编者按

<正>21世纪初,工程科学的研究理念与现代生物学、系统科学以及合成科学的融合,形成了以采用标准化表征的生物元件,在理性设计指导下,重组乃至从头合成创新的、具有特定功能的人造生命为目标的"合成生物学"。合成生物学开启了生命科学可定量、可计算、可预测、可制造的"会聚"研究新时代。它不仅将人类对     

合成生物学的关键技术及应用

合成生物学是以工程化设计思路,构建标准化的元器件和模块,改造已存在的天然系统或者从头合成全新的人工生命体系。人们利用基因重组技术和基因定位编辑来实现对生命系统的特殊编程并执行特殊的功能;模块化处理代谢途径,优化元器件间的组合搭配,以最优的模式来实现化学品的合成。目前合成生物学已在能源、化工、医药等行业取得了重大进展,合成生物学将给人们的生活带来重大改变也将继续是科学家们研究和关注的热点。就目前合成生物学涉及的基因组编辑和模块化表达等关键技术及应用进行综述。     

微生物药物合成的放线菌底盘

<正>合成生物学作为一门新的工程科学已然成为全世界关注的焦点。与传统的研究手段不同,合成生物学以工程化的思想引导人们有针对性地设计、制造各种元件和体系,将多样的"生物砖"按"设计图"组装并在适当的底盘体系中有效地生产造福人类的新药物、化学制品和燃料等,以解决现在所面     

历久弥新：进化中的代谢工程

20世纪90年代,Bailey及Stephanopoulos等提出了经典代谢工程的理念,旨在利用DNA重组技术对代谢网络进行改造,以达到细胞性能改善,目标产物增加的目的。自代谢工程诞生以来的30年,生命科学蓬勃发展,基因组学、系统生物学、合成生物学等新学科不断涌现,为代谢工程的发展注入了新的内涵与活力。经典代谢工程研究已进入到前所未有的系统代谢工程阶段。组学技术、基因组代谢模型、元件组装、回路设计、动态控制、基因组编辑等合成生物学工具与策略的应用,大大提升了复杂代谢的设计与合成能力;机器学习的介入以及进化工程与代谢工程的结合,为系统代谢工程的未来开辟了新的方向。文中对过去30年代谢工程的发展趋势作了梳理,介绍了代谢工程在发展中不断创新的理论与方法及其应用。     

构建合成生物学制造厂

合成生物学是一个"自上而下",以设计-构建-测试循环为研究模式、以工程化组装构建为特征的新兴跨学科领域.近年来在此新兴领域的众多研究成果使该研究循环获得了极大的成功,特别是在基于计算机的生物系统设计、DNA从头合成、组装及验证,以及代谢产物分析等方面为建立未来高通量生物系统加工生产线打下了坚实的基础.本文旨在总结当前合成生物学的技术发展水平,并对建立自动化生物产品制造厂需要应对的挑战展开讨论.     

新本草计划——基于合成生物学的药用植物活性代谢物研究

经过近十年的发展,合成生物学研究的对象从单细胞的生物元件和装置的研究,逐渐过渡到多细胞的复杂体系。植物合成生物学被称为合成生物学研究的"下一篇章"。从复杂而多样的植物代谢切入进行植物合成生物学研究,有助于人类在更复杂的层面上理解生命运行的本质规律,及更深入地认知复杂人造生命的设计和构建的科学及工程原理;也有望在药用植物活性代谢物的合成生物学设计和创新生产方面实现突破。本文综述了该领域的国内外进展,并提出新本草计划的研究设想,通过基于合成生物学的药用植物活性代谢物研究,使数千年传统的本草学研究焕发新生。     

合成生物学在链霉菌次级代谢产物研发中的应用

链霉菌是革兰氏阳性丝状细菌,其次级代谢产物具有抗感染、抗虫、抗肿瘤、免疫调节等生理活性,在医药、食品和农业领域具有重要应用价值。链霉菌的遗传操作技术是发现和改良新次级代谢产物的基础,近年来合成生物学的兴起为链霉菌的研发提供了全新的视角。综述了合成生物学在链霉菌次级产物生物合成基因簇克隆与组装、底盘细胞设计与改造、调节两者适配性方面的应用进展。     

