工业蛋白质理性设计与应用

作为合成生物学与绿色生物制造等领域的底层核心技术,蛋白理性设计可有效解决天然功能元件性能不足等共性挑战,创制高性能人工酶元件。值此天津工业生物研究所(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, TIB)创立10周年之际,文中回顾了研究所在工业蛋白理性设计领域的系列重要工作进展。从酶设计方法学研究、新酶反应设计到生物催化应用等方面进行了分析讨论,并展望了本领域未来发展方向。望借此搭建学术界和产业界与酶理性设计的桥梁,促进新技术、新策略的开发应用,加速融合人工酶的基础研究与产业应用,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

微囊载体固定化多酶的研究进展

多酶催化是利用多种生物酶构建反应体系或网络,在生物体外实现化学品的合成.在生物制造过程中,多酶的共固定化有利于提高酶的稳定性和重复使用率,更利于多酶间的协同催化.在精准调控下,多酶固定化载体的微囊材料有望实现多酶协同催化性能的最大化.本文中,笔者分析了微囊体系的特点,综述了微囊材料及其固定化多酶的优缺点,总结了微囊多酶...     

酶启动和调控自组装超分子水凝胶

超分子间的弱相互作用使自组装超分子水凝胶的结构比较容易改变。用酶启动和调控超分子水凝胶的自组装不仅能在原位上对超分子水凝胶结构进行调整和控制,而且具有很好的生物选择性,有望制造出生物医学上所需要的材料,并能够控制生物体系中一些重要的生物过程。本文对酶启动和调控自组装超分子水凝胶的两类过程进行了总结,并以磷酸酯酶、β-内酰胺酶、嗜热菌蛋白酶、脂肪酶、基质金属蛋白酶和磷酸酯酶/激酶等酶为例,综述了如何设计和使用酶来启动和调控小分子的自组装超分子水凝胶。     

酶的分子定向进化及其应用

酶的分子定向进化是20世纪90年代初兴起的一种蛋白质工程的新策略,是一种在生物体外模拟自然进化过程的、具有一定目的性的快速改造蛋A质的方法.该方法引起了生物催化技术领域的又一次革命.目前分子定向进化技术已被广泛应用于工业、农业及制药业等的相关领域.本文详细综述了酶的分子定向进化的概念、过程、基本策略及其核心技术,并着重介绍了酶的分子定向进化技术在提高酶的活力、稳定性、底物特异性和对映体选择性等几方面的应用及取得的相关成果.     

适配体传感器在微生物检测中的应用

适配体是一类特异的核酸序列,具有靶分子广、特异性强、稳定等优点.该类核酸分子在体外通过SELEX(systematic evolution of ligands by exponential enrichment)技术(系统进化的指数富集技术)鉴定和筛选得到.相对于抗体,适配体为诊断和检测分析系统中的识别配基提供了另一个选择.适配体生物传感器是将生物识别元件和信号转换元件紧密结合,从而检测目标化合物的分析装置.适配体生物传感器在微生物检测方面具有分析速度快、灵敏度高、专一性强等特点,在微生物检测中显示出良好的应用前景.介绍了适配体、SELEX流程以及适配体传感器,综述了适配体传感器在微生物检测中的应用.     

电-氢-糖循环的新能源体系研究进展

发展绿色低碳的可再生能源体系已经成为重要的国际共识和方向,也是我国践行“双碳”目标、保障能源安全、走社会可持续发展的必要路径。本文聚焦电-氢-糖(electricity-hydrogen-carbohydrate, EHC)循环的新能源理论体系,重点综述了中国科学院天津工业生物技术研究所10余年来在基于体外多酶催化系统(in vitro synthetic enzymatic biosystem, ivSEB)的糖与水反应制氢、糖完全氧化产电,以及氢或电能固定CO₂到糖的生物转化方面所做的工作,阐述体外多酶催化系统的设计原则、分子基础,并从电-氢-糖循环进一步延伸出以糖(淀粉)为核心的体外合成生物制造,结合最新相关研究进展,分析讨论体外多酶催化体系的特色和优缺点,并展望未来发展方向,促进经济和社会的绿色低碳可持续发展。     

