合成生物学底盘微生物细胞的应用及其生物安全在创新型本科生培养中的实践

本科生创新能力培养是"双一流"建设人才培养的重要组成部分。合成生物学是一门新兴多学科交叉领域,被誉为可改变世界的十大新技术领域之一。构建高版本底盘微生物细胞和利用底盘细胞人工合成细胞工厂是合成生物学的重要组成部分。以实现创新型本科生为培养目标,我们将合成生物学底盘微生物细胞技术融入人才培养环节,通过组织学生参加国际遗传工程机器设计竞赛、主持大学生创新创业训练项目以及完成本科生毕业设计课题等多元化途径,提高学生理论联系实际及创新实践能力。同时,由于底盘微生物细胞是基因组经过精简、优化或其基因通路被改变的细胞,其应用存在一定的生物安全风险。我们通过将安全教育纳入培养大纲和教学计划、出版实验室安全与操作规范专业教材、开发虚拟仿真实验项目、建立实验室准入制度和信息化管理体系,以及针对底盘微生物细胞从购买、管理、规范使用和废弃物处理等进行生物安全教育等系列举措,规范底盘微生物细胞应用的生物安全。这些实践为培养创新型本科生提供了一个强有力的途径和有效保障,也为合成生物学的发展提供了支持,并有助于培养新的生力军。     

非天然氨基酸细胞工厂的构建与应用

非天然氨基酸在医药、农药、材料等领域得到广泛应用,其绿色、高效合成越来越受到关注.近年来,随着合成生物学的快速发展,微生物细胞工厂为非天然氨基酸的制造提供了重要手段.文中从合成途径的重构、关键酶的设计改造及与前体的协同调控、竞争性旁路途径的敲除、辅因子循环系统的构建等方面介绍了 一系列非天然氨基酸细胞工厂构建与应用的研...     

7-脱氢胆甾醇合成功能模块与底盘细胞的适配性

利用合成生物技术生产7-脱氢胆甾醇的挑战性在于获得合成功能模块与底盘细胞的适配关系。从更换不同调控强度的启动子和不同改造的酵母底盘两方面,对二者的适配性进行研究,以增加7-脱氢胆甾醇产量:过表达酵母固醇合成途径中的内源基因tHMGR和ERG1,敲除非必需基因ERG6和ERG5以抑制酵母固醇向麦角固醇的转化,得到改造后的酵母底盘SyBE_000956;利用由强到弱依次为TDH3p、PGK1p和TDH1p的启动子,引入人源C-24还原酶基因DHCR24,构建3种强度的外源功能模块,并分别导入3种底盘中,得到9种人工合成细胞。结果表明,TDH3p调控的功能模块与底盘细胞SyBE_000956具备较好的适配性,实现7-脱氢胆甾醇产量的提高。为后续的适配性研究提供了理性设计的依据。     

链霉菌底盘细胞的开发现状及其应用

天然产物及其衍生物在现代医疗中扮演着举足轻重的角色,其生物活性多样性以及化学结构的丰富性是新药研发的源泉和动力。利用纯化学方法合成天然产物在技术和成本上有很大的困难,加上许多天然产物的原始产生菌具有培养条件苛刻、产量低下等缺点,而且大量基因簇在原始菌株中是沉默的,这使得利用合成生物学思想来指导天然产物生物合成基因簇的异源表达具有重大意义。作为抗生素、抗肿瘤活性物质、免疫抑制剂等次级代谢产物主要来源的放线菌一直是研究者们关注的焦点,特别是随着基因测序技术的飞速发展,人们发现链霉菌基因组中包含着极为丰富的天然产物生物合成基因簇资源。这意味着开发链霉菌底盘细胞作为异源表达宿主有其得天独厚的优势。本综述从底盘细胞开发的意义入手,重点阐述链霉菌底盘细胞构建的策略及现状,随后通过实例阐述了各种底盘链霉菌的实际应用。     

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.     

蓝细菌细胞工厂合成聚合物单体的研究进展

蓝细菌是当前合成生物学研究的热门底盘生物之一,是光合自养底盘微生物的典型代表.随着化石资源的逐渐枯竭和碳排放所导致的全球变暖问题的加剧,以CO2为碳源的蓝细菌细胞工厂的研究又迎来了一次新的浪潮.长期以来,人们对于蓝细菌细胞工厂的关注点主要是在生物能源的生产,比如液体燃料及氢气等.蓝细菌细胞工厂研究的主要瓶颈之一是其低效...     

植物来源药用天然产物的合成生物学研究进展

大多数药用天然产物在植物中含量低微,提取分离困难;而且这些化合物一般结构复杂,化学合成难度大,还容易造成环境污染.基于合成生物学技术获得药用天然产物具有绿色环保和可持续发展等优点.文中以药用萜类化合物人参皂苷、紫杉醇、青蒿素、丹参酮,生物碱类化合物长春新碱、吗啡以及黄酮类化合物灯盏花素为例,总结了植物来源药用萜类、生物...     

