人工微生物混菌系统机制解析中的组学应用及进展

人工微生物混菌系统的生物工程应用价值日益受到重视,使得对于混菌系统中成员菌间的相互作用机制研究也成为近年来的一个热点。其研究结果一方面可以为现有人工混菌系统的进一步优化提供理论依据,另一方面也为全新混菌系统的人工构建提供新的思路和策略,进而促进人工微生物混菌系统未来规模化应用。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等研究方法能够高通量分析各种生物分子、提供大量的数据与信息,多组学分析可以获得混菌系统中细胞的“全景”,在揭示人工微生物混菌系统中各个成员间的相互作用的研究中有着特殊的意义。文中综述了近年来多种组学技术在人工微生物混菌系统机制解析中的应用及研究进展,从代谢网络、能量代谢、信号转导、膜转运、胁迫响应、混菌系统的稳定性以及结构合理性等方面探讨混菌系统机制解析的最新进展,以期为利用合成生物学、基因组编辑等新兴生物技术改造微生物混菌系统实现其工程化应用提供理论依据。     

液相质谱联用的代谢组方法优化及其在蓝细菌分析中的应用

为了准确鉴定光合蓝细菌中的各种代谢物,需要对基于液相色谱–质谱联用仪(LC-MS)的代谢组学分析方法进行有针对性的优化。本研究选取了24种涉及中心碳代谢和能量代谢的代谢物作为LC-MS的检测目标,获得了每个代谢物的最适色谱分离条件和质谱参数;同时以光合蓝细菌Synechocystis sp.PCC6803为主要对象,针对性地优化了样品前处理条件,结果显示适当延长梯度洗脱顺序表的时间并将流速设为0.2 m L/min可以得到最佳的分离效果,同时选择80%(V/V)甲醇(-80?C)作为代谢物萃取剂。分析结果证明这一代谢组分析技术可以成功地应用到光合蓝细菌的研究中。     

实验室适应性进化技术在光合蓝细菌底盘工程中的研究进展

蓝细菌是唯一可进行放氧光合作用的原核微生物,基于光合蓝细菌构建“自养型细胞工厂”具有广阔前景。但以蓝细菌作为底盘进行生物燃料及化学品的合成仍存在细胞耐受能力差、产量低等问题,导致实现工业化生产的经济可行性还比较低,亟需通过合成生物学等技术手段构建新的藻株。近年来,实验室适应性进化(adaptive laboratory evolution,ALE)已被用于底盘工程中,实现了优化生长速度、增加耐受性、加强底物利用和提高产品产量等目标。ALE在提高蓝细菌鲁棒性方面取得了一定进展,已获得了耐受高光、重金属离子、高盐和高浓度有机溶剂胁迫的进化藻株。但是,蓝细菌中的ALE策略效率相对较低,耐受各胁迫的分子机制并未阐释完全。本文综述了ALE相关技术策略及其在蓝细菌底盘工程中的应用,讨论了如何借鉴其他微生物中ALE手段,构建更大ALE突变文库、增加菌株的突变频率、缩短进化时间、探索多重胁迫耐受工程菌构建原则及研究策略等,高效解析进化菌株的突变体库,构建高产量、鲁棒性强的工程菌株等,以期未来促进蓝细菌底盘的改造及其工程菌的规模化应用。     

新工科背景下高校生物安全人才培养体系建设北大核心CSCD

近年来,全球生物安全形势日趋严峻,重大传染病疫情、生物技术误用和谬用、生物武器等生物安全威胁不断显现,生物安全已跃升为我国国家安全的重要组成部分;而与此同时,生物安全作为一门新兴的交叉型学科,其教育体系的建立与完善还处于起步阶段。受国内外生物安全形势、生物安全产业发展以及国家安全学学科设立的影响,凸显了我国在生物安全这一交叉领域的人才储备的短板和不足。尤其在新工科建设背景下,更加显现出生物安全人才培养的重要性。本文根据作者在实际教学中的经验,从建立交叉融合课程体系、构建创新性教学模式、探索通识教育改革方案和完善持续改进机制等几个方面,系统介绍了新工科背景下完善生物安全领域人才体系的具体措施。     

应用合成生物学构建蓝细菌细胞工厂的研究进展

蓝细菌是一类能进行放氧光合作用的原核微生物,具有生长速度快、光合效率高、易于基因遗传操作等特点。它们能够将捕获的光能和二氧化碳转化为生物能源分子,在解决当前社会面临的能源紧缺和环境污染等问题上有着重要的理论和应用研究价值。近年来,随着合成生物学的迅猛发展,构建以蓝细菌为底盘的“人工细胞工厂”用于合成各类生物能源和精细化学产品取得了令人瞩目的成绩。重点介绍了应用合成生物学构建蓝细菌细胞合成工厂的研究进展,并对“光合自养型细胞工厂”面临的两大问题——产物毒性问题以及细胞内氧化胁迫问题进行了重点讨论。     