酶祖先序列重建与定向进化

酶祖先序列重建是指通过计算机算法推导来自灭绝生物的祖先酶的氨基酸序列的技术。通常可分为6个步骤,依次为现代酶的核酸/氨基酸序列收集、多序列比对、系统发育树构建、祖先酶序列的计算机推测、基因克隆、酶学性质表征。该方法广泛应用于研究分子在行星时间尺度上对环境条件不断变化的适应性和进化机制。随着酶在生物催化领域中扮演越来越重要的角色,该方法逐渐成为研究酶序列、结构和功能关系的有力手段。同时,祖先酶大多具有温度稳定性、突变稳定性等特性,使其成为进一步定向进化的理想蛋白质支架。文中综述了酶祖先序列重建的计算机算法、应用和常用计算机软件,并结合最新研究进展,展望其在酶定向进化领域中的应用前景。     

酶分子体外定向进化的研究方法*

酶分子体外定向进化不仅可大幅度提高酶分子的进化效率,短期内在实验室完成自然状态下需要千百万年的进化过程,还可使酶分子按照人们期望的特定目标进化,因此对酶工程今后的发展非常重要。本对酶分子体外定向进化的研究方法进行了归纳总结。     

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。     

生物活性物的生物制造：现状、挑战和发展趋势

生物活性物的生物制造是指利用包括细胞、微生物和酶在内的生物系统生产具有生物活性的天然或合成分子的过程。这些分子可用于制药、化妆品、农业和食品工业等领域,对提高生命质量、延长生命长度具有重要意义。在合成生物学和自动化等技术的推动下,生物制造领域迅速发展,为创造新产品和替代传统产品提供了绿色可持续的生产模式,为生物经济的增长、创新作出了重要贡献。本文结合生物活性物研发及生产情况,简要梳理并分析了国内外生物活性物的现有市场和未来发展。生物制造作为一种绿色、可持续的生产方式,将在生物经济发展中持续发挥重要作用。     

工业酶蛋白研究的重要进展

作为生物催化剂的核心,工业酶的研究在近年来取得了许多重要的进展,特别是具有重要意义的新酶发现、酶家族研究、酶的分子改造等领域出现了许多突破性的进展。     

综述与专论: 基于核酸适配体传感器的即时检测（POCT）技术

即时检测（point-of-care testing，POCT）是一种检测成本低、检测速度快、准确度高、能自我采样获得临床诊断结果的新型诊断技术。该技术在临床诊断、病情监控与疫情防控等领域发挥了重要作用。核酸适配体是一种能够特异性识别多种靶标的分子探针，具有易合成、批间差异小、易实现信号放大等突出优势，是生物医学传感器中重要的分子识别元件。本文概述了核酸适配体探针的现有筛选方法和进展，总结了核酸适配体POCT传感器信号放大策略，着重介绍了各类核酸适配体传感器在POCT领域的应用现状，并对核酸适配体POCT传感器的发展前景进行了展望。     

耐高温重组CotA蛋白的胆红素氧化酶反应动力学及活性鉴定

已知源于枯草芽孢杆菌内生孢子的CotA蛋白具有漆酶和胆红素氧化酶活性。然而,其分离纯化极为困难。本研究对表达与纯化的重组CotA蛋白的胆红素氧化酶特性及氧化还原功能进行鉴定。基因转染及筛选获得了表达CotA的P. pastoris菌株|继而,表达的重组CotA蛋白经DEAE-Sepharose FF 及Sephadex G-75层析分离与纯化,产物得率为25%,纯化产物的酶比活性为 4 U/mg。经SDS-PAGE 和 MALDI-TOF MS 分析显示,其分子质量为65 kD。纯化的CotA蛋白能够催化胆红素氧化,生成胆绿素,且催化反应速率受反应溶液中溶解氧含量的影响,提示纯化的重组CotA具有胆红素氧化酶活性。酶反应进一步证明,CotA的胆红素氧化酶反应最适pH值为pH 8.0,最适温度为60℃。该酶在90℃条件下的半衰期为7 h,提示CotA胆红素氧化酶具有高度的热稳定性。CotA修饰的摄谱仪石墨电极可直接电催化分子氧（O2）还原,具有很好的电流响应。我们的结果表明,重组的CotA蛋白具有耐高温胆红素氧化酶活性。更重要的是,我们的结果还提示重组的CotA蛋白在酶生物燃料电池阴极的制备上具有较好的应用潜能。     

