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。     

无细胞合成生物学：革新生物医药产业的新策略

无细胞合成生物系统,能够在体外完成生命转录翻译过程,因体系灵活开放、便于控制、表达周期短、高耐受性等特点,可表达细胞系统难以表达的蛋白质。随着无细胞生物传感和体系冻干技术的不断发展,其在医药健康领域的应用不断拓展。本文综述了无细胞合成生物学在按需生物医药合成和便携式医疗检测等医药健康领域的研究进展,该体系的进一步发展有潜力实现更复杂后修饰蛋白质药物的合成、可丰富无细胞生物传感器类型并提高其灵敏性。无细胞合成生物学作为新兴工程策略,未来必将更好地应用于高通量医药蛋白质筛选、新型病原体的检测等医药健康领域。     

合成生物学指导下芽孢杆菌合成环脂肽的研究进展*

近年来,合成生物学借助工程化在人工生命系统的设计与构建方面取得了长足进展,特别是“细胞工厂”的开发和应用为天然产物的合成带来了深刻变革。环脂肽是一类新型的天然表面活性剂,因其特殊的结构和功能亦可作为抗生素使用。目前,合成环脂肽最理想的微生物底盘是芽孢杆菌。因此,许多研究者致力于通过合成生物学技术来提升芽孢杆菌作为环脂肽细胞工厂的性能。首先,对芽孢杆菌中环脂肽的非核糖体肽合成途径进行概述;其次,重点介绍与环脂肽合成相关的调控因子;再次,从底盘细胞的选择、基因编辑工具的开发、合成路径的优化及发酵过程的优化等四个方面对合成生物学指导下环脂肽的相关研究进展进行总结;最后,讨论环脂肽合成中可能存在的挑战,并就未来研究趋势进行展望,以期为高效环脂肽细胞工厂的开发提供参考。     

合成生物学驱动的智能生物制造研究进展

合成生物学的迅猛发展给包括药物和化学品在内的生物制造带来了强劲动力。它助力生物合成关键元件的挖掘,丰富了智能生物制造所必需的基础(催化)元件库;底盘细胞的性能优化为高效生物制造奠定了基石和平台。合成生物学经典的"设计-构建-测试-学习"则是创建高效智能细胞工厂的核心研发内容。天然宿主的系统代谢工程和合成生物学以及无细胞体系的体外合成生物学,是实现高效生物制造和替代底盘细胞体系的可选途径。该文简要综述近年国内外的相关研究进展。     

基于模式微生物生长特性调控的食品功能因子生物制造研究进展

食品功能因子作为功能性食品制造的基础素材,是食品中真正起生理作用的有效成分,在调节人体机能,改善睡眠和促进生长发育等方面发挥着重要作用.合成生物学作为一种更安全、更健康和绿色可持续的食品获取方式,已经成为推动食品行业发展的重要技术支撑.食品合成生物技术主要通过采用合成生物学技术设计构建食品组分的合成途径,创建具有食品工业应用能力的智能化细胞工厂,大幅提升食品功能因子等高附加值产品的合成效率.目前,以大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌和酿酒酵母等模式微生物作为合成载体,通过对其生长进行精细调控,食品功能因子的生物制造已取得重大进展.本文主要从转运蛋白工程改造提高细胞生长速率、重编程细胞能量代谢和平衡细胞生长与产物合成方面总结了基于模式微生物生长特性调控合成食品功能因子的研究策略和进展,提出了目前所面临的挑战,并对其未来发展做出展望.     

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。     

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     

基于CRISPR/Cas系统的黑曲霉基因组编辑技术

黑曲霉Aspergillus niger是有机酸与酶制剂的重要工业生产菌株,以极端环境耐受性、高生产经济性、强发酵鲁棒性与高食品安全性等优势成为不可多得的细胞工厂。合成生物学与系统生物学的快速发展,不仅拉开了全面揭示黑曲霉细胞工厂高效运转机制的序幕,而且为高效黑曲霉细胞工厂的创建优化提供了新技术体系。作为新一代的基因组编辑技术,基于CRISPR/Cas系统的基因组编辑技术为黑曲霉基因组定向改造与基因表达调控带来了革命性突破。本文重点综述该技术在黑曲霉中的最新进展及其在黑曲霉基因编辑与表达调控中的应用,并对其未来发展方向进行展望。     

微生物细胞工厂生产大宗化学品及其产业化进展

通过微生物发酵的方法生产大宗化学品能够部分替代石油化工炼制,节能减排。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的能力。介绍了使用合成生物学技术构建微生物细胞工厂生产大宗化学品的研究和产业化进展,并展望了微生物细胞工厂未来的研究重点。     

数字细胞模型的研究及应用

组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义,因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍,重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用,进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势,对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍,最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。     

2013合成生物学专刊序言

合成生物学目前在全球得到迅猛发展。在此专刊中,综述了一些相关技术在合成生物学领域的进展,其中有:链霉菌无痕敲除方法、基因合成技术、DNA组装新方法、最小化基因组的方法及分析、合成生物系统的组合优化。也讨论了应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘、产溶剂梭菌分子遗传操作技术、蛋白质预算(Protein budget)作为合成生物学的成本标尺。最后,用几个例子说明了合成生物学的应用,包括复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建、微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品以及构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇。     

