人工合成启动子文库研究进展

随着合成生物学的发展,人工合成功能元件在代谢工程领域显示出巨大应用潜力。启动子是调控基因转录水平的重要元件,可以利用人工合成启动子文库对代谢途径进行精细调控,使基因适量表达,实现代谢途径的组合优化。文章综述了人工合成启动子文库的研究进展,评述了不同文库的构建策略,讨论了人工合成启动子文库在代谢工程领域的应用,并展望了人工合成启动子文库的发展方向。     

生物元件的挖掘、改造与标准化

生物元件是合成生物学中的三大基本要素之一,是合成生物学的基石。现阶段,生物元件的挖掘、鉴定和改造仍然是合成生物学领域的重要研究方向之一。合成生物学与基因工程和代谢工程最显著的差别在于能够将大量的生物元件进行快速、随意的组装,而实现这一目标的前提是将生物元件标准化。目前,已经有大量基因组被解析,通过这些基因组数据库的注释与功能验证,并借助于各种生物信息学软件预测启动子、终止子、操纵了、转录因子和转录因子结合位点、核糖体结合位点以及蛋白质编码区等部件,为合成生物学提供丰富的生物元件信息资源。随着元基因组技术的兴起,大量未培养微生物中的基因和基因簇信息被解析,使得我们可以从占自然界中实际存在微生物总数99％的未知微生物中挖掘更多的生物元件。另外,生物元件可以从自然界分离出来,也可以对天然生物元件进行修饰、重组和改造后得到新的元件。酵母是异源蛋白表达的通用宿主和生物基产品生产的细胞工厂,但其本身可用的启动子非常有限,近年来各国学者在酵母启动子改造和文库构建方面做了很多工作,该文也将概述酵母启动子改造和在合成生物生物学研究领域中的应用方面的研究进展。     

重组大肠杆菌合成左旋多巴条件的优化

通过对合成体系各组分对产物形成的影响的研究。分别求得了底物邻苯二酚,丙酮酸及乙酸氨的表观米氏常数,表观底物抑制常数和最适底物浓度,并得出合成左旋多巴的最适反应体系为：1%丙酮酸,1.2%邻苯二酚,2%乙酸铵,0.1?TA,0.2%亚硫酸钠,用氨水调pH至8.0。加入从与合成体系等体积培养液中收获的重组大肠杆菌细胞,于15℃反应16h,L-DOPA的产量为15.36g/L。     

全基因组范围代谢网络的构建和最小基因组研究

全基因组范围代谢网络（genome-scale metabolic network,GSMN）的构建是合成生物学研究的一个重要研究手段。通过整合各种组学数据和借助计算机进行模拟分析,将基因型与表型的关系进行定量关联,从而为从全局的角度探索和揭示生物代谢机制,进而对生物进行合理的重新设计和工程改造提供了有效的框架。该方法在最小基因组研究中也有着突出的优势,通过计算机辅助的基因组最小化模拟与分析,能够系统鉴定微生物基因组基因的必需性。迄今为止,已有近百个基因组范围的代谢网络发表,覆盖的生物包括原核生物、真核生物和古生生物,并广泛应用于医药、能源、环境、工业和农业等多个领域,展现出了广阔的应用前景。将对全基因组范围代谢网络构建的方法、应用,特别是其在最小基因组研究中的应用作简要的综述。     

合成生物制造

本文对2021年《生物工程学报》在合成生物制造领域发表的综述和论文进行了评述.重点讨论了大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌、酿酒酵母、丝状真菌以及非模式细菌、非传统酵母等主要底盘细胞的设计改造,氨基酸、有机酸、维生素、高级醇、天然化合物(萜类、黄酮类、生物碱类)、抗生素类、酶与生物催化产品、生物聚合物等产品的生物制造...     

复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建

天然产物是人类疾病预防和治疗药物的最重要来源。合成生物学技术的蓬勃发展为天然产物的开发注入了全新的活力。文中重点介绍了如何利用合成生物技术进行复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建,包括与此相关的生物元件理性设计、生物元件挖掘、途径装配与集成,模块的组装与系统的适配等内容。     

哺乳动物抑制型转录因子及启动子对的全新设计与构建

转录因子及启动子是基因回路的基础。相较于原核启动子,真核启动子作用机制复杂,增加了全新设计与改造的难度。目前有限数量的真核转录因子及启动子成为在哺乳动物细胞中设计并实现复杂基因回路以满足各类临床或工业应用需求的瓶颈。文中介绍了基于能够结合特定DNA序列的DNA结合结构域,通过柔性连接肽连接到转录抑制模块KRAB,构建抑制型转录因子以及通过在SV40启动子下游插入结合序列构建对应启动子的方法。而后,在哺乳动物细胞系中通过流式细胞术对其抑制转录的强度、不同转录因子及启动子对之间的正交性进行了测定。文中提供了一套标准化的、可调节的转录因子及启动子的全新设计与构建方案。基于该方案所构建的5对抑制型转录因子及启动子对能够在哺乳动物细胞中起到不同程度的抑制效果且相互正交。文中构建的哺乳动物转录因子及启动子对扩充了哺乳动物生物元件库,为构建复杂真核基因回路打下了基础;运用该设计方法能够根据需求构建更多正交的人工转录因子及启动子对。     