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。     

合成生物学的医学应用

合成生物学旨在基于工程学原理,通过人工合成生物调控元件、模块和基因调控网络等对细胞进行设计和改造,以实现细胞和生命体的定向演化。在医学研究中,合成生物学主要采用人工设计合成治疗性的基因回路,制备工程化细胞植入体内,纠正机体已发生缺陷的生物调控元件,以达到治疗疾病的目的。本文对合成生物学的兴起、发展及其在医学中的应用和研究进展进行了综述。     

铁蛋白介导的地衣多糖酶胞内自发聚集及其高效制备

酶分离纯化、固定化及催化性能提升一直是生物催化领域的研究热点和前沿,也是众多研究者致力解决的难点。研究和开发新型的纯化、固定化及提升催化性能的方法,降低纯化及储存等设备的要求及生产成本,对酶大规模应用具有重要意义。文中将铁蛋白(ferritin)与目标酶(地衣多糖酶)基因融合,经高效表达后,在细胞内自发形成无载体固定化酶,且可经低速离心分离纯化,纯度可达90%以上,酶活回收率为61.1%,在30℃储存608 h后,依然能够保持活力,且比初始时活力略有增加。在重复使用10次以后,仍保持初始酶活力的50.0%。该微米级固定化酶可自发复溶,形成直径约为12 nm的可溶寡聚地衣多糖酶,其比活力是游离地衣多糖酶的12.48倍,催化效率则是后者的7.11倍,在50℃时,酶活性降低为初始值一半所需时间也延长了11.09倍。这表明铁蛋白有望成为一种全新的分离纯化目标酶并大幅提升其催化性能的标签。     

综述与专论: 纳米酶在分析化学中的应用研究：从体外检测到活体分析

纳米酶是指具有类酶催化活性的纳米材料．近年来,纳米酶研究引起了人们的极大兴趣．纳米酶已被广泛应用于诸如生物传感、生物成像、疾病治疗和环境保护等众多领域．在本综述中,我们将着重讨论纳米酶在分析化学领域的研究进展．首先将讨论纳米酶在体外检测的应用,将包括生物活性小分子、核酸、蛋白质类生物标志物、细胞等的检测．其后将讨论纳米酶在活体分析的应用,将包括监测活脑、肿瘤组织等的生物活性小分子、药物的药效、药物与纳米酶的代谢等．最后,我们将讨论纳米酶应用于分析化学时面临的挑战和未来研究前景．     

去泛素化酶与基因表达调控

泛素化是常见的蛋白质翻译后修饰方式之一,其参与了生物体内细胞分裂与分化、生长发育、转录调节、损伤应激、免疫应答等多方面的生理活动.近年来,泛素研究领域的重要成员之一——去泛素化酶(deubiquitylating enzymes)被不断发现和报道.作为一类可以移除泛素的异肽酶类,去泛素化酶具有结构和功能的多样性.基因表达调控一直是分子遗传学的研究热点,系统整理和总结去泛素化酶与基因表达调控的关系具有重要意义.本文综述了去泛素化酶与基因表达调控的关系,包括去泛素化酶与染色质稳态维持、细胞周期调控和DNA损伤修复等三个方面,并对该领域未来的研究方向进行了预测和讨论.     

用模块化分子元件调控和编程生物系统

合成生物学的目标包括“通过合成来理解生命”以及用现代工程学方法设计合成复杂生物系统．其工程学目标的实现依赖于可集成、可调控、可重用、功能多样的蛋白质、RNA、DNA等基本分子元件．以分子机制为基础,合理设计与实验室进化相结合,改造和创建生物分子的相互作用特异性、调控方式、定量活性等,是实现生物系统人工调控与编程的重要策略,同时为自下而上设计合成日益复杂的人工生物系统奠定基础．     

生物脱有机硫催化剂的最新研究进展

生物脱有机硫作为常规的加氢脱硫替代方法近几年受到越来越多的重视,也取得了一些重要的结果,这都推动了生物脱硫向产业化应用。本文简要综述了最近几年通过菌株改造提高催化剂活力和消除无机硫抑制以及脱硫酶系纯化方面所取得一些进展。