合成生物学技术在聚羟基脂肪酸酯PHA生产中的应用

合成生物学的迅猛发展使其在各个领域得到了广泛应用,底盘设计、元件组装、代谢网络的从头构建、大片段DNA克隆、多片段DNA拼接等合成生物学技术的开发和利用大大提高了工业生物技术的竞争力.聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一种具有生物可降解和生物相容性等优良特性的生物塑料,可以在许多细菌胞内合成,已经被开发应用于多个领域.但是,PHA高昂的生产成本阻碍了其大规模应用.基于合成生物学研究而得到的新方法、新技术可以改变细菌生长模式、生长条件以及细菌形态,从而进一步降低PHA的生产成本.另一方面,通过改造细菌基因组如弱化?-氧化途径可以得到不同种类的重组菌株,用于生产具有不同性能的包括无规共聚物、嵌段共聚物、带有官能团的聚合物等在内的新型多功能PHA材料.合成生物学的应用开创了低成本、高附加值的PHA材料生产的新时代,为PHA的产业化奠定了坚实的基础.     

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.     

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。     

面向工程化的合成生物学功能器件创建与集成初探

1 合成生物学作为科学前沿的兴起 1.1 以 "合成"作为研究生命的基本策略之一 据哈佛大学历史教授 Keller 考证,"合成生物学"一词的出现已有约100年的历史.然而,合成生物学作为一个新兴科学前沿的起点,是约10 年前研究者报道人工设计构建的基因"阻遏振荡器"①和基因"双态开关"②, 这两项研究试图证明,"通过在最基本原理指导下进行设计、构建和验证来真正理解研究对象"这一现代科学的基本理念,也适用于生命对象.     

合成生物学中蛋白质计算预测设计的应用与发展

合成生物学以"工程化"为核心指导思想,自下而上开发生物技术来解决人类社会面临的重大挑战.蛋白质作为生命活动的直接执行者和合成生物学中关键的底层元件,对其定量认识和工程改造的能力直接影响合成生物学的上层建筑.通过蛋白质计算设计技术可实现功能空间跳跃,为合成生物学提供全新元件,使序列-结构-功能的研究从"格物致知"转化为"...     

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。     

合成生物学的科学问题

合成生物学不仅推动了生物工程应用的革命性发展,也为生命科学基础研究带来了崭新机遇.该文提出了合成生物学目前的核心科学问题,一方面是解答生命功能跨层饮涌现的原理,另一方面是基于涌现性原理解决生命系统的理性设计与构建这一瓶颈问题;总结了在合成生物学研究中,当功能涌现原理已知或未知时的不同研究范式,并讨论了合成生物学的定量研...     

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。     

从DNA合成技术角度阐述合成生物学

合成生物学是一个拥有巨大潜力的新兴学科,合成生物学技术的发展将会对未来生物、医药、农业、能源、材料和环保等方面产生巨大的推进作用。基因合成是合成生物学中最基本和使用最多的一种技术手段,合成生物学的快速发展对基因合成能力提出了空前需求。综述基因合成技术的发展历史、现状和未来趋势,探讨基因合成技术存合成生物学以及整个生命科学研究中的应用和重要意义。     

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.     

合成生物学在微生物细胞工厂构建中的应用

通过微生物发酵的方法生产大宗化学品和天然产物能够部分替代石油化工炼制和植物提取。合成生物学技术的发展极大地提高了构建微生物细胞工厂生产大宗化学品和天然产物的能力。一方面综述了合成生物学在构建细胞工厂时的关键技术,包括最优合成途径的设计、合成途径的创建与优化、细胞性能的优化;另一方面,介绍了应用这些技术构建细胞工厂生产燃料化学品、大宗化学品和天然产物的典型案例。     

合成生物学：从“造物致用”到产业转化

“合成生物学”在生命科学研究中汇聚了工程、物理、化学、数学、计算机等学科的进展,采用工程科学的研究理念,对生物体进行有目标地设计、改造乃至重新合成,甚至创建赋予非自然功能的“人造生命”,推动了从认识生命到设计生命的跨越,正在引领产业技术变革和生物经济可持续发展。本文结合中国科学院天津工业生物技术研究所作为我国合成生物学领域重要代表成立十年来的发展,聚焦“造物致用”,简要回顾和梳理了国内外合成生物学的重要科技进展与产业发展状况,并展望分析了我国合成生物学的未来发展。     

