活体生物药：生物技术推动的创新药研发前沿

随着微生物组学研究的深入,越来越多的研究证据显示微生物与人体的健康密切相关。20世纪,人们发现了益生菌,并将其作为有健康功效的食品或膳食补充剂使用。21世纪以来,随着人体微生物组学、DNA合成与测序,以及基因编辑等技术的飞速发展,微生物在人体健康方面展示出更为广阔的应用前景。近年来,在新药研发上,提出了“下一代益生菌”的概念,将微生物作为“活体生物药(live biotherapeutic products,LBP)”进行研究和开发。简单地说,LBP是活菌药物,可以用于预防或治疗人类的某些疾病和适应症。LBP因其独特的优势,成为了新药研发领域的前沿方向,具有十分广阔的发展前景。本文着重从生物技术角度介绍LBP的类型和研究进展,并总结了LBP开发所面临的挑战以及对未来的展望,以期为LBP技术的发展与产品开发提供参考。     

工程生物活药在肿瘤免疫治疗中的应用

人体细胞、细菌、病毒等生命体可以改造为工程生物活药,可在患者体内维持生物活性、自我复制并表达基因。相比于传统药物,工程生物活药在体内维持疗效时间长,具备外源基因表达能力,可实现多功能性和稳态调控,且具有独特的靶向、响应等能力。近年来,工程生物活药在肿瘤免疫治疗中的应用受到广泛关注,CAR-T等细胞治疗、溶瘤病毒疗法已在临床中获得良好的疗效,工程菌也在临床和临床前研究中发展迅猛。细胞、细菌、病毒三类活药的特性和治疗机制不同,因此具有不同的设计目的与思路。随着合成生物学技术的发展,工程生物活药将更安全、更高效,也将为肿瘤治疗带来新的机遇。针对工程生物活药在肿瘤免疫治疗中应用的最新进展开展了综述,阐述了不同生物活药的合成生物学设计和免疫治疗机制。     

基因工程菌的构建、性能研究及其在疾病诊断和治疗中的应用

随着肠道微生物组与宿主关系研究的深入和基因工程的迅速发展，基因工程菌（genetically engineered bacteria，GEB）在医学领域的应用成为研究热点。GEB是指经基因工程改造而具有高效表达外源蛋白质或分子化合物能力的细菌，相比传统药物具有诸多优势。GEB的构建过程包括底盘的选择、功能基因的获取、基因转移和重组这几个基本步骤，包裹技术能够提高其存活率和定殖能力，合成基因回路的应用可使其智能化。功能稳定性、有效性和安全性是评价GEB的一般指标，也是性能优化过程中需要重点关注的方面。GEB在炎症性疾病、肿瘤、代谢性疾病、感染性疾病和神经系统疾病等疾病中已有广泛应用，但实现临床转化还有很多问题亟待解决。本文介绍了GEB的构建和性能研究方法，总结了近年来其在疾病诊断和治疗中的应用，指出了现存问题并提出了展望。     

粘合材料及其在生物医学中的应用：进展与展望

粘合材料作为一种重要的辅助材料,在工业包装、海洋工程以及生物医药等多个领域都有广泛的应用需求。天然存在的粘合剂如贻贝足丝粘合蛋白等具有良好的生物相容性和生物可降解性,但因其来源受限及在生理环境下较弱的粘合性能,因此在生物医药领域的应用受到了限制。从自然生物的粘合现象中汲取灵感,各种利用化学或生物合成方法制备的仿生粘合材料应运而生,针对生物医药领域的特定需求,一些新兴粘合材料在生物相容性、生物可降解性以及组织粘附等方面都表现出在医药领域应用的潜力。展望未来,受自然粘合材料兼具环境响应、自我再生和自修复等特征的启迪,各种生物灵感和生物仿生粘合材料的开发势必是未来的发展热点,而合成生物学技术为创建具有上述特征的活体粘合材料提供了新的可能。     

激光陷阱在显微生物活体研究中的应用

利用激光的力学效应设计三维的光学陷阱,在显微镜下能成功地捕获和操纵活的生物体.这种激光光钳技术可为细胞学研究提供一种新的有效的实验手段.     

生物正交化学在活体标记及药物传递中的研究进展

生物正交化学反应是一类可以在生理条件下发生的化学反应,具有简单、高效、高特异性的特点,在生物医学的研究中被广泛应用.基于生物体天然生命过程的代谢工程,可对生物分子进行无损、高效的生物代谢修饰,是一种理想的生物修饰技术.通过生物代谢途径可有效地将各种化学报告基团引入靶标物的生物分子中,有利于携带配对基团的标记物与其发生生物正交反应,从而在活体系统中实现生物分子的标记示踪和药物递送.这种基于代谢工程与生物正交化学的标记策略因为具有两者之间的优势,在生物医学工程中的标记、成像示踪、诊断等领域展现出巨大的研究价值与应用潜力.本文介绍了生物正交和代谢工程的原理与生物医学研究进展,阐述了生物正交化学在分子成像和药物传递等方面的研究与应用.     

