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。     

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。     

基因组装技术在合成生物学中的应用

基因组装技术是合成生物学领域近年来发展起来的新型技术。它基于大规模基因组数据分析,发现新型的或隐藏的生物活性物质合成基因簇。利用基因组装技术,可提高或激活沉默的生物合成基因簇在微生物中的表达,从而合成潜在的、有价值的生物活性物质。本文旨在阐明最新的体内和体外基因组装技术的设计原理、关键策略及其应用。基因组装技术是合成生物学、代谢工程和功能基因组学研究的重要工具,对生物活性物质的高效生产及合成具有重要意义。     

合成生物学研究进展与应用

合成生物学作为一门新兴的综合交叉学科,将工程学的设计思想和原理应用到生物学的研究当中。在短短的十年间,合成生物学已经取得了一系列重要的进展。这些成果不仅有助于人们对生命本身的理解和认识,同时也为人类解决诸如能源、环境、医疗、药物生产等问题提供了极大的帮助。本文从合成生物学领域几个成功的研究实例出发,综述合成生物学已经取得的重大成就及其实际应用,并展望合成生物学将给人类社会带来的巨大变化。     

合成生物学在环境修复中的应用

环境问题是21世纪人类面临的最严重的挑战。随着现代工农业飞速发展,生态环境日益恶化,难降解污染物如新兴污染物逐渐显现,已成为制约社会经济可持续发展的重要因素。微生物具有强大的环境修复能力,但是其进化速度远不及新兴污染物出现的速度,亟需应用合成生物学的技术来解决这一难题。在充分认识难降解有机污染物微生物降解(途径)特性的基础上,利用我国丰富的微生物与基因资源,运用合成生物学的手段,定向设计和改造现有降解菌株,构建能够降解一种或多种污染物的工程菌株;同时针对复合型污染,如废水等,在建立典型有机污染物代谢、调控和抗逆相关基因元件的模块库基础上,引入人工菌群等策略,对生物系统进行理性设计和组装,构建典型环境污染物的高效降解菌群,可有效促进我国新兴污染物微生物分解代谢的研究,为环境修复的工程应用提供技术支持。     

合成生物学细胞传感技术在食品安全快速检测中的应用

合成生物学细胞传感技术为快速、现场检测食品污染物提供了一种新型替代方法。由于细胞内环境相对稳定,合成生物学细胞传感器有较强的抗干扰能力;由于细胞能够通过自我复制而实现增殖,细胞传感器在生产上具有简单、廉价、快速的特点,因此在食品安全快速检测中具有良好的应用前景。本文综述了合成生物学细胞传感器核心元件的组成、构建方法和类型,介绍了多功能细胞传感器的合成生物学基因回路,列举了细胞传感器在食品安全快速检测中的商业化应用前景,并阐述了细胞传感器在食品安全快速检测中的挑战和发展趋势。     

合成生物学中的DNA组装技术

合成生物学旨在应用工程学的研究思路及手段去设计或改造生物系统,是一个综合了科学与工程的拥有发展潜力的新兴学科,在生物医药、农业、能源、环保等方面发挥着巨大作用。DNA组装技术是合成生物学中的关键技术,也是合成生物学快速发展的限制性技术。综述了众多DNA组装技术的发展及其在合成生物学研究中的意义和应用。     

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.     

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。     

系统生物学和合成生物学研究在生物燃料生产菌株改造中的应用

基于生物质资源生产环境友好的生物燃料,对经济和社会的可持续发展具有重要意义,但其生产成本高的问题十分突出,而高效生产菌株的获得是解决这一问题的根本出路。以下综述了利用系统生物学研究所获得的信息进行菌种改造的过程,重点论述了生产菌株胁迫耐受性方面的研究进展,并讨论了系统生物学、合成生物学和代谢工程技术在改造生物燃料生产菌株中的应用,展望了合成生物学在构建高效生物能源生产菌株方面应用的前景。     

2018 iGEM专栏序言

国际基因工程机器大赛(iGEM),作为一项以合成生物学为主题,集合了多种交叉学科的学生科研赛事,已成为了当今生物科研领域属于年轻人的最具活力和影响力的舞台。近年来,许多来自国内的大学和高中队伍不仅在比赛中取得了优异成绩,还做出了具有创新性的科研成果。为此,我们特组织出版了此iGEM专栏,集中报道近年来国内多支iGEM参赛队的研究工作,同时关注、探讨iGEM大赛在中国的发展情况和对大学生科研能力培养的启示。     