合成生物学技术的研究进展——DNA合成、组装与基因组编辑

合成生物学作为一门新兴学科,其目标主要有两点:一是利用非天然的分子使其出现生命的现象,也就是―人造生命‖;二是―改造生命‖,比如利用一种生命体的元件(或经过人工改造),组装到另一个生命体中,使其产生特定功能。无论是哪种目的,对生命遗传物质DNA的操作都非常关键,其具体包括DNA的从头合成、组装和编辑等。同时,这些使能技术的进步也促进了合成生物学其他领域的发展。本文介绍了DNA操作相关的合成生物学使能技术的最新进展。     

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.     

生物法合成伤寒O-糖蛋白结合疫苗及其免疫原性评估

伤寒由伤寒沙门氏菌(Salmonella Typhi)引发,至今在发展中国家仍是备受关注的重要公共卫生问题。文章通过敲除伤寒菌脂多糖合成途径中O-抗原连接酶基因,转入含脑膜炎奈瑟球菌(Neisseria meningitidis)蛋白糖基化途径中糖基转移酶的表达载体,以及改构的重组铜绿假单胞菌(Pseudomonas Aeruginosa)外毒素A(rEPA_N29)的表达载体,使细胞内能够诱导合成以伤寒O特异性多糖(O-specific polysaccharides, OPS)为目标抗原、以rEPA_N29为载体蛋白的伤寒OPS-rEPA_N29糖蛋白复合物,并对纯化所得复合物进行了免疫原性评价。ELISA测定血清抗体滴度表明,rEPA_N29作为载体蛋白能有效增加糖链的免疫原性,糖蛋白比单独的多糖能诱导产生更好的免疫应答;3次免疫、间隔3周比间隔2周IgG滴度稍有提高;而免疫过量的糖蛋白,抗O-多糖的血清抗体效价并无提升。文章为生物法制备多糖-蛋白结合疫苗提供了新思路,理论上也适用于其他革兰氏阴性菌的疫苗研发。     

Rational engineering of a synthetic insect-bacterial mutualism

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Genome‐scale engineering for systems and synthetic biology

Genome‐modification technologies enable the rational engineering and perturbation of biological systems. Historically, these methods have been limited to gene insertions or mutations at random or at a few pre‐defined locations across the genome. The handful of methods capable of targeted gene editing suffered from low efficiencies, significant labor costs, or both. Recent advances have dramatically expanded our ability to engineer cells in a directed and combinatorial manner. Here, we review current technologies and methodologies for genome‐scale engineering, discuss the prospects for extending efficient genome modification to new hosts, and explore the implications of continued advances toward the development of flexibly programmable chasses, novel biochemistries, and safer organismal and ecological engineering.     

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。     

大肠杆菌合成启动子的构建及在顺,顺-粘康酸生物合成中的应用

启动子是基因表达调控的重要元件.在代谢工程和合成生物学研究中,经常需要利用不同强度的启动子对代谢途径进行精细调控,来实现代谢平衡,降低中间产物积累,提高目标产物合成.然而目前可获得的启动子难以满足以上要求,而且不同来源的启动子通用性差,缺乏标准化.针对这些问题,设计了1条88个碱基对的启动子,包含典型的-35区、-10区以及核糖体结合区.同时,在转录起始位点上游6个碱基、-35与-10区间隔区14个碱基对中引入简并序列,构建了合成启动子文库.利用合成启动子控制红色荧光蛋白mCherry的表达强度,经过两轮筛选,从5 000多个克隆中获得了720个不同强度的启动子.随机挑选35条不同强度的启动子进行测序分析,结果表明不同强度的启动子具有碱基偏好性.对于强启动子,-13位点嘌呤碱基出现频率高,转录起始区除-4位点外,嘧啶碱基出现的频率高于嘌呤碱基,而-10区与-35区间14个位点的嘌呤碱基与嘧啶碱基出现频率大致相当.最后选取5条不同强度启动子应用于顺,顺-粘康酸合成途径调控优化,结果显示不同强度的启动子可以调节目标产物顺,顺-粘康酸的合成和中间产物儿茶酚的积累.     

The synthesis of artificial genome as the basis of synthetic biology

Recent achievements in the whole-genome sequencing especially viral and bacterial ones together with the development of methods of bioinformatics and molecular biology, have created preconditions for transition from synthesis of genes to assembly of the whole genomes based on chemically synthesized blocks, oligonucleotides. The creation of artificial genomes and artificial cells will undoubtedly render huge influence on a deepening of knowledge on mechanisms of functioning of living systems at a cellular level, on a way of origin and evolution of life, and also on biotechnology of the future, and will generate preconditions for the further development of synthetic biology and nanobiotechnology.