生物体系的多层次计算设计与合成生物学

合成生物学的核心思想是将现代工程学的原理与方法引入对生命系统的改造和构建中.生命活动覆盖从分子到细胞再到有机体等不同层次.合成生物学研究同样跨越了多个层次,例如,在分子层次进行生物元件和器件的设计和标准化、通过合成基因线路研究生物网络的设计和调控原理、在途径和网络层次进行细胞内代谢网络和代谢途径的人工设计改造等.本文一方面试图对与此有关的既有计算机模拟与设计方法加以总结和介绍,另一方面探讨这些不同层次的计算模拟与设计工具可应用于哪些方面的合成生物学问题,以及既有方法可能在哪些方向上还有比较大的发展潜力,能更好满足合成生物学研究需求.     

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.     

合成生物学与科学方法论和自然哲学

合成生物学是一个多学科交叉的研究领域,旨在整合生命科学、工程学、物理学与化学等学科,通过设计和建造新的生物元件、功能和系统,以构建在自然界中并不存在的可控方式,生物逻辑和生产系统.其众多潜在的应用领域包括新药物、环境修复、新农药、癌症治疗、生物燃料和新材料等.除了自然科学家和工程师,合成生物学也吸引了社会学家、经济学家和哲学家的关注.目前使用的"合成生物学"这个词是一个特别宽泛的概念,体现了其同样广泛的目标.合成生物学究竟是什么?它的科学方法论是什么?它有怎样的哲学含义?本文将针对上述问题展开讨论.     

生物物理学报作者须知

1编辑方针《生物物理学报》是中国生物物理学会主办的学术期刊,发表有关生物物理学、分子生物学和细胞生物学领域基础研究和应用研究方面具有原创性的高水平研究论文、快报和综述文章。本刊将把重点放在分子与细胞水平的研究工作。特别欢迎以下方面的投稿:蛋白质组学,生物大分子的结构与功能,生物膜的结构与功能,生物信息学,细胞的信号转导,脑和认知功能的分子和细胞生物学基础,环境(光、声、电磁场、力和辐射)对生物作用的分子与细胞生物学机制,生命运动中各种分子、细胞和系统过程的理论模拟,以及生物物理、分子生物学与细胞生物学研究的…     

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．     

合成生物学:一种研究生物图案形成的新方法

生物图案是如何形成的?这是一个生物学中最基本的问题.在自然界里生物的生理表现极为复杂,因此在大多数情况下,生物图案形成背后的分子机理和原理很难被阐述清楚.由于生物系统的多样性和复杂性,想要理解某一特定图案形成的机理都是很困难的,更不要说理解生物图案形成背后的普遍机理了.尽管目前的遗传和生化方法极大地推进了人们对生物图案形成的认识,这些进步主要还是来源于对功能获得型/功能缺失型突变体的研究,而这些研究颇为费时.当前普遍认为合成生物学是一门应用性的学科,但除了实际应用,合成生物学还可以作为探索生命科学根本问题的方法.本文将以重复周期性生物图案的形成为范例来讨论如何运用合成生物学了解生物图案的形成以及今后如何将其运用到组织工程中去.     

合成生物学在基础生命科学研究中的应用

合成生物学作为一门新兴的交叉学科,吸引了来自生物学、数理科学和工程学等不同学科的研究人员以及产业界的广泛关注和参与。它旨在通过从头创造全新的或改造已有的生物系统,实现天然生物系统不具备的功能与特性。合成生物学研究不仅具有广阔的生物产业应用前景,更为基础科研提供了全新的手段和思路。本文着眼于合成生物学―建物致知‖的理念,跟踪合成生物学研究在回答生命科学基础问题方面取得的相关成果,简述了其在细胞内分子调控网络、细胞生理学、多细胞群体形态与行为以及多物种微生态学等研究中的应用。     

系统生物学与细胞发生系统动力学

系统生物学是系统理论和实验生物技术、计算机数学模型等方法整合的生物系统研究,系统遗传学研究基因组的稳态与进化、功能基因组和生物性状等复杂系统的结构、动态与发生演变等。合成生物学是系统生物学的工程应用,采用工程学方法、基因工程和计算机辅助设计等研究人工生物系统的生物技术。系统与合成生物学的结构理论,序列标志片段显示分析与微流控生物芯片,广泛用于研究细胞代谢、繁殖和应激的自组织进化、生物体形态发生等细胞分子生物系统原理等。     

铁硫簇的结构、功能及生物合成研究进展

铁硫簇是普遍存在于生物体中的最古老的生命物质之一.铁硫簇基本结构单元有[2Fe-2S]、[3Fe-4S]、[4Fe-4S]及.[8Fe-7S]等几种形式,不同结构的铁硫簇具有不同的生物学功能,主要包括参与电子传递、底物的结合与激活、铁/硫的存储、基因表达的调控、酶活的调控等.铁硫簇既可在生物体内合成,也可在体外进行人工组装.铁硫簇的生物合成主要和NIF、ISC、SUF这三个系统有关.研究已确定了参与铁硫簇合成的关键蛋白,但对它们分子水平上的机制及如何进行相互作用在体内外合成铁硫簇的认识尚待进一步研究.     

