编者按

<正>21世纪初,工程科学的研究理念与现代生物学、系统科学以及合成科学的融合,形成了以采用标准化表征的生物元件,在理性设计指导下,重组乃至从头合成创新的、具有特定功能的人造生命为目标的"合成生物学"。合成生物学开启了生命科学可定量、可计算、可预测、可制造的"会聚"研究新时代。它不仅将人类对     

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。     

莽草酸合成途径元件库:现状与未来

<正>莽草酸广泛存在于自然界中,并在医药、工业、能源领域具有应用价值。莽草酸途径是植物和微生物合成芳香族氨基酸等重要化合物的关键代谢路径。近年来,合成生物学技术迅速发展,莽草酸途径已经成为合成生物学重要的研究对象。生物元件的挖掘、搜集、表征及标准化等一直是合成生物学研究的重要方向之一,文章从传统元件的收集与整理、标准化元件库的批     

基于合成生物学的微生物制造研究进展

基于合成生物学的微生物制造在天然产物药物、生物能源、生物基化学品及生物传感器件的研究中发挥越来越重要的作用。本文系统地介绍了合成生物学研究领域的最新技术进展,包括DNA和染色体合成、新生物元件开发与元件库标准化、染色体工程与最小基因组技术、途径装配技术等,并阐述了合成生物学在微生物制造领域内所取得的突破和巨大的应用价值。     

合成生物学在生物材料科学中的应用及展望

生物材料的发展最早以生物惰性的工业材料为主,而后过渡到具有生物活性的材料,再发展为具备与生物体有可控生物反应的材料。未来,随着老龄化时代的来临以及精准医学的需求,生物材料的发展必然朝着动态可调控、高效多功能及仿生交互的方向发展。合成生物学以基因回路设计为核心,采用标准化元件在人造生物器件中实现可控的复杂功能,极大地推动了生命科学的发展。简要回顾了生物材料的发展,重点介绍了合成生物学在组织工程支架、可控药物输送体系、生物杂化材料及工程活体材料方面的应用,并讨论了未来合成生物学将如何更深远地影响生物材料的发展以及合成生物学在生物材料应用方面需要克服的一些挑战。     

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.     

生物元件库国内外研究进展

生物元件库是对元件数据和实物进行收集、整理和共享的重要平台,对合成生物学的研究和应用具有非常重要的支撑作用。本文对国内外生物元件库的研究进展进行了介绍和综述。国外先后出现了标准生物元件登记库等多个元件库,通过制定Open MTA协议实现了元件实物的免费分发共享,并通过制定"合成生物学开放语言"(SBOL)实现了多个元件库之间的数据交换;通过bionet项目对元件数据和实物的去中心化管理作了进一步尝试。近年来我们与国内多家科研单位合作建设了合成生物学元件与数据库(RDBSB,https://www.biosino.org/rdbsb/or https://www.biosino.org/npbiosys/)。在建设过程中,我们首先建立了与SBOL语言兼容的《催化元件数据标准》、多种重要元件的标准功能测试方法以及安全高效的元件提交系统,并在此基础上完成了元件数量最多且信息最为全面的催化元件数据库的构建。目前,收集了30多万个催化元件,包括7万多个具有文献支持功能表征信息的催化元件,并保藏了1万个以上的实物元件和5000个底盘菌株,通过网站实现了数据和实物的公开与共享。上述元件库已经对国内合...     

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。     

合成生物学展望

21世纪生命科学将因系统生物学和合成生物学而进入新的发展时期,系统生物学使生命科学由实验科学转变为定量、预测的系统科学,而合成生物学是在系统生物学基础上进一步把生命科学推向工程科学．把系统生物学研究的天然元件、模块、网络、系统转变为工程化的元件、模块、网络用以构建具备各种功能的生物装置和生物体。     

基因组工程在医学合成生物学中的应用

合成生物学旨在建立一套完整的工程理论和方法,通过设计和组装基本生物学元件,更为有效地实现复杂生物系统的设计,并使其完成可编程的生物学功能。近年来随着可编程基因组元件的出现,特别是CRISPR和CRISPRi技术平台的建立和完善,使得合成生物学进入了一个全新发展的时期。本文重点综述CRISPR等基因组编辑和调控技术,其在构建可编程生物学元件和复杂基因线路的应用以及合成生物学在医学中(称为医学合成生物学)的发展前景。     

人工小RNA调控元件在合成生物学中的应用北大核心CSCD

合成生物学通过改造天然系统或创造生物元件、模块和系统赋予生命体新的功能,为农业、能源、制造业及医学进步带来了巨大推动力。对元件、模块或系统的精准、定量及高效调控将对合成生命系统的控制至关重要。细菌小RNA是一类长度在50–300 bp且通常不具备翻译能力的功能小分子,在环境胁迫响应、代谢变化适应和细菌毒力控制过程中发挥着不可替代的调控作用。近年来,基于天然小RNA设计构建的人工小RNA调控元件的工作日益丰富,实现了对目的基因甚至通路的有效抑制或激活。人工小RNA分子小、灵活性高,可程序化且易于设计,几乎不会对宿主细胞造成代谢负担,因此在合成生物学中具备广泛应用前景。为促进对人工小RNA的机理理解及应用拓展,本文围绕若干人工小RNA调控元件进行了系统介绍及比较;此外,总结了其在合成生物学中的代表性应用;最后,对其未来优化方向进行了讨论。     

