利用合成生物学生产药物和燃料

合成生物学是一个快速发展的研究领域,其重要性体现在科学研究和应用开发两方面。它不但加深了我们对复杂的生物过程与机理的理解,而且使得基础生物研究向实际应用的快速转化成为可能。将介绍一些新型高效的合成生物学工具以及如何利用它们开发能从可再生原料生产药物和燃料的上程菌株。     

结构生物学专题序言

<正>结构生物学是一门研究生物大分子的三维空间结构、动态过程和生物学功能的交叉性学科,结构生物学研究可以提供生物大分子在原子分辨率水平的原子坐标、相互作用的细节信息以及生物大分子在行使其功能时的动态变化,这些结构信息与功能研究相结合,不仅能促进人们对生物大分子的生物功能和分子机理的认识,阐述重要的生物学问题,同时也能为探索与生物大分子功能失调相关疾病的发病机     

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.     

合成生物学在生命起源、进化、结构和功能相互关系研究中的作用

生命从何而来?生物进化的原理和分子机制是什么?生物如何组装具有特定结构的分子和细胞,又如何从一个细胞生长发育为一个有规则结构的生物体?这些古老的生物学基本问题至今仍然蒙着神秘的面纱.在过去几十年中,合成生物学这门新兴交叉学科融合了生命科学、工程学、物理学与化学等诸多学科中的内容,旨在通过设计和建造新的生物元件、功能和系统,以创建在自然界中并不存在的可控方式、生物逻辑和生命系统.合成生物学的出现或许能够克服此前的技术障碍,在回答生命起源、进化、结构与功能等问题上提供新的有趣的观点;此外,它也可能改变对生命已被广泛接受的定义,从而挑战认知生命的方式.     

生物分子网络弹性研究进展

弹性是生物分子网络重要且基础的属性之一,一方面弹性赋予生物分子网络抵抗内部噪声与环境干扰并维持其自身基本功能的能力,另一方面,弹性为网络状态的恢复制造了阻力。生物分子网络弹性研究试图回答如下3个问题：a. 生物分子网络弹性的产生机理是什么？b. 弹性影响下生物分子网络的状态如何发生转移？c. 如何预测生物网络状态转换临界点,以防止系统向不理想的状态演化？因此,研究生物分子网络弹性有助于理解生物系统内部运作机理,同时对诸如疾病发生临界点预测、生物系统状态逆转等临床应用具有重要的指导意义。鉴于此,本文主要针对以上生物分子网络弹性领域的3个热点研究问题,在研究方法和生物学应用上进行了系统地综述,并对未来生物分子网络弹性的研究方向进行了展望。     

天然药物研究中的合成生物学

天然产物一直是药物分子设计和开发过程中的重要灵感来源之一,源自天然产物的临床用药目前也占据着难以替代的地位.但是大多数天然来源的药物分子结构复杂、分离困难,利用传统的合成化学和天然产物化学方法难以满足日益增长的市场需求.天然产物在其产生物种中一定对应着一个由若干功能各异的基因元件所构成的生物合成基因群,或成簇分布或离散分布.合成生物学则旨在通过对不同基因元件的改造、组合、拼装而得到新的生物途径和体系.本文主要将针对合成生物学在天然药物研究中的应用进行总结和展望,并从基因元件以及合成生物学的角度重新认识和理解天然产物的生物合成.     

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.     

靶向破坏铜绿假单胞菌生物被膜的定向蛋白投放技术

【目的】随着合成生物学的发展,通过在细菌体内设计合成复杂、多功能的基因线路进行靶向治疗已经取得巨大进展。虽然这种使用细菌作为治疗传递系统,选择性地在体内释放有效治疗成分的方式具有极大优势,但是如何使细菌在代谢负荷增加较低的情况下有效地分泌功能蛋白并发挥作用依旧是一个难题。【方法】针对这一难题,本研究提供了一种新的策略,即以细菌中广泛存在的蛋白类杀菌素和丝状噬菌体等相关编码基因作为生物模块,通过对铜绿假单胞菌的这些内源生物模块的重新编排和组装,构建了一种能在特定条件下裂解并投放功能蛋白的工程菌。为了评价工程菌中构建的生物模块能否工作,本研究选择胞外多糖水解酶PelA和PslG作为工程菌投放的功能蛋白,以此构建了工程菌PAO1102。通过对铜绿假单胞菌生物被膜的破坏实验、抑制形成实验以及抗生素耐药性实验,检验PAO1102对铜绿假单胞菌生物被膜的破坏和预防效果。【结果】与对照组相比,工程菌PAO1102的处理可以显著破坏已形成的生物被膜并抑制生物被膜的形成,同时还可显著增强生物被膜中的细菌对妥布霉素的敏感性,且这些功能主要通过外界Pf4丝状噬菌体侵染并使工程菌裂解而释放功能蛋白这一途径实现的。【结论】本研究所构建的工程菌可以作为一种微生物工具,用于靶向破坏铜绿假单胞菌生物被膜。在后续的研究中可根据不同的需求,在工程菌中表达不同的功能基因并实现功能蛋白的定向投放,从而执行不同的生物学功能。     