合成生物学时代基于非模式细菌的工业底盘细胞研究现状与展望

工业微生物底盘细胞的开发将为工业生物技术的发展提供优良的细胞工厂,有利于实现环境保护及经济可持续发展。基于合成生物学"设计-构建-测试-学习"(Design-Build-Test-Learn,DBTL)策略,对底盘细胞进行多维度的理性或半理性改造是实现"建物致知"以及"建物致用"目标的重要手段。文中简述了合成生物学DBTL策略中各步骤相关的重要技术方法;概述了部分重要模式微生物底盘细胞的策略与研究进展;重点比较介绍了工业生物技术领域具有特殊生理功能、利用一碳化合物及高效生产平台化合物的部分非模式细菌;同时也提出了实现优良、安全合成微生物细胞工厂构建与应用的策略。这些方法策略包括依靠合成生物学技术方法,综合模式与非模式微生物优势,开发应用经济、高效的高通量智能装备,建立分子组学与表型组学研究平台,推动多层次系统生物学与表型组学大数据的解析、整合、模拟与可视化,以及建立高质量的数字细胞模型和基因组优化的底盘细胞,推动高效、优良工业细胞工厂的理性设计、构建与应用。     

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。     

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.     

应用合成生物学 突破微生物药物研发瓶颈——访上海交通大学冯雁教授

<正>冯雁,上海交通大学特聘教授,"973"首席科学家。主要致力于分子酶学及合成生物学研究。在国家科技部("973"项目及"863"项目)、国家自然科学基金及上海市科委支持下,建立了重要微生物代谢酶基因资源库;基于计算机辅助设计、半理性设计及定     

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.     

合成生物学设计技术

合成生物学以工程化思想为指导,通过多学科交叉,设计改造生命系统,以加深对生命的认识和创造新功能,为应对人类面临的诸多挑战提供支撑。合成生物学的精髓在于借助精妙的设计实现对生物系统的构建和模拟,从而更好地了解生命现象。该文主要集中介绍合成生物学研究中的设计技术,包括生物元件设计、人工基因线路设计和代谢线路设计、人工基因组设计,归纳总结目前已有的设计技术手段和策略。     

L-缬氨酸合成的代谢流量分析

分别测定谷氨酸棒杆菌（Corynebacterium glutamicum）AS1-495及其3个逐个叠加不同遗传标记的突变株AA361、AAT231和AATV341在特定培养时段（26～28h）L缬氨酸等代谢物的胞外浓度,由此计算这一时段这些代谢物在发酵液中积累（或消耗）的速率,分别做出这4株菌在拟稳态下的代谢流量分布图,进而研究育种过程中不同遗传标记的叠加对代谢网络中L-缬氨酸合成流量分布的影响。结果表明遗传标记的引入使流量分配发生了重大变化,节点处的流量分配朝着有利于L缬氨酸合成的方向改变。6-磷酸葡萄糖节点处流入EMP途径和HMP途径的流量分配由17.0∶83.0变为24.3∶75.7;丙酮酸节点处流入L-缬氨酸合成途径和其他途径的流量分配由15.8∶842变为76.7∶23.3/L-缬氨酸合成的分支途径上的流量由最初的5.37增大为37.3,乳酸合成途径的流量从11.1最后降为1.16,L-缬氨酸产量由4g/L提高到24.5 g/L。代谢流量分布的变化趋势与L缬氨酸产量的变化趋势是互相吻合的。以2-噻唑丙氨酸抗性突变（2TAr）和L天冬氨酸氧肟酸盐超敏性突变（LAAHss）有效地进行代谢流遗传导向的事实,在代谢流量分析的层面上,证明结构类似物抗性突变和结构类似物超敏性突变是代谢流导向和设计育种的十分有效的手段,代谢流量分析会成为设计育种的校正方法。     

