无细胞蛋白质合成系统

无细胞蛋白质合成系统相比传统的细胞表达系统有许多优点,包括表达周期短、反应条件容易控制等。该文介绍了无细胞蛋白质合成系统的技术进展及表达控制,并综述了这一系统的应用发展。     

无细胞体系非天然蛋白质合成研究进展

无细胞非天然蛋白质合成作为蛋白质研究的新兴手段,已成功用于表征蛋白质分子间、蛋白质与核酸分子间相互作用等基础科学研究及医药蛋白、蛋白质材料等工业生产领域。无细胞非天然蛋白质合成系统不需维持细胞的生长,无细胞膜阻碍,可依据研究目的添加基因元件或化学物质从而增强工程设计和过程调控的自由性;也可赋予蛋白质新的特性、结构及功能,如可实现蛋白翻译后修饰、反应手柄引入、生物物理探针及多聚蛋白质合成等。文中系统地综述了目前应用于无细胞蛋白质合成系统中的非天然氨基酸嵌入方法,包括全局抑制及基于正交翻译体系的终止密码子抑制、移码抑制、有义密码子再分配和非天然碱基等方法的研究进展,及非天然氨基酸在蛋白质修饰、生物物理探针、酶工程、蛋白质材料以及医药蛋白质生产等领域的应用进展,并分析了该体系的发展前景及广泛工业化应用的机遇与挑战。     

无细胞系统的基因表达与蛋白质合成

无细胞翻译——利用细胞提取液在体外合成蛋白质,已是国外分子生物学实验室的一项常规技术,但在国内此项技术的利用却几乎是空白.对体外无细胞系统的特性、功能、优缺点及其进展等进行了全面的介绍,以期使国内学者了解和利用这一方便而有效的表达系统,进行应用生物化学与分子生物学的实验研究.     

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。     

合成生物学：生物技术2．0

与web2．0相似的是,由合成生物学的飞速发展所推动的生物技术2．0也以开源、分享为主要特征。这将带来新的技术革命,给生物产业注入新鲜活力。     

合成生物学细胞传感技术在食品安全快速检测中的应用

合成生物学细胞传感技术为快速、现场检测食品污染物提供了一种新型替代方法。由于细胞内环境相对稳定,合成生物学细胞传感器有较强的抗干扰能力;由于细胞能够通过自我复制而实现增殖,细胞传感器在生产上具有简单、廉价、快速的特点,因此在食品安全快速检测中具有良好的应用前景。本文综述了合成生物学细胞传感器核心元件的组成、构建方法和类型,介绍了多功能细胞传感器的合成生物学基因回路,列举了细胞传感器在食品安全快速检测中的商业化应用前景,并阐述了细胞传感器在食品安全快速检测中的挑战和发展趋势。     

无细胞蛋白质合成系统的研究进展

无细胞蛋白质合成系统是一种以外源mRNA或DNA为模板 ,通过在细胞抽提物的酶系中补充底物和能源物质来合成蛋白质的体外系统 .与传统的体内重组表达系统相比 ,体外无细胞合成系统具有多种优点 ,如可表达对细胞有毒害作用或含有非天然氨基酸 (如D 氨基酸 )的特殊蛋白质 ,能够直接以PCR产物作为模板同时平行合成多种蛋白质 ,开展高通量药物筛选和蛋白质组学的研究等 .本文综述了无细胞蛋白质合成系统的发展历史、系统中合成蛋白质所需的能量供应、遗传模板的稳定性和微型无细胞生物反应器等多方面的研究 ,并探讨了无细胞蛋白质合成系统中存在的难点、研究方向和广泛的应用前景     

一种简单快速微量的无细胞蛋白合成系统

建立了一种简单快速微量的无细胞体系检测蛋白质合成的方法,在总体积５５μｌ的体系中加２０μｌ兔网织红细胞裂解液,在３７℃培养３０ｍｉｎ能使其中的３Ｈ－Ｌｅｕ参入量达到最大,运用该方法可以筛选出植物组织中对真核细胞蛋白质生物合成具有强烈抑制作用的单链核糖体失活蛋白（单链毒素）。     

应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘

光合蓝细菌具有一系列良好的特质,包括利用太阳能固定CO2、营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等.近年来,光合蓝细菌作为生产可再生燃料和精细化学制品的“自养型人工细胞工厂”引起了社会的广泛关注,促进了相关研究的升温.目前在应用合成生物学的技术和研究策略来优化光合蓝细菌作为底盘生物等方面已取得了一些令人鼓舞的进展.文中综述了近年来在光合蓝细菌底盘优化的方法、光合效率的提高以及各种耐受性蓝细菌底盘的构建方面的进展,并对光合蓝细菌底盘构建的工业应用价值进行了讨论.     