生物元件的挖掘、改造与标准化

生物元件是合成生物学中的三大基本要素之一,是合成生物学的基石。现阶段,生物元件的挖掘、鉴定和改造仍然是合成生物学领域的重要研究方向之一。合成生物学与基因工程和代谢工程最显著的差别在于能够将大量的生物元件进行快速、随意的组装,而实现这一目标的前提是将生物元件标准化。目前,已经有大量基因组被解析,通过这些基因组数据库的注释与功能验证,并借助于各种生物信息学软件预测启动子、终止子、操纵了、转录因子和转录因子结合位点、核糖体结合位点以及蛋白质编码区等部件,为合成生物学提供丰富的生物元件信息资源。随着元基因组技术的兴起,大量未培养微生物中的基因和基因簇信息被解析,使得我们可以从占自然界中实际存在微生物总数99％的未知微生物中挖掘更多的生物元件。另外,生物元件可以从自然界分离出来,也可以对天然生物元件进行修饰、重组和改造后得到新的元件。酵母是异源蛋白表达的通用宿主和生物基产品生产的细胞工厂,但其本身可用的启动子非常有限,近年来各国学者在酵母启动子改造和文库构建方面做了很多工作,该文也将概述酵母启动子改造和在合成生物生物学研究领域中的应用方面的研究进展。     

合成生物学研究进展与应用

合成生物学作为一门新兴的综合交叉学科,将工程学的设计思想和原理应用到生物学的研究当中。在短短的十年间,合成生物学已经取得了一系列重要的进展。这些成果不仅有助于人们对生命本身的理解和认识,同时也为人类解决诸如能源、环境、医疗、药物生产等问题提供了极大的帮助。本文从合成生物学领域几个成功的研究实例出发,综述合成生物学已经取得的重大成就及其实际应用,并展望合成生物学将给人类社会带来的巨大变化。     

植物合成生物学领域发展态势的文献计量分析

合成生物学作为一种颠覆性技术可应用于农业领域的创新发展,解决当前农业学科中的瓶颈问题。利用文献计量学方法从领域发表论文的时序数量分布、主题分布等探测当前合成生物学的基本态势。基于领域的主题分布可知,其中植物合成生物学这一主题是稳定存在的且主题规模处于稳定增长趋势。聚焦植物合成生物学这一主题方向,在构建引文网络的基础上利用主路径分析方法从知识流动角度探测植物合成生物学领域重要知识节点,内容涵盖介子油苷生物合成途径,重要催化酶功能解析、转录因子的调控作用,组学方法的应用,利用微生物酵母进行生物物质合成,这些内容表征了合成生物的核心理论技术。     

植物合成生物学领域发展态势的文献计量分析

合成生物学作为一种颠覆性技术可应用于农业领域的创新发展,解决当前农业学科中的瓶颈问题。利用文献计量学方法从领域发表论文的时序数量分布、主题分布等探测当前合成生物学的基本态势。基于领域的主题分布可知,其中植物合成生物学这一主题是稳定存在的且主题规模处于稳定增长趋势。聚焦植物合成生物学这一主题方向,在构建引文网络的基础上利用主路径分析方法从知识流动角度探测植物合成生物学领域重要知识节点,内容涵盖介子油苷生物合成途径,重要催化酶功能解析、转录因子的调控作用,组学方法的应用,利用微生物酵母进行生物物质合成,这些内容表征了合成生物的核心理论技术。     

利用偏相关系数算法挖掘遗传相互作用数据中的通路基因

在生物系统中,遗传相互作用指的是两个基因同时突变的表型异于它们分别突变表型叠加效果的现象.近年来,随着高通量技术的发展,遗传相互作用的高通量筛选得以实现,产生了大量遗传相互作用数据.通路基因指的是一组在同一条生物通路上相互协作的基因,它们共同完成某一项生命过程.发掘遗传相互作用数据中的通路基因可以研究基因之间如何进行相互作用共同影响某种表型,是理解生物学通路的结构和功能,生物系统进化规律,和研究复杂疾病的重要途径.然而,由于基因多效性以及高维数据处理困难等问题,如何发现遗传相互作用数据中的通路基因面临着很大挑战.本文中,我们通过计算基因间的条件独立性,即删除掉通路中的已知基因的影响后,研究基因间的相关性.而这些通路中的已知基因将在模型中作为种子基因发掘通路中的其他基因.我们将讨论该算法在模拟数据和实际数据中的计算效果,证明该算法在遗传相互作用数据应用中的有效性.     

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.     