基因工程菌的构建、性能研究及其在疾病诊断和治疗中的应用

随着肠道微生物组与宿主关系研究的深入和基因工程的迅速发展,基因工程菌（genetically engineered bacteria,GEB）在医学领域的应用成为研究热点。GEB是指经基因工程改造而具有高效表达外源蛋白质或分子化合物能力的细菌,相比传统药物具有诸多优势。GEB的构建过程包括底盘的选择、功能基因的获取、基因转移和重组这几个基本步骤,包裹技术能够提高其存活率和定殖能力,合成基因回路的应用可使其智能化。功能稳定性、有效性和安全性是评价GEB的一般指标,也是性能优化过程中需要重点关注的方面。GEB在炎症性疾病、肿瘤、代谢性疾病、感染性疾病和神经系统疾病等疾病中已有广泛应用,但实现临床转化还有很多问题亟待解决。本文介绍了GEB的构建和性能研究方法,总结了近年来其在疾病诊断和治疗中的应用,指出了现存问题并提出了展望。     

国际基因工程机器大赛对本科生科研教育的启示

近年来,国际基因工程机器大赛(International genetically engineered machine,iGEM,简称iGEM大赛)在全球迅猛发展。仅2017年iGEM大赛全球注册队伍就达到了史无前例的313支,中国地区有98支iGEM团队报名参赛并取得了优异成绩。与国内已有的诸多大学生创新项目、科研培养项目不同,iGEM的组织模式是以学生为主体的研究型学习。该模式取得了丰富的教育效果,体现了新的教育理念,对于我国高校组织本科生课外科研训练有较大的借鉴意义。文中以北京大学参加iGEM大赛为线索,介绍国际基因工程机器大赛(iGEM)的背景和基本情况并以一个参赛周期为序再现北京大学iGEM团队组织和参赛的主要过程。通过与其他本科生科研训练的组织模式进行比较,探讨iGEM对本科生科研训练意义,并总结iGEM的组织经验和对本科生科研能力培养以及组织本科生科研学术竞赛的启示,希望能为国内高校的iGEM活动组织以及本科教育改革提供借鉴。     

合成生物制造2025

本文对2023–2024年《生物工程学报》发表的合成生物制造相关的综述和研究论文进行了评述,内容涉及底盘细胞,基因(组)编辑,设施、工具和方法,生物传感器,蛋白质设计与改造,肽与蛋白质,酶的筛选、表达、表征和改造,生物催化,生物活性物,植物天然产物,微生物天然产物,微生物资源开发与生物农药,甾体化合物,氨基酸及衍生物,维生素及衍生物,核苷,糖、糖醇、寡糖、多糖和糖脂,有机酸和生物基材料单体,高聚物材料生物降解与生物可降解材料,肠道微生物、活菌药物与合成微生物组,微生物抗逆工程,木质纤维素的生物降解和转化利用,一碳生物技术,生物电子转移与生物氧化还原,生物环保,合成生物制造的风险和监管等26个方面的数百种技术和产品,以期为读者了解合成生物制造相关研发和产业化的最新进展情况提供参考。     

糖胺聚糖降解菌株的筛选及鉴定

以土壤为材料,用透明质酸和硫酸软骨素为唯一碳源富集分离菌株,通过BSA-乙酸平板显色法及比色定糖法进行筛选。从80份土壤中筛选出13株糖胺聚糖降解活性的菌株并对其进行了16S rDNA测序鉴定。结果表明,筛选到13株糖胺聚糖降解菌株均具有透明质酸酶和硫酸软骨素酶活性;获得8株尚未报导过的产糖胺聚糖降解酶活性菌株。本研究为开发新型的糖胺聚糖降解酶提供参考。     

高效递送趋化因子CXCL12工程益生菌的构建及其在糖尿病慢性创面愈合中的应用

糖尿病慢性创面具有难愈性、反复进展性和较高的致残/死亡率等特点,其临床治疗是亟待解决的医学难题之一。因其复杂的局部微环境,如高蛋白酶活性和持续的炎症反应等,使外源性因子(如趋化因子CXCL12)在局部慢性创面的生物利用率非常低,限制了外源性因子在慢性创面的局部应用。本研究利用合成生物学技术原理,以植物乳杆菌WCFS1为底盘菌,旨在开发一种高效的CXCL12递送系统,并评估其在糖尿病慢性创面修复中的作用。采用分子克隆技术将植物乳杆菌内源性分泌信号肽lp_3050和乳酸菌常用分泌信号肽usp45分别与gusA报告基因融合,插入pTRK892-P_32(pgm)质粒中,制备相应的工程菌,并通过GusA酶活分析表征了该菌株的蛋白分泌表达效率。结果表明,与usp45信号肽相比,lp_3050信号肽在植物乳杆菌WCFS1中能高效驱动GusA的分泌表达,其发酵上清中GusA酶活力提高了近5倍。基于此,将lp_3050分泌信号肽与密码子优化后的CXCL12基因进行融合表达,构建了高效分泌表达CXCL12的工程益生菌Lpw-CXCL12,其发酵上清中CXCL12的含量高达(13.40±0.20) μg/mL。随后,在慢性创面小鼠模型中发现Lpw-CXCL12工程益生菌可加速糖尿病慢性创面愈合。本研究构建了一株高效分泌表达趋化因子CXCL12的工程益生菌,并揭示了其在糖尿病慢性创面小鼠模型中的促创面愈合功效,为未来糖尿病慢性创面的治疗提供了新的思路和技术支撑。     