人工小RNA调控元件在合成生物学中的应用北大核心CSCD

合成生物学通过改造天然系统或创造生物元件、模块和系统赋予生命体新的功能,为农业、能源、制造业及医学进步带来了巨大推动力。对元件、模块或系统的精准、定量及高效调控将对合成生命系统的控制至关重要。细菌小RNA是一类长度在50–300 bp且通常不具备翻译能力的功能小分子,在环境胁迫响应、代谢变化适应和细菌毒力控制过程中发挥着不可替代的调控作用。近年来,基于天然小RNA设计构建的人工小RNA调控元件的工作日益丰富,实现了对目的基因甚至通路的有效抑制或激活。人工小RNA分子小、灵活性高,可程序化且易于设计,几乎不会对宿主细胞造成代谢负担,因此在合成生物学中具备广泛应用前景。为促进对人工小RNA的机理理解及应用拓展,本文围绕若干人工小RNA调控元件进行了系统介绍及比较;此外,总结了其在合成生物学中的代表性应用;最后,对其未来优化方向进行了讨论。     

聚球藻UTEX 2973中光碳驱动的高密度燃料合成

发展“液态阳光”被认为是解决化石燃料枯竭的关键技术之一。β-石竹烯是高性能的萜烯化合物,作为潜在的航空高密度燃料备受瞩目。新型光合蓝细菌底盘聚球藻UTEX 2973倍增时间短至1.5 h且耐受高温高光,利用光和CO2合成β-石竹烯具有很大的发展前景。为此,文中在聚球藻UTEX 2973中通过构建β-石竹烯合成途径、优化相关关键合酶、增强前体供应等一系列策略实现了在摇瓶中约121.22 μg/L β-石竹烯的合成 (96 h)。在此基础上,通过培养条件的优化实现在光生物反应器中进行高密度培养,最终β-石竹烯产量达到约212.37 μg/L (96 h)。这是目前报道的蓝细菌底盘中β-石竹烯的最高产量,为未来利用光和CO2直接合成高密度燃料打下基础。     

光合微生物混菌体系的应用和研究进展

光合微生物与其他异养微生物混菌共培养是近年来的研究热点,该体系弥补了光合微生物纯培养时易染菌、不稳定等缺陷,在污水处理、土壤改善、生物降解有害物质、生产高附加值产物方面拥有广阔的应用前景。文中通过系统总结天然和人工光合微生物混菌体系的研究进展,探究人工构建的光驱动混菌体系的基础理论和应用前景,为进一步利用合成生物学等前沿技术理性改造基于光合微生物的混菌培养系统提供科学依据。     

对两用生物技术发展现状与生物安全的思考

生命科技的蓬勃发展与全球化步伐的持续加速,为人类社会带来了诸多福祉。然而,生物技术的两用特征和传染病严峻的流行趋势带来了一系列生物安全隐患,引发了世界性的生物安全问题。随着国际形势的日趋复杂,生物安全这一非传统安全问题已成为国家安全体系的重要组成部分。本文通过分析典型两用生物技术的潜在威胁及新发突发传染病的发展趋势,指出我国生物安全领域面临的挑战性问题。同时结合研究发达国家在战略、政策与技术方面应对生物安全的重要举措,从战略布局、科技创新、团队建设、政策支持等方面为我国在两用生物技术的生物安全领域的发展提出建议。     

集胞藻PCC 6803中脂肪酸激活酶Slr1609互作蛋白的鉴定

集胞藻中slr1609是编码脂肪酸激活酶的基因,对与其相关的重要功能伴侣蛋白进行研究,可以完善对脂肪酸合成模块的认识,为进一步通过合成生物学技术改造蓝细菌提供理论支持。本研究在集胞藻PCC 6803中建立了蛋白质复合体分析及鉴定技术:利用氯霉素抗性基因筛选,构建带有3×FLAG标签的Slr1609突变株,通过RT-PCR优化重组蛋白表达条件;同时对突变株进行了Western blotting鉴定,以及利用Native-PAGE验证了蛋白质复合体的存在。最后,LC-MS/MS质谱鉴定获得了Slr1609蛋白复合体中的可能伴侣蛋白。