人工基因组合成与重排研究进展

合成基因组学标志着生命科学的研究从读取自然生命信息发展到写出人工生命信息阶段,颠覆了现有生命科学研究的范式。酵母基因组合成计划是合成基因组学研究的代表性工作,在合成型酿酒酵母基因组上开展的基因组重排研究可以揭示不同层次基因组序列与功能的关系。人工真核染色体的快速精准构建以及基因组重排近期取得一系列成果,高效提升了细胞工厂的生产效率,加速了微生物的进化和生物学知识的发现。现通过综述国内外研究现状及发展趋势,探讨合成基因组与基因重排在生命DNA设计及功能发现中的发展前景。     

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。     

新基因起源:从自然进化到人工设计北大核心CSCD

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。     

合成生物能源的发展状况与趋势

合成生物能源因为生产原料来自可再生的生物质资源,燃烧产生CO2不仅不会增加排放,甚至可以降低温室气体的净排量,对经济和社会的可持续发展具有十分重要的意义.近年来合成生物学的快速发展为构建性能优良的合成生物,实现合成生物能源的高效生产制造提供了重要支撑.该文在回顾生物乙醇、生物柴油、生物高级醇、生物脂肪烃、生物沼气(甲烷...     

合成生物学伦理、法律与社会问题探讨

合成生物学是以基因组学、系统生物学知识和分子生物学技术为基础,综合了科学与工程的一门新兴交叉学科。它使生命科学和生物技术研发进入了以人工设计、合成自然界中原本不曾出现的人造生命体系,以及对这些人工体系进行体内、体外优化,或利用这些人造生命体系研究自然生命规律为目标的新时代。然而,合成生物学研究在迅速发展、表现出巨大潜力和应用前景的同时,也引发了社会各界对相关社会、伦理、安全,以及知识产权等问题的重视与讨论。就世界各国针对合成生命对传统意义上生命概念的挑战、合成生物学产品存在的潜在风险危害、合成生物学研究的风险评估与监管等问题进行回顾综述和相关探讨。     

合成生物学技术在材料科学中的应用

材料是人类赖以生存与发展的物质基础,科技和社会的进步都离不开材料技术的发展,未来先进材料的合成和制备必然朝着绿色可持续、低耗高产出、精细可调控、高效多功能的方向发展。以"基因调控·工程设计"为核心的合成生物学技术从分子、细胞层面极大地推动了生命科学的发展,也已经并继续为材料科学的发展注入新的思路和活力。本文将围绕合成生物学技术在材料科学中的应用,以基因回路设计为核心,概念应用为线索,重点介绍合成生物学技术在高分子生物材料和无机纳米材料领域的开发和生产,细胞展示和蛋白定向进化战略对分子材料的筛选和优化,"活体"功能材料、工程菌调节的人工光合系统功能材料体系以及基因回路在材料科学中的应用。     

面向先进生物燃料的合成生物学

先进生物燃料一般指来自于非粮食原料的交通运输用生物燃料。近年来,先进生物燃料的发展引起了众多国家的浓厚兴趣,然而,先进生物燃料正处于关键的技术研发阶段,还需经过大量研发以突破技术障碍和示范生产活动后方能进行商业化部署。过去10年内,合成生物学研究大量兴起并不断取得突破,使人们有可能人工设计构建新的高效生命系统,克服生物燃料发展的技术瓶颈,进行先进生物燃料的生产。在介绍先进生物燃料与合成生物学的发展现状的基础上,分析了合成生物学在先进生物燃料研发中的重要价值与研发进展,探讨了合成生物学的发展潜力。     

2023年合成生物学在健康与医药领域的应用

自21世纪初以来,高通量DNA测序、大规模DNA合成与组装、高效率基因组编辑等技术不断取得突破,推动合成生物学“读-编-写”进入高通量、自动化的时代,已经开始影响或应用于生物医药、材料化工、农业、食品、能源、环境保护等多个领域。在健康与医药领域,合成生物学研究成果和技术创新可以在认识生命规律的基础上,解析疾病发生发展机制、寻找药物设计靶点、干预自然的生理代谢过程与机体的免疫应答机制、实现对人体生理状态的监测以及对疾病的诊断与治疗,从而深刻影响医疗模式、诊疗体系和生命健康产业。该文对2023年合成生物学在健康与医药领域的规划布局、研发进展和产业发展进行了系统性的梳理,并展望了该领域未来更广泛的应用前景。