改造肠道微生物在疾病诊断与治疗中的应用

肠道微生物是近年来新兴的热门研究领域,它与人类疾病健康存在着密切的关系。伴随高通量测序技术的发展,研究者们发现了肠道微生物在疾病的诊断与治疗中的潜力。合成生物学通过设计编辑工具以及反馈回路,可以构建具有诊断疾病或者靶向治疗疾病的肠道微生物工程菌株。这些工程菌能够对环境进行感知、计算和反馈。本文概述了改造后的肠道微生物在疾病诊断与治疗中的应用,同时阐述了目前改造后肠道微生物的临床应用现状,并对"工具短缺"以及目前改造后肠道微生物所存在的安全性等问题进行了讨论。     

合成生物学在生物基化学品上的应用趋势及展望

合成生物学(synthetic biology)将工程学和生物学相结合, 它不同于对自然基因模拟的基因工程和对代谢途径模拟的代谢工程,而是在以基因组解析技术和化学合成技术为核心的现代生物技术基础上,以系统生物学思想和知识为指导,综合生物化学、生物物理和生物信息技术,建立基于基因和基因组、蛋白质和蛋白质组的基本要素(模块)及其组合的工程化的资源库和技术平台,旨在设计、改造、重建或制造生物分子、生物部件、生物系统、代谢途径与发育分化过程,以及具有生命活动能力的细胞和生物个体.     

合成生物学在生物燃料上的应用趋势及展望

近年来,世界各国都面临着化石能源日益枯竭、人口增长、温室气体排放增加、环境日益恶化等危机,寻找可再生的清洁替代能源已成为人类最紧迫的任务之一,燃料乙醇、生物柴油等可再生的生物质能源成为世界各国研究的重点。尽管近年来生物燃料的研发已经取得了很多进展,但其商业化发展仍然面临着转化效率低、生产成本高等难题。     

基因编辑技术在大肠杆菌中的应用

利用基因编辑技术对大肠杆菌基因组进行改造可以研究基因功能,或改变其代谢途径大量生产原本成本较高的产物,从而获得可以生产特定产物的遗传稳定性工程菌株.目前可以对细菌基因组编辑的方法有Red同源重组、CRISPR/Cas9技术等.Red同源重组是比较传统的基因编辑技术,应用广泛,但编辑效率受整合片段大小的限制,基因编辑过程...     

Colonization of the live biotherapeutic product VE303 and modulation of the microbiota and metabolites in healthy volunteers

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甲基转移酶在微生物合成天然产物中的应用

甲基转移酶(Methyltransferases,MTs)普遍存在于所有生物有机体中,通常以S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体催化底物的甲基化反应,在基因的表达调控和许多天然化合物的合成中起着至关重要的作用。近年来,在微生物中异源表达MTs以实现一些重要天然产物的生物合成取得了巨大的进步,但迄今为止这方面的研究还没有得到详细和全面的总结。文中综述了MTs在微生物合成苯丙烷类化合物、香料类化合物、激素和抗生素等重要天然产物的最新研究进展,重点阐述了应用代谢工程策略高效合成这些甲基化的天然产物,以及利用MTs拓展天然产物分子多样性的研究进展。最后,探讨了MTs应用于微生物合成天然产物所面临的挑战,并对利用MTs进一步高效生产结构和生物活性多样化的天然产物进行了展望。     

甲醇酵母代谢工程研究进展

甲醇酵母由于独特优点被认为是绿色生物制造的潜在宿主.特别是其天然甲醇利用性能有望建立甲醇生物转化路线,拓展生物炼制底物,具有重要经济价值和环保意义.文中综述了代谢工程改造甲醇酵母合成蛋白质和化学品的最新研究进展,并比较了其与模式生物酿酒酵母作为细胞工厂的优缺点.随后,分析了甲醇酵母代谢工程改造面临的挑战,并展望了潜在解...     

代谢工程30年专刊序言(2021)

代谢工程利用重组DNA技术、合成生物学、基因组编辑来改变生物体的细胞网络,包括代谢、基因调控和信号网络等。它可以实现加强包括化学品、燃料、化学原料药和其他生物技术产品等代谢物生产的目标,提升生物制造能力与效率。为了梳理和凝练代谢工程30年来的发展状况,《生物工程学报》特组织出版专刊,从代谢工程总体发展、共性技术以及以什么宿主和做什么产品等4个方面展现该领域的发展动态和趋势,并为代谢工程领域的进一步发展提出建设性的意见与展望。     

芳香类天然产物的合成生物学研究进展

植物芳香类天然产物具有重要的药用价值,可制成具有抗菌、抗炎、镇痛、抗氧化、杀虫驱虫、祛痰止咳、安神镇静和抗肿瘤等药效的医药保健用品.然而,由于植物中芳香类天然产物含量较低并且难以提取和纯化,严重限制了其工业化生产及应用.合成生物学和代谢工程技术的发展为天然产物的生产提供了新的思路,可以利用人工微生物细胞工厂来实现多种芳...     

系统生物学和合成生物学研究在生物燃料生产菌株改造中的应用

基于生物质资源生产环境友好的生物燃料,对经济和社会的可持续发展具有重要意义,但其生产成本高的问题十分突出,而高效生产菌株的获得是解决这一问题的根本出路。以下综述了利用系统生物学研究所获得的信息进行菌种改造的过程,重点论述了生产菌株胁迫耐受性方面的研究进展,并讨论了系统生物学、合成生物学和代谢工程技术在改造生物燃料生产菌株中的应用,展望了合成生物学在构建高效生物能源生产菌株方面应用的前景。