实施对微生物的人工调控和定向进化提供了契机。本文系统性地回顾了近年来基因组重排在微生物菌种选育中的应用研究,尤其针对围绕其开展的组学研究进行了详细阐述,并对基因组重排与组学、生物信息学和合成生物学等新兴技术的联合应用进行了展望。     

Recent advances in engineering of microbial cell factories for intelligent pH regulation and tolerance

pH regulation is a serious concern in the industrial fermentation process as pH adjustment heavily utilizes acid/base and pollutes the environment. Under pH-stress conditions, microbial growth and production of valuable target products may be severely affected. Furthermore, some strains generating acidic or alkaline products require self pH regulation and increased tolerance against pH-stress. For pH control, synthetic biology has provided advanced engineering approaches to construct robust and more intelligent microbial strains, exhibiting tolerance to pH-stress to cope with limitations of pH regulation. This study reviewed the current progress of advanced strain evolution strategies to engineer pH-stress tolerant strains via synthetic biology. In addition, a large number of pH-responsive elements, including promoters, riboswitches, and some proteins have been investigated and applied for construction of pH-responsive genetic circuits and intelligent pH-responsive microbial strains.     

Microbial synthetic biology for human therapeutics

The emerging field of synthetic biology holds tremendous potential for developing novel drugs to treat various human conditions. The current study discusses the scope of synthetic biology for human therapeutics via microbial approach. In this context, synthetic biology aims at designing, engineering and building new microbial synthetic cells that do not pre-exist in nature as well as re-engineer existing microbes for synthesis of therapeutic products. It is expected that the construction of novel microbial genetic circuitry for human therapeutics will greatly benefit from the data generated by ??omics?? approaches and multidisciplinary nature of synthetic biology. Development of novel antimicrobial drugs and vaccines by engineering microbial systems are a promising area of research in the field of synthetic biology for human theragnostics. Expression of plant based medicinal compounds in the microbial system using synthetic biology tools is another avenue dealt in the present study. Additionally, the study suggest that the traditional medicinal knowledge can do value addition for developing novel drugs in the microbial systems using synthetic biology tools. The presented work envisions the success of synthetic biology for human therapeutics via microbial approach in a holistic manner. Keeping this in view, various legal and socio-ethical concerns emerging from the use of synthetic biology via microbial approach such as patenting, biosafety and biosecurity issues have been touched upon in the later sections.     

解淀粉芽孢杆菌分子遗传操作及其应用研究进展

解淀粉芽孢杆菌是FDA认定的安全级(generally recognized as safe,GRAS)菌株,在工业酶制剂、高分子聚合物、大宗化学品、绿色生物农药等方面的生产具有突出的优势。近年来,随着解淀粉芽孢杆菌的分子遗传操作技术越来越成熟,对利用该菌开发成微生物发酵平台化菌株用于合成生物学制造领域提出了更迫切的需求。文中围绕解淀粉芽孢杆菌的遗传操作工具、代谢改造应用和未来发展前景等方面进行了详细综述,为进一步推动解淀粉芽孢杆菌合成生物学技术的创新与发展提供借鉴和参考。     

Synthetic Biology Toolkits for Metabolic Engineering of Cyanobacteria

Cyanobacteria are of great importance to Earth's ecology. Due to their capability in photosynthesis and C1 metabolism, they are ideal microbial chassis that can be engineered for direct conversion of carbon dioxide and solar energy into biofuels and biochemicals. Facilitated by the elucidation of the basic biology of the photoautotrophic microbes and rapid advances in synthetic biology, genetic toolkits have been developed to enable implementation of nonnatural functionalities in engineered cyanobacteria. Hence, cyanobacteria are fast becoming an emerging platform in synthetic biology and metabolic engineering. Herein, the progress made in the synthetic biology toolkits for cyanobacteria and their utilization for transforming cyanobacteria into microbial cell factories for sustainable production of biofuels and biochemicals is outlined. Current techniques in heterologous gene expression, strategies in genome editing, and development of programmable regulatory parts and modules for engineering cyanobacteria towards biochemical production are discussed and prospected. As cyanobacteria synthetic biology is still in its infancy, apart from the achievements made, the difficulties and challenges in applying and developing genetic toolkits in cyanobacteria for biochemical production are also evaluated.     

透明质酸的生物合成及其代谢工程的研究进展

透明质酸(hyaluronic acid,HA)是广泛存在于生物体内的功能性糖胺高分子聚合物,在日化、医疗和食品领域应用前景广阔。随着基因工程与代谢工程等合成生物学技术的发展,人们对HA的生物合成过程和机理解析越发深入的同时,也伴随一些新的挑战来临。该综述从分子生物学角度总结了HA的关键合成酶基因及合成途径,对不同来源的HA合成酶进行了氨基酸序列比对分析,并详细描述了HA在常用微生物宿主中生产的安全性、底物不平衡性、发酵低溶氧性等瓶颈问题及其相应的合成生物学策略开发,从而归纳出了目前微生物中高产HA的有效策略,为进一步推动HA的绿色生物制造提供了重要的科学依据和理论支撑。     

Silk: molecular organization and control of assembly

The interface between the science and engineering of biology and materials is an area of growing interest. One of the goals of this field is to utilize biological synthesis and processing of polymers as a route to gain insight into topics such as molecular recognition, self-assembly and the formation of materials with well-defined architectures. The biological processes involved in polymer synthesis and assembly can offer important information on fundamental interactions involved in the formation of complex material architectures, as well as practical knowledge into new and important materials related to biomaterial uses and tissue engineering needs. Classic approaches in biology, including genetic engineering, controlled microbial physiology and enzymatic synthesis, are prototypical methods used to control polymer structure and chemistry, including stereoselectivity and regioselectivity, to degrees unattainable using traditional synthetic chemistry. This type of control can lead to detailed and systematic studies of the formation of the structural hierarchy in materials and the subsequent biological responses to these materials.     

2013合成生物学专刊序言

合成生物学目前在全球得到迅猛发展。在此专刊中,综述了一些相关技术在合成生物学领域的进展,其中有:链霉菌无痕敲除方法、基因合成技术、DNA组装新方法、最小化基因组的方法及分析、合成生物系统的组合优化。也讨论了应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘、产溶剂梭菌分子遗传操作技术、蛋白质预算(Protein budget)作为合成生物学的成本标尺。最后,用几个例子说明了合成生物学的应用,包括复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建、微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品以及构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇。     

Opportunities for yeast metabolic engineering: Lessons from synthetic biology

Constant progress in genetic engineering has given rise to a number of promising areas of research that facilitated the expansion of industrial biotechnology. The field of metabolic engineering, which utilizes genetic tools to manipulate microbial metabolism to enhance the production of compounds of interest, has had a particularly strong impact by providing new platforms for chemical production. Recent developments in synthetic biology promise to expand the metabolic engineering toolbox further by creating novel biological components for pathway design. The present review addresses some of the recent advances in synthetic biology and how these have the potential to affect metabolic engineering in the yeast Saccharomyces cerevisiae. While S. cerevisiae for years has been a robust industrial organism and the target of multiple metabolic engineering trials, its potential for synthetic biology has remained relatively unexplored and further research in this field could strongly contribute to industrial biotechnology. This review also addresses are general considerations for pathway design, ranging from individual components to regulatory systems, overall pathway considerations and whole-organism engineering, with an emphasis on potential contributions of synthetic biology to these areas. Some examples of applications for yeast synthetic biology and metabolic engineering are also discussed.     

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。