低分子量透明质酸合成研究进展

透明质酸(hyaluronic acid, HA)是d-葡萄糖醛酸与N-乙酰葡萄糖胺组成的高聚合线性多糖,不同分子量的透明质酸功能也大不相同。低分子量HA在医疗领域的应用日益广泛,可作为靶向抗肿瘤药物的载体、生产各种伤口敷料、应用于药物传递系统等,具有良好的市场前景与应用价值。本文全面梳理了近年来低分子量透明质酸的研究进展,例如传统的物理、化学降解法制备低分子量透明质酸,诱变育种获得生产低分子量HA的新菌株等,深入探讨了新兴的合成生物学策略在其生产中的应用,例如透明质酸合酶改造、合成代谢途径调控改变底物平衡等,同时指出了当前研究中的难点和挑战。本文为低分子量透明质酸的高效生产提供了新的思路和方法。     

活体生物药的应用及在遗传性代谢缺陷病治疗中的展望

活体生物药(live biotherapeutic products,LBPs)是指来自于人体肠道内或自然界中能够治疗人类疾病的活性菌。但天然筛选的活菌存在治疗效果不明显、差异性较大等缺点,难以满足个性化诊疗的需要。近年来,随着合成生物学的发展,研究者利用生命科学及工程科学手段,设计并构建了若干可响应外界复杂环境信号的工程菌株,加快了活体生物药的研发和应用过程。遗传性代谢缺陷病(inherited metabolic disease)是因体内某些酶的遗传缺陷致使体内相应的代谢物不能正常代谢而引发一系列临床症状的一类疾病,因此利用合成生物学技术,针对特定缺陷的酶设计重组活体生物药,未来有希望用于遗传性代谢缺陷病的治疗。本综述以活体生物药为切入点,并结合国内外文献综述,来探讨活体生物药在疾病治疗中的应用,以及对遗传性代谢缺陷病治疗的潜力。     

Ion-spray mass spectrometric analysis of glycosaminoglycan oligosaccharides

Oligosaccharides from hyaluronic acid and chondroitin 6-sulfate were prepared by digestion with testicular hyaluronidase and separated according to their degree of polymerization by gel-permeation chromatography. These materials were successively analyzed by negative-mode ion-spray mass spectrometry with an atmospheric-pressure ion source. An ion-spray interface was used to produce ions via the ion evaporation process, producing mass spectra containing a series of molecular species carrying multiple charges. Using two adjacent multiply charged molecular ions, the exact molecular weights up to the tetradecasaccharide were calculated with a precision of ±1 dalton. This type of mass spectrometry was also demonstrated to be feasible for the analysis of mixtures of oligosaccharides, including tetra-, hexa-, octa- and decasaccharides, from hyaluronic acid or chondroitin 6-sulfate without separation. Ion-spray mass spectrometry was thus shown to be applicable to the structural analysis of oligosaccharides from glycosaminoglycans.Abbreviations HA hyaluronic acid - Ch6S chondroitin 6-sulfate - GAG glycosaminoglycan - GlcA d-glucuronic acid - GlcNAc 2-acetamido-2-deoxy-d-glucose - GalNAc 2-acetamido-2-deoxy-d-galactose.     

亚甲蓝与多聚阴离子化合物结合反应的研究

对光谱探针亚甲蓝(MB)分别与硫酸化茯苓多糖(SP)、硫酸软骨素(CS)、透明质酸(HA)等多聚阴离子化合物相互作用的吸收光谱进行了比较研究,探讨了CS等多聚阴离子化合物与MB相互作用机理及其与MB结合的功能基团,计算了MB与SP、CS最大结合数分别为54和73。研究结果表明MB与多聚阴离子化合物的磺酸基发生明显的结合反应,与羧基不能发生明显的结合反应,多聚阴离子化合物与MB结合的功能基团是磺酸基。