工业应用导向的蛋白质结构与功能研究进展

在蛋白质工程、绿色生物制造以及合成生物学等研究领域中,对重要催化反应的重塑和合成路径的优化搭建,都依赖于对相关蛋白质结构与功能的深入了解。合成生物技术近年来的飞速发展对关键菌种及生物催化过程中的蛋白质的性能提出了更高要求,相关研究的关键是获得大批量、高纯度目的蛋白,并进行快速、准确的构效关系研究。中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来,在工业蛋白质领域进行了多年的积累,成功搭建成了蛋白质结构生物学平台;并在植物天然产物合成相关萜类合成酶、白色污染降解的聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)塑料降解酶以及生物质转化利用相关酶等方面获得了一些进展,通过对这些蛋白进行结构和功能的研究,为许多研究工作提供了理论依据。蛋白质结构功能研究相关技术的不断发展,将加速合成生物学的学术和工业应用研究,推动我国生物制造领域的科技创新升级。     

合成生物学发展现状与前景

合成生物学是综合了科学与工程的一个崭新的生物学研究领域,为生命现象及其运动规律的解析提供了一种采用“白下而上”合成策略的正向工程学的研究思路和方法手段,在经济和社会发展中具有巨大的应用开发潜力。近年来,DNA合成与系统生物学技术的发展使生命系统复杂基因回路的设计、合成与组装逐步成为可能,并应用于生物基化学品、生物燃料、医药中间体、保健产品的生产和环境保护等领域。但是,合成生物学的研究仍然面临科学、技术和伦理的挑战,只有积极地应对这些问题,在加大研究开发支持力度的同时,做好必要的风险监管,才能真正把握合成生物学发展带来的历史机遇。     

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。     

氨基酰-tRNA合成酶与神经退行性疾病

氨基酰-tRNA合成酶催化tRNA的氨基酰化反应为生物体内的蛋白质合成提供原料.这类古老且保守的蛋白质分子在高等生物复杂的细胞分子网络中分化出的新功能是目前人们关注的焦点.近期在对一些患有神经退行性疾病的病人和小鼠模型的研究中发现,位于酪氨酰-tRNA合成酶、甘氨酰-tRNA合成酶和丙氨酰-tRNA合成酶上的突变,可分别导致DI腓骨肌萎缩症(Charcot-Marie-Toothdisease,CMT)C型,腓骨肌萎缩症2D型及小脑浦肯雅(Purkinje)细胞丢失.初步的致病机理研究表明,致病突变对这3种酶的影响各不相同:酪氨酰-tRNA合成酶的氨基酰化催化能力受到影响,甘氨酰-tRNA合成酶受影响的可能是一种未知的新功能,而丙氨酰-tRNA合成酶受影响的则是它的编校功能.这些研究结果揭示了氨基酰-tRNA合成酶涉及神经退行性疾病的广泛性和其机制的复杂性,并将促进对神经退行性疾病这一类常见疾病的病理和治疗方法的研究.     

细菌中I型毒素蛋白与细胞膜相互作用机制的研究进展

I型毒素-抗毒素（TA）系统在细菌基因组中广泛存在,在细菌的生长、生存中发挥多种生物学功能,包括抗菌、红细胞毒性、促进持留菌形成、抑制细菌生长或导致细菌休眠等。绝大部分I型毒素蛋白以细胞膜作为靶标,目前已知的一种作用机制是在细胞膜上形成孔洞结构,造成膜电位的下降或细胞膜的破坏,从而抑制ATP的合成或导致细菌死亡;另一种可能的作用机制是毒素蛋白作用在细胞膜上,改变细胞的形状,导致细胞进入休眠状态。I型毒素蛋白-细胞膜作用机制的复杂性和生物功能的多样性远超预期。因此,解析I型毒素蛋白在不同细胞膜中的组装机制及其所形成结构特征就变得非常重要,这也是揭示其结构-功能关系的关键。本文通过综述已报道的I型TA系统的结构特征与生物学功能,结合对其跨膜结构域的预测,探讨了其可能在细胞膜中形成的不同结构及其对功能的影响,分析了影响作用机制的关键因素。这些研究既给耐药细菌的治疗带来机遇,又为新型抗菌药物的研发带来思路。     

纤维素乙醇高温发酵的研究进展与展望

利用高温细菌发酵,纤维素乙醇生产有望实现“生物质降解-乙醇发酵-乙醇蒸馏”过程的同步化,从而最大限度地降低纤维素乙醇的生产成本;这是一个目标更高、道路更远、科学性更强的可再生能源发展策略.纤维素乙醇高温发酵研究已经取得了重要进展,目前面临的主要挑战包括发酵乙醇的高温细菌的遗传转化系统不够稳定、缺少内源的高活性和耐热性纤维素酶,以及乙醇代谢调控机理有待进一步解析.这些科技难题将会在DNA生物合成和进化技术、细胞生物学技术,以及合成生物学技术的发展中得到解决.