The emerging age of cell-free synthetic biology

The engineering of and mastery over biological parts has catalyzed the emergence of synthetic biology. This field has grown exponentially in the past decade. As increasingly more applications of synthetic biology are pursued, more challenges are encountered, such as delivering genetic material into cells and optimizing genetic circuits in vivo. An in vitro or cell-free approach to synthetic biology simplifies and avoids many of the pitfalls of in vivo synthetic biology. In this review, we describe some of the innate features that make cell-free systems compelling platforms for synthetic biology and discuss emerging improvements of cell-free technologies. We also select and highlight recent and emerging applications of cell-free synthetic biology.     

无细胞蛋白表达系统新进展及在生物制药工程中的应用

无细胞蛋白表达体系是一种以细胞抽提物为基础的体外合成蛋白质表达技术,具有遗传背景简单、反应操控简便等特点,已成为研究生物反应系统的重要技术手段。在研究人员的不断努力下,反应体系从原核扩展到真核蛋白质合成体系,而且目标蛋白表达量从毫克级提高到数克级每升,成本不断降低,反应规模可达到百公升级。近年来,无细胞蛋白表达系统在复杂蛋白、毒性蛋白和膜蛋白表达方面的优势逐渐体现,展示了其在生物制药领域的重要应用潜力。总之,无细胞技术已经成为异源蛋白质高效合成和生物制药领域中有巨大潜力的新策略。     

哺乳动物合成生物学在生物医学领域的研究进展

虽然合成生物学还处于早期研究阶段,但最近十年,该领域取得了非常显著的研究进展。合成生物学是以工程学思想为基础,通过人工设计、改造基因线路,从而赋予细胞或生物体新的功能,现已广泛应用于各个领域。随着人们对基因线路设计的深入研究,使得合成生物学研究走向临床应用成为可能。本文将围绕哺乳动物合成生物学在疾病治疗方面的研究进展,介绍基因线路的设计思路和方法、不同诱导因子调控的开环式基因线路以及用于疾病诊疗的闭环式基因环路在生物医学领域的应用。最后对合成生物学走向临床治疗的应用前景和挑战进行展望。     

Cell-free protein synthesis: The transition from batch reactions to minimal cells and microfluidic devices

Thanks to the synthetic biology, the laborious and restrictive procedure for producing a target protein in living microorganisms by biotechnological approaches can now experience a robust, pliant yet efficient alternative. The new system combined with lab-on-chip microfluidic devices and nanotechnology offers a tremendous potential envisioning novel cell-free formats such as DNA brushes, hydrogels, vesicular particles, droplets, as well as solid surfaces. Acting as robust microreactors/microcompartments/minimal cells, the new platforms can be tuned to perform various tasks in a parallel and integrated manner encompassing gene expression, protein synthesis, purification, detection, and finally enabling cell-cell signaling to bring a collective cell behavior, such as directing differentiation process, characteristics of higher order entities, and beyond. In this review, we issue an update on recent cell-free protein synthesis (CFPS) formats. Furthermore, the latest advances and applications of CFPS for synthetic biology and biotechnology are highlighted. In the end, contemporary challenges and future opportunities of CFPS systems are discussed.     

蛋白质预算：合成生物学的成本标尺

合成生物学以创建人工生命体系为目的.实践中人们希望人工生命体系具有更强的生产能力、转化能力、环境适应与监测能力,从而获得更优质的生产方式.生命体系的优化涉及到多层次的调控网络,而根本上还是对细胞中蛋白质的含量、定位、活性的控制.在蛋白质表达水平上进行控制是合成生物学元件设计、模块组装以及适配性研究最核心的手段.类似于工厂中的成本计算,合成生物学创建的人工生命体系(人工细胞工厂)以蛋白质预算为依据.优化蛋白质预算的研究策略已经成功应用于合成生物学研究实践中.     