大肠杆菌代谢途径改造策略与应用研究进展

大肠杆菌由于具有稳定性强和易于操作的特点成为基因改造常用的宿主微生物。利用基因工程手段改造大肠杆菌的代谢途径,可用于生物燃料、手性药物及其衍生物的合成。利用代谢组学和合成生物学能够高效地以大肠杆菌作为生物催化剂生产目标物。综述了大肠杆菌中丙酮酸、乙酰辅酶A、甲羟戊酸和莽草酸代谢途径的改造策略,以及大肠杆菌代谢途径的改造在合成生物燃料、砌块化合物中的应用,为研究者以大肠杆菌合成目标化合物的研究提供一个整体的思路和方法。     

合成微生物学研究的若干前沿的思考

1 引言 合成生物学是建筑在工程学和生物学基础上、正在迅速发展、以创新为导向的崭新研究领域.高通量低成本的基因测序技术、DNA 合成技术及其公司化运作,以及各种高通量的细胞功能组分分析技术为该领域发展奠定坚实的基础.合成生物学旨在工程学思想的指导下,从头设计并构建新的生物元件、装置和系统,或对现有的、天然的生物系统进行重新设计和改造.     

合成生物学中的高通量筛选与测量技术

在合成生物学的"设计-合成-测试-学习"闭环中,高通量筛选与测量技术日益受到重视。该文以酶元件的新活性检测、基因线路的活性检测、天然产物的活性筛选、研究大肠杆菌基因型与线虫宿主寿命表型之间的关系等为案例,介绍高通量筛选的共性器具与步骤、实验设计与分析方法,比较系统地整理了相关技术,以期为未来高通量筛选技术的进步提供参考与理论依据。     

合成生物学在改善肠道健康状态中的应用与展望

合成生物学是一个新兴的研究领域,它是指新的人工生物路径、有机体或装置的设计和构建,或者对自然生物系统进行重新设计。利用合成生物学改造肠道微生物中的共生细菌,使其实现对肠道菌群或肠道细胞状态的靶向调控,可以有效的改善宿主的肠道健康状态。由于该方法可塑性较强,可调控的靶标范围广泛、调控针对性强,副作用少,因此已逐步应用于肠道疾病的治疗中。综述了合成生物学在杀死肠道致病菌,维持肠道菌群平衡,协助肠道代谢营养物质,改善代谢疾病,诊断肠道疾病,定位肿瘤组织及调节肠道免疫系统等方面的研究进展,分析了现阶段合成生物学用于改善肠道健康状态中的优势和存在的问题,并在此基础上提出了"应用合成生物学建立人体肠道健康调控的新型功能性益生菌系统,实现对肠道健康的个性化医疗"的技术路线和管理体系。     

哺乳动物合成生物学与疾病治疗

合成生物学是以工程学思想为指导,通过合成一些功能元件、模块、系统,对生命体进行有目的的设计、改造,使细胞或生物体具有特定的新功能。现已在生物医药、环境能源、生物材料等领域广泛应用。现将重点介绍近年来哺乳动物合成生物学在各种疾病治疗上取得的研究成果,包括治疗代谢性疾病、肿瘤、免疫相关疾病等;同时,探讨合成生物学未来在临床治疗中的意义和挑战。     

新基因起源：从自然进化到人工设计

生命体系历经40多亿年的自然进化,创造了无数丰富多彩的功能基因,保障了生命体系的传承与繁荣。然而生命体系的自然进化历程极其缓慢,新的功能基因产生需要数百万年时间,无法满足快速发展的工业生产需求。利用合成生物学技术,研究人员可以依据已知的酶催化机理和蛋白质结构进行全新的基因设计与合成,按照工业生产需求快速创造全新的蛋白质催化剂,实现各种自然界生物无法催化的生物化学反应。尽管新基因设计技术展现了激动人心的应用前景,但是目前该技术还存在设计成功率不高、酶催化活性较低、合成成本较高等科技挑战。未来随着合成生物学技术的快速发展,设计、改造、合成和筛选等技术将融合为一体,为新基因设计与创建带来全新的发展机遇。