Applications of cell-free protein synthesis in synthetic biology: Interfacing bio-machinery with synthetic environments

Synthetic biology is built on the synthesis, engineering, and assembly of biological parts. Proteins are the first components considered for the construction of systems with designed biological functions because proteins carry out most of the biological functions and chemical reactions inside cells. Protein synthesis is considered to comprise the most basic levels of the hierarchical structure of synthetic biology. Cell-free protein synthesis has emerged as a powerful technology that can potentially transform the concept of bioprocesses. With the ability to harness the synthetic power of biology without many of the constraints of cell-based systems, cell-free protein synthesis enables the rapid creation of protein molecules from diverse sources of genetic information. Cell-free protein synthesis is virtually free from the intrinsic constraints of cell-based methods and offers greater flexibility in system design and manipulability of biological synthetic machinery. Among its potential applications, cell-free protein synthesis can be combined with various man-made devices for rapid functional analysis of genomic sequences. This review covers recent efforts to integrate cell-free protein synthesis with various reaction devices and analytical platforms.     

催化元件和途径的人工设计与组装

催化元件以及由多个催化元件组成的合成途径的设计与组装为人工合成体系的建立奠定了基础,是合成生物学的重要研究内容。除从自然生物中挖掘大量的天然酶和途径可供人工合成体系使用外,将计算生物学、蛋白质工程以及组合生物合成等技术相结合,理性地、有目的地进行催化元件和途径的人工设计与组装,将提供新功能酶以及新物质合成途径。介绍了催化元件和合成途径人工设计与组装的研究策略和最新进展。     

The promise of synthetic biology

DNA synthesis has become one of the technological bases of a new concept in biology: synthetic biology. The vision of synthetic biology is a systematic, hierarchical design of artificial, biology-inspired systems using robust, standardized, and well-characterized building blocks. The design concept and examples from four fields of application (genetic circuits, protein design, platform technologies, and pathway engineering) are discussed, which demonstrate the usefulness and the promises of synthetic biology. The vision of synthetic biology is to develop complex systems by simplified solutions using available material and knowledge. Synthetic biology also opens a door toward new biomaterials that do not occur in nature.     

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。     

Synthetic Biology and the Moral Significance of Artificial Life: A Reply to Douglas,Powell and Savulescu

I discuss the moral significance of artificial life within synthetic biology via a discussion of Douglas, Powell and Savulescu's paper 'Is the creation of artificial life morally significant’. I argue that the definitions of 'artificial life’ and of 'moral significance’ are too narrow. Douglas, Powell and Savulescu's definition of artificial life does not capture all core projects of synthetic biology or the ethical concerns that have been voiced, and their definition of moral significance fails to take into account the possibility that creating artificial life is conditionally acceptable. Finally, I show how several important objections to synthetic biology are plausibly understood as arguing that creating artificial life in a wide sense is only conditionally acceptable.     

Special focus: Synthetic biology

Special focus: Synthetic biology What is synthetic biology? SynBERC – The Synthetic Biology Engineering Research Center Ars Synthetica iGEM – The International Genetically Engineered Machine competition Some synthetic biology companies Paper watch: Synthetic biology Building blocks for novel functions Knowledge-making distinctions in synthetic biology Scaffold design and manufacturing: From concept to clinic Peptidomimetics – a versatile route to biologically active compounds Metabolic engineering of E. coli E. coli needs safety valves Systems-level metabolic engineering Mammalian synthetic biology Chemical aspects of synthetic biology Synthesis of DNA fragments in yeast Synthetic biology and patentable subject matter Patenting artificial life? Metabolic effects of synthetic rewiring Engineering for biofuels Regulatory elements for synthetic biology Book highlight Systems Biology and Synthetic Biology     

Step‐by‐step design of proteins for small molecule interaction: A review on recent milestones

Protein design is the field of synthetic biology that aims at developing de novo custom‐made proteins and peptides for specific applications. Despite exploring an ambitious goal, recent computational advances in both hardware and software technologies have paved the way to high‐throughput screening and detailed design of novel folds and improved functionalities. Modern advances in the field of protein design for small molecule targeting are described in this review, organized in a step‐by‐step fashion: from the conception of a new or upgraded active binding site, to scaffold design, sequence optimization, and experimental expression of the custom protein. In each step, contemporary examples are described, and state‐of‐the‐art software is briefly explored.     

The imminent role of protein engineering in synthetic biology

Protein engineering has for decades been a powerful tool in biotechnology for generating vast numbers of useful enzymes for industrial applications. Today, protein engineering has a crucial role in advancing the emerging field of synthetic biology, where metabolic engineering efforts alone are insufficient to maximize the full potential of synthetic biology. This article reviews the advancements in protein engineering techniques for improving biocatalytic properties to optimize engineered pathways in host systems, which are instrumental to achieve high titer production of target molecules. We also discuss the specific means by which protein engineering has improved metabolic engineering efforts and provide our assessment on its potential to continue to advance biology engineering as a whole.