Phaeodactylum tricornutum: An established model species for diatom molecular research and an emerging chassis for algal synthetic biology

Diatoms are prominent and highly diverse microalgae in aquatic environments. Compared with other diatom species, Phaeodactylum tricornutum is an “atypical diatom” displaying three different morphotypes and lacking the usual silica shell. Despite being of limited ecological relevance, its ease of growth in the laboratory and well-known physiology, alongside the steady increase in genome-enabled information coupled with effective tools for manipulating gene expression, have meant it has gained increased recognition as a powerful experimental model for molecular research on diatoms. We here present a brief overview of how over the last 25 years P. tricornutum has contributed to the unveiling of fundamental aspects of diatom biology, while also emerging as a new tool for algal process engineering and synthetic biology.     

Use of synthetic biology tools to optimize the production of active nitrogenase Fe protein in chloroplasts of tobacco leaf cells

The generation of nitrogen fixing crops is considered a challenge that could lead to a new agricultural ‘green’ revolution. Here, we report the use of synthetic biology tools to achieve and optimize the production of active nitrogenase Fe protein (NifH) in the chloroplasts of tobacco plants. Azotobacter vinelandii nitrogen fixation genes, nifH, M, U and S, were re‐designed for protein accumulation in tobacco cells. Targeting to the chloroplast was optimized by screening and identifying minimal length transit peptides performing properly for each specific Nif protein. Putative peptidyl‐prolyl cis‐trans isomerase NifM proved necessary for NifH solubility in the stroma. Purified NifU, a protein involved in the biogenesis of NifH [4Fe‐4S] cluster, was found functional in NifH reconstitution assays. Importantly, NifH purified from tobacco chloroplasts was active in the reduction of acetylene to ethylene, with the requirement of nifU and nifS co‐expression. These results support the suitability of chloroplasts to host functional nitrogenase proteins, paving the way for future studies in the engineering of nitrogen fixation in higher plant plastids and describing an optimization pipeline that could also be used in other organisms and in the engineering of new metabolic pathways in plastids.     

Cell-free biology: exploiting the interface between synthetic biology and synthetic chemistry

Just as synthetic organic chemistry once revolutionized the ability of chemists to build molecules (including those that did not exist in nature) following a basic set of design rules, cell-free synthetic biology is beginning to provide an improved toolbox and faster process for not only harnessing but also expanding the chemistry of life. At the interface between chemistry and biology, research in cell-free synthetic systems is proceeding in two different directions: using synthetic biology for synthetic chemistry and using synthetic chemistry to reprogram or mimic biology. In the coming years, the impact of advances inspired by these approaches will make possible the synthesis of nonbiological polymers having new backbone compositions, new chemical properties, new structures, and new functions.     

合成未来：从大肠杆菌的重构看合成生物学的发展

合成生物学（synthetic biology）是伴随着基因工程、系统生物学以及生物信息学的发展而出现的一个新的交叉学科。大肠杆菌（Escherichia coli）作为一种宿主在合成生物学的发展中功不可没。从某种意义上讲,合成生物学的每一次进展都离不开大肠杆菌。从大肠杆菌的角度出发,对合成生物学的发展进行深入分析,并提出了合成生物学在中圉发展的重点。     

合成功能菌群的构建及其工程化应用

自然界中存在着大量的天然微生物群落,不同种群的微生物通过通信及分工拓展了单菌的性能边界,降低了整体的代谢负担并增加了对环境的适应性。合成生物学依据工程设计原理构建或改造基本功能元件、基因线路和底盘细胞,从而对生命的运行过程进行具有目的性的重新编程,获得丰富及可控的生物学功能。将这种工程设计的原理引入菌群,获得结构明确及功能可调的合成群落,可以为合成功能菌群的理论研究到应用提供思路及方法。本文回顾了近年来合成功能菌群领域的相关工作,对合成功能菌群的设计原则、构建方法以及应用进行详细介绍,并对未来的发展进行了展望。