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。     

生物大分子自组装合成多维纳米生物结构与器件

生物体通过指导的自组装合成种类繁多、功能特异的天然纳米结构,它们在生命过程中扮演重要角色。按照自组装体的维度,可以分为线状(一维)、层状(二维)、笼状(三维)生物纳米结构。通过设计,这些生物大分子纳米结构可在细胞"工厂"中重组制备,且可通过合成生物学技术对其组装和功能化进行理性设计和调控,成为功能性纳米器件。这类纳米生物结构和器件已经在生物传感、催化、肿瘤热疗、药物递送、组织工程、生物电池等领域获得展示或应用。相关研究正在成为合成生物学和纳米生物学的一个交叉领域,受到关注。     

CRISPR技术在生物传感中的应用——胞内核酸成像、体外核酸检测与胞内DNA记录

核酸分子是生命的遗传物质和生命信息载体。如何观察细胞内外特定核酸序列,快速检测核酸序列和记录检测的细胞活动过程?这些在分子生物学领域重要的科学问题需要强有力的技术来解决。如今,在基因组编辑领域赫赫有名的CRISPR技术开始涉足上述领域。重点介绍CRISPR相关蛋白在生物传感方面的应用,包括细胞内特定基因组序列和RNA的成像、体外核酸快速检测以及细胞内DNA记录。核酸成像与核酸检测是将特定核酸序列的信息,通过CRISPR蛋白的参与转化为易检测的信号(如荧光);而DNA记录则是将细胞的代际或所接触的信号转化为细胞内DNA序列进行储存。这些新兴研究方向的开发和发展将大大促进CRISPR技术在基础科学、合成生物学、分子诊断等领域的应用。     

苹果酸酶1及其对疾病调控的研究进展

苹果酸酶1 (malic enzyme 1 ,ME1 )是调节苹果酸代谢的关键酶,主要的生物学功能是维持细胞内氧化还原稳态、调节细胞能量代谢和合成生物分子,可影响细胞生长、分化、增殖和衰老等重要生命活动.近年来的研究表明,ME1 与多种疾病的发生发展密切相关,且目前作为多种疾病潜在的治疗靶点备受关注.因此,本文将针对M...     

“细胞的结构与功能-Ⅱ”的教学组织

现代生命科学主要是在分子水平、细胞水平、个体水平和群体水平上研究生命活动规律。细胞水平的研究之所以是不可缺少的基本环节,是因为有规律的生命活动必须以细胞作为基本单位才能实现和完成,正如美国著名生物学家E．B．Wil．son所言“一切生物学的关键问题必须在细胞中寻找。”为此,《生物课程标准》对该部分的具体要求是：阐述细胞膜系统的结构与功能：举例说出几种细胞器的结构和功能：阐明细胞核的结构与功能：尝试建立真核细胞的模型。活动建议：观察线粒体和叶绿体。     

系统遗传学与生物技术-细胞分子生物系统的分析与合成

生物系统的科学与工程是整合系统论、实验、计算和工程方法的交叉学科研究与应用.系统生物学、系统医学,建立在系统科学和数学模型基础上,采用分子、组学生物技术和计算、生物信息技术,以及基因合成与转基因生物技术等研究生物系统原理和规律.系统遗传学与系统生物技术是研究天然与人工生物系统的基因系统与蛋白质系统构成细胞的软件信息与硬件运行系统的机理与方法.合成生物学、系统生物工程也是建立在系统科学和数学模型基础上,应用于生物系统原理设计虚拟计算机信息软件和仿生人工机器硬件、人造工程生物体和基因信息系统等.     

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。     

生物大分子的类型

生物大分子是细胞的基本结构和功能单位,也是研究生命现象中的物质基础。生物体内的分子组成如何?哪些分子才算生物大分子?这些大分子有没有分子量的下限?     

无细胞合成生物学：革新生物医药产业的新策略

无细胞合成生物系统,能够在体外完成生命转录翻译过程,因体系灵活开放、便于控制、表达周期短、高耐受性等特点,可表达细胞系统难以表达的蛋白质。随着无细胞生物传感和体系冻干技术的不断发展,其在医药健康领域的应用不断拓展。本文综述了无细胞合成生物学在按需生物医药合成和便携式医疗检测等医药健康领域的研究进展,该体系的进一步发展有潜力实现更复杂后修饰蛋白质药物的合成、可丰富无细胞生物传感器类型并提高其灵敏性。无细胞合成生物学作为新兴工程策略,未来必将更好地应用于高通量医药蛋白质筛选、新型病原体的检测等医药健康领域。     

“细胞行为-I”的教学组织

细胞是生物体结构和功能的基本单位,在其生命活动的舞台上,它会展现增殖、分化、衰老和凋亡等一系列行为变化。细胞增殖是高中生物学新课程必修模块“分子与细胞”的一个组成部分,本文主要阐述有关细胞增殖的教学组织。     

膜蛋白的表达：在无细胞体系中实现功能性表达、折叠和组装

膜蛋白在人类和其他物种的生命活动中都起着至关重要的作用.在已完成测序的基因组中,膜蛋白占据30%.药物作用靶向位点、细胞之间的信号传递以及对外界环境的探测等功能,大多是通过生物膜上的特殊膜受体蛋白实现的.膜蛋白研究在工业、环境、国防、医学等领域具有重大意义.嗅觉受体蛋白是一类典型的膜蛋白,属于G蛋白偶联受体家族.嗅觉受体蛋白调控着生物的食物寻找、危险趋避和求偶行为.其主要分布于脊椎动物鼻腔和昆虫触角.嗅觉受体蛋白可以直接识别气味分子,将生物信号转化为电信号,最终传递至神经中枢,进而做出相关应答.膜蛋白的获取并不容易.天然组织中的膜蛋白含量太低不足以支撑学术研究.异源表达难以实现膜蛋白整合上膜,这给膜蛋白的结构和功能研究带来很大挑战.无细胞蛋白质合成系统是一个开放体系,且不依赖细胞活性,是体外表达蛋白质的有效方法.通过无细胞蛋白合成体系,在体外实现膜蛋白二聚体的自组装,将为膜蛋白研究带来全新突破.本文总结了用于无细胞表达的膜蛋白研究进展.