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。     

合成微生物学研究的若干前沿的思考

1 引言 合成生物学是建筑在工程学和生物学基础上、正在迅速发展、以创新为导向的崭新研究领域.高通量低成本的基因测序技术、DNA 合成技术及其公司化运作,以及各种高通量的细胞功能组分分析技术为该领域发展奠定坚实的基础.合成生物学旨在工程学思想的指导下,从头设计并构建新的生物元件、装置和系统,或对现有的、天然的生物系统进行重新设计和改造.     

生物学的新军——合成生物学

合成生物学是一个新兴而极具研究前景的领域．旨在通过将多种天然或人工设计的生物学元件进行合理组合,创造出重构的或非天然的生物系统。综述了合成生物学这一新兴学科的核心理念、研究内容以及与相关学科的联系,详细介绍了J．CraigVenter研究小组所合成的“人造生命”,并展望了合成生物学广阔的发展前景和所面临的问题。     

合成生物学与科学方法论和自然哲学

合成生物学是一个多学科交叉的研究领域,旨在整合生命科学、工程学、物理学与化学等学科,通过设计和建造新的生物元件、功能和系统,以构建在自然界中并不存在的可控方式,生物逻辑和生产系统.其众多潜在的应用领域包括新药物、环境修复、新农药、癌症治疗、生物燃料和新材料等.除了自然科学家和工程师,合成生物学也吸引了社会学家、经济学家和哲学家的关注.目前使用的"合成生物学"这个词是一个特别宽泛的概念,体现了其同样广泛的目标.合成生物学究竟是什么?它的科学方法论是什么?它有怎样的哲学含义?本文将针对上述问题展开讨论.     

合成生物学的医学应用

合成生物学旨在基于工程学原理,通过人工合成生物调控元件、模块和基因调控网络等对细胞进行设计和改造,以实现细胞和生命体的定向演化。在医学研究中,合成生物学主要采用人工设计合成治疗性的基因回路,制备工程化细胞植入体内,纠正机体已发生缺陷的生物调控元件,以达到治疗疾病的目的。本文对合成生物学的兴起、发展及其在医学中的应用和研究进展进行了综述。     

天然药物研究中的合成生物学

天然产物一直是药物分子设计和开发过程中的重要灵感来源之一,源自天然产物的临床用药目前也占据着难以替代的地位.但是大多数天然来源的药物分子结构复杂、分离困难,利用传统的合成化学和天然产物化学方法难以满足日益增长的市场需求.天然产物在其产生物种中一定对应着一个由若干功能各异的基因元件所构成的生物合成基因群,或成簇分布或离散分布.合成生物学则旨在通过对不同基因元件的改造、组合、拼装而得到新的生物途径和体系.本文主要将针对合成生物学在天然药物研究中的应用进行总结和展望,并从基因元件以及合成生物学的角度重新认识和理解天然产物的生物合成.     

生物大分子自组装合成多维纳米生物结构与器件

生物体通过指导的自组装合成种类繁多、功能特异的天然纳米结构,它们在生命过程中扮演重要角色。按照自组装体的维度,可以分为线状(一维)、层状(二维)、笼状(三维)生物纳米结构。通过设计,这些生物大分子纳米结构可在细胞"工厂"中重组制备,且可通过合成生物学技术对其组装和功能化进行理性设计和调控,成为功能性纳米器件。这类纳米生物结构和器件已经在生物传感、催化、肿瘤热疗、药物递送、组织工程、生物电池等领域获得展示或应用。相关研究正在成为合成生物学和纳米生物学的一个交叉领域,受到关注。     

哺乳动物合成生物学与疾病治疗

合成生物学是以工程学思想为指导,通过合成一些功能元件、模块、系统,对生命体进行有目的的设计、改造,使细胞或生物体具有特定的新功能。现已在生物医药、环境能源、生物材料等领域广泛应用。现将重点介绍近年来哺乳动物合成生物学在各种疾病治疗上取得的研究成果,包括治疗代谢性疾病、肿瘤、免疫相关疾病等;同时,探讨合成生物学未来在临床治疗中的意义和挑战。     

合成生物学：会让世界变得更美好

合成生物学以工程学和生物学作为基础,通过多学科交叉集成,将自然存在的元件模块化、标准化以最终实现利用现代工程理念研究科学问题及应用改造生物系统。合成生物学用人工合成的方法重新设计和改造现有存在的生物系统,