合成基因组学：设计与合成的艺术

随着基因组相关技术(测序、编辑、合成等)和知识(功能基因组学)的日益成熟,合成基因组学在本世纪迎得了发展的契机。病毒、原核生物的全基因组相继被化学合成并支持生命的存活,第1个真核生物合成基因组计划已经完成过半,人类基因组编写计划提上日程。在基因组合成的实践过程中,研究者们不断探索对基因组进行重编和设计所应遵循的规则,提高从头合成、组装和替换基因组的技术手段。合成基因组在工业、环境、健康和基础研究领域有着广阔的应用前景,同时也带来了相应的伦理问题。结合在Sc2.0计划中的基因组合成研究和近期合成基因组学所取得的重大进展,本文综述了基因组设计和合成相关的科学、技术和伦理内容,并探讨了未来发展所面对的挑战。作为合成生物学最重要的领域之一,合成基因组学方兴未艾。     

甲醇的生物利用与转化*

甲醇作为一种来源广泛、价格低廉、还原度高的非粮原料有望成为下一代生物制造的关键原料。利用合成生物学技术构建能够高效利用甲醇的重组微生物以实现从甲醇到高值化学品的生物转化已成国内外研究热点,但由于甲醇代谢过程的特殊性及复杂性,目前人工设计的甲基营养菌还难以实现以甲醇为唯一碳源进行生长及产物合成。基于对天然甲基营养菌甲醇代谢过程的分析,从甲醇脱氢酶的筛选与改造、甲醛同化途径的重构与优化、甲醇到化学品的生物转化几个方面对合成型甲基营养菌的构建策略及面临的挑战进行总结与分析,以期为今后合成型甲基营养菌的人工设计和利用提供一定的借鉴。     

高通量自动化微生物微液滴进化培养与筛选技术及其装备化

液滴微流控由于可以快速生成大量微液滴,并实现单个液滴独立的控制,每个液滴都可以作为独立的单元进行微生物培养,因此在微生物的高通量培养方面具有独特的应用优势。然而现有研究多停留在实验室搭建和使用阶段,存在操作要求高、影响因素多、缺乏自动化集成技术等关键问题,制约了液滴微流控技术在微生物研究中的应用。文中以解决液滴微流控技术用于微生物培养的装备化问题为目标,系统研究了微流控各单元模块的结构与功能,通过对液滴的发生、培养、检测、分割、融合、分选等多种操作的开发与集成,成功研制出了小型一体化、全自动高通量的微生物微液滴培养(Microbial Microdroplet Culture system,MMC)装备系统,可用于微生物的生长曲线测定、适应性进化、单因素多水平分析及代谢物检测等,为面向微生物菌种高效选育的进化培养和筛选提供了高通量仪器平台。     

塑料的降解与可降解塑料——聚羟基脂肪酸酯的合成

近年来,塑料污染的问题始终困扰着人类社会。为了解决不可回收的塑料带来的环境问题,“降塑再造”的理念被提出。“降塑再造”主要包括塑料的降解和塑料的再生。而再生成为可降解的聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)则是实现塑料内循环的一种方式。PHA是一种可由多种微生物合成的生物聚酯,以其特有的生物相容性和可降解性以及热加工性能而被大家所关注。同时利用PHA的多样化的单体组成、加工技术和改性方法,可以进一步改善PHA的性能,产生类型多样、性能各异的PHA材料,也可以创造平衡耐久性和生物降解性的新产品,这些特性使PHA有望成为传统塑料的替代品之一。利用极端微生物进行生产的“下一代工业技术(next-generation industrial biotechnology,NGIB)”可以增加PHA的市场竞争力,为国家碳中和目标顺利实施提供参考。本文综述了各类塑料降解并生产PHA的可能性、PHA材料的基础材料属性、加工和改性方法及获得的新材料、新技术和独特的材料性质。     

