“强基计划”背景下生物学实验教学改革——以“生物学综合设计”课程为例北大核心CSCD

人才培养是未来国家竞争的核心。“强基计划”是我国对基础学科拔尖创新人才培养模式的重要探索,是满足国家重大战略人才需求的重要举措。“强基计划”招收的学生,往往成绩优异、兴趣浓厚,这为相关学科的人才培养模式提出了新要求和新目标。其中,“强基计划”背景下的基础教学改革势在必行。超学科教育理念(science,technology,engineering,arts,mathematics,STEAM)作为一种跨学科的综合性教育理念,与“强基计划”的建设理念不谋而合。鉴于此,天津大学生命科学学院根据“强基计划”背景下生物学科人才培养目标,结合STEAM教育理念,以“生物学综合设计”课程为例,对生物学实验教学改革进行了探索与实践。     

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。     

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。     

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。     

基于MIP图像拼接系统的大型古生物化石数字化应用研究北大核心CSCD

在大型古生物化石数字化过程中,为了充分展示化石的细节信息,往往需要拍摄大量的图像。为了实现大型古生物化石数字化数据的完整性,需要对这些大量的图像进行精密的图像拼接处理。基于这种应用需求的前提下,本文在自主研发的Mosaic of Image Program(MIP)图像拼接系统的基础上,对高精度的相机检校、畸变检校及改正和拼接缝的保真处理等方面进行研究,形成系统的古生物化石彩色合成影像数字化流程。在宜州化石馆的实际处理中,完成了杨氏锦州龙、蜥脚类恐龙、孔子鸟等大型古生物化石的数字化,几何失真小于0.36mm(畸变矫正精度优于1像元,拼接精度优于2像元,像片分辨率0.12mm)。同时采用基于SIFT的自动辐射归一化处理算法对拼接影像进行辐射均衡处理,矫正拼接影像辐射亮度的不均衡。