口服肝素与小鼠肠道菌群的相互作用

口服肝素药物的开发需要系统地理解口服肝素与肠道菌群之间的互作过程。通过荧光体视镜观察荧光素标记的肝素经小鼠口服后在体内的分布情况,利用高效液相色谱法检测肝素在模拟胃肠液中的稳定性和体外培养肠道菌群模拟肠道菌对肝素的降解作用,发现口服肝素主要分布在小鼠胃肠道内,在体外模拟胃肠液条件下肝素结构稳定,但能够被添加肝素的厌氧培养基培养后的肠道菌群降解。为了进一步揭示口服肝素对健康小鼠肠道菌群的影响,利用Illumina MiSeq高通量测序技术测定口服肝素后C57BL/6J小鼠粪便菌群的16S rRNA序列,与口服生理盐水的小鼠粪便菌群进行对比,发现口服肝素的小鼠粪便菌群的生物多样性降低;在门水平上,菌群结构差异不显著;而在属水平上,别样杆菌属Alistipes、副萨特氏菌属Parasutterella和艾克曼菌属Akkermansia相对丰度增高,而嗜胆菌属Bilophila、肠杆菌属Enterorhabdus、瘤胃梭菌属Ruminiclostridium、普雷沃氏菌科Prevotellaceae_UCG_001、瘤胃梭菌属Ruminiclostridium-9、拟杆菌属Bacteroides、Lachnoclostridium、Candidatus_Saccharimonas、Intestinimonas和Dubosiella的相对丰度减少,表明口服肝素能够影响小鼠肠道菌群结构。此外,实验发现口服肝素对小鼠无明显毒副作用,具有较高安全性。研究结果将为开发肝素口服递送策略提供新的思路,为口服肝素类药物的开发提供参考。     

微生物微培养系统研究现状与展望

微生物培养是微生物学的起源和根本,成功的微生物培养是进行后续研究的重要前提与基础。但是,微生物培养操作不仅耗费了科研人员大量的精力和时间,还存在着极大的人为误差。近年来,容量小、高通量、模块化、可操作性良好并可进行在线检测的微生物微培养系统得到了微生物学领域的广泛关注。文中介绍了应用于微生物学领域的微培养系统,并按系统构成分类讨论了微生物微培养系统的发展、应用和展望。     

天然活性多肽的发掘策略和生产技术

活性多肽可以参与生命机体的多种生理活动,对促进人体健康发挥着重要的作用,如降血压、降血糖、降血脂和抗癌等,其创制技术也逐渐成为重要的研究和应用转化方向。本综述旨在总结天然活性多肽的发掘策略和生产技术的研究进展。目前,天然活性多肽的发掘与生产技术主要包括自上而下和自下而上两种方法,其中自上而下方法在多肽发掘方面主要为直接提取鉴定法,在生产技术方面主要包括直接提取法、酶解法和微生物发酵法;自下而上方法在多肽发掘方面包括天然活性多肽改造和数据库发掘方法,在生产技术方面主要方法包括化学合成法、酶合成法、基因重组表达法和无细胞合成法。自上而下的天然多肽制备与功能验证方法存在步骤烦琐、耗费时间长、功能不确定性大、实验与生产成本高以及质量控制难度大等问题;而自下而上的活性多肽合成与功能验证方法适合多肽药物的开发,而难以用于功能食品。随着测序和质谱技术的发展,人们更容易从分子水平获取物种蛋白组信息。以此蛋白组信息为根据,将自上而下和自下而上两种方法结合,可以克服单独使用这两种方法存在的问题,从而为快速开发和生产天然活性多肽提供新的策略。     

ARTP诱变技术在食品和饲料加工生物催化剂改造中的应用进展

食品和饲料的生物催化转化和发酵技术成为保障餐桌安全及绿色发展的重要领域,其用酶量在工业酶制剂市场中占比最大,且增长最快。性能优良的酶制剂能显著缩短发酵周期,降低生产成本,提高目标产物的转化率,进而提高市场竞争力。食品和饲料加工产业除了应用分离提取的酶制剂外,很多发酵过程仍以微生物为细胞工厂进行多种酶催化转化。该发酵过程通常涉及复杂的代谢网络和调控机制,且很多体系不能采用基因工程技术,因此理性基因工程改造通常难以满足应用需求。诱变育种仍然是食品和饲料加工用酶及微生物菌株改造的主要手段,需要与时俱进不断发展新技术。近年发展起来的常压室温等离子体(ARTP)诱变育种技术因其具有操作简单、安全、环境友好、突变率高、突变库容大等特点,在食品和饲料加工微生物育种中得到了广泛应用,取得了良好的成效。重点介绍近年ARTP在食品与饲料加工酶制剂及发酵微生物改造中的相关应用进展。     

甲醇的生物利用与转化*

甲醇作为一种来源广泛、价格低廉、还原度高的非粮原料有望成为下一代生物制造的关键原料。利用合成生物学技术构建能够高效利用甲醇的重组微生物以实现从甲醇到高值化学品的生物转化已成国内外研究热点,但由于甲醇代谢过程的特殊性及复杂性,目前人工设计的甲基营养菌还难以实现以甲醇为唯一碳源进行生长及产物合成。基于对天然甲基营养菌甲醇代谢过程的分析,从甲醇脱氢酶的筛选与改造、甲醛同化途径的重构与优化、甲醇到化学品的生物转化几个方面对合成型甲基营养菌的构建策略及面临的挑战进行总结与分析,以期为今后合成型甲基营养菌的人工设计和利用提供一定的借鉴。