合成生物学助力天然产物的高效合成及创新发现

天然产物是候选药物以及药物先导化合物的重要来源,但传统的天然产物生产方式及新天然产物发现的速度和数量日益无法满足社会的巨大需求.随着合成生物学各方面技术的发展,合成生物学在天然产物高产和发现两个领域上的新策略、新方法、新应用应运而生,尤其在复杂天然产物的高效生物全合成、天然产物复杂前体结构的化学半合成、沉默天然产物的高...     

病原体相关合成生物学的生物安全风险和应对策略研究

合成生物学在科技、医学、工业等领域对微生物的改造促进了经济、社会的发展,随着合成生物技术的快速发展,自然界中存在的高危害性病原体可能成为合成对象,通过生物技术对已知病原体进行改造,其对人类宿主的影响将难以预料,具有比天然病原体更大的危险性,这些情况增加了总体国家安全观范畴中需要关注的生物安全要素。通过对近年来已知病毒合成生物学、已知细菌合成生物学、已知病毒使能安全风险、已知细菌使能安全风险、未知病原体合成生物学等方面的生物安全风险和要点梳理,综合国际前沿科技态势和先进科技发展理念,分析和提出生物安全应对策略和科学建议,为合成生物学健康发展提供咨询建议,并为国家生物安全政策制定提供智库参考。     

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。     

谷氨酸棒杆菌耐受胁迫机制及工业鲁棒性合成生物学研究进展

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum作为一般被认为具有生物安全性的一种模式工业微生物,不仅在发酵工业中成功用于大规模生产氨基酸,而且具有合成多种新型化学品的潜力。谷氨酸棒杆菌菌株在生产化合物时,经常会受到各种逆境条件的胁迫,从而降低细胞活力和生产性能。合成生物学的发展为提高谷氨酸棒杆菌的鲁棒性提供了新的技术手段。本文总结了谷氨酸棒杆菌应对发酵过程中各种胁迫的耐受机制。同时,重点介绍提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性和耐受性的合成生物学新策略,包括挖掘新的抗逆元件、改造转录调控因子、利用适应性进化策略挖掘抗逆功能模块等。最后,从生物传感器、转录调控因子的筛选和设计、多种调控元件利用等方面对提高谷氨酸棒杆菌底盘细胞鲁棒性进行了展望。     

合成生物学发展现状与前景

合成生物学是综合了科学与工程的一个崭新的生物学研究领域,为生命现象及其运动规律的解析提供了一种采用“白下而上”合成策略的正向工程学的研究思路和方法手段,在经济和社会发展中具有巨大的应用开发潜力。近年来,DNA合成与系统生物学技术的发展使生命系统复杂基因回路的设计、合成与组装逐步成为可能,并应用于生物基化学品、生物燃料、医药中间体、保健产品的生产和环境保护等领域。但是,合成生物学的研究仍然面临科学、技术和伦理的挑战,只有积极地应对这些问题,在加大研究开发支持力度的同时,做好必要的风险监管,才能真正把握合成生物学发展带来的历史机遇。     

Development of GRAS strains for nutraceutical production using systems and synthetic biology approaches: advances and prospects

Nutraceuticals are food substances with medical and health benefits for humans. Limited by complicated procedures, high cost, low yield, insufficient raw materials, resource waste, and environment pollution, chemical synthesis and extraction are being replaced by microbial synthesis of nutraceuticals. Many microbial strains that are generally regarded as safe (GRAS) have been identified and developed for the synthesis of nutraceuticals, and significant nutraceutical production by these strains has been achieved. In this review, we systematically summarize recent advances in nutraceutical research in terms of physiological effects on health, potential applications, drawbacks of traditional production processes, characteristics of production strains, and progress in microbial fermentation. Recent advances in systems and synthetic biology techniques have enabled comprehensive understanding of GRAS strains and its wider applications. Thus, these microbial strains are promising cell factories for the commercial production of nutraceuticals.     

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。     

合成生物学生物安全风险评价与管理

合成生物学(synthetic biology)已迅速发展为生命科学最具发展潜力的分支学科之一,但它同时也会给生态环境和人类健康带来潜在的风险。结合国内外合成生物学发展现状,本文综述了基因回路(DNA-based biocircuits)、最小基因组(minimal genome)、原型细胞(protocells)、化学合成生物学(chemical synthetic biology)等涉及的风险评价、合成生物学与生物安全工程(biosafety engineering)、合成生物学对社会伦理道德法律的影响以及当前热点议题,如生物朋(黑)客(biopunk(or biohackery))、家置生物学(garage biology)、DIY生物学(do-it-yourselfbiology)、生物恐怖主义(bioterrorism)等方面的新进展。分析讨论了世界各国合成生物学以自律监管或技术为主的安全管理原则和基于5个不同政策干预点的5P管理策略的合理性与潜在不足。同时结合我国合成生物学当前研究进展以及现有的安全管理规范,提出了建立以安全评价为核心的法规体系、生物学生物安全规范以及加强研发单位内部管理和生物安全科普宣传等我国合成生物学安全管理制度与措施等建议。     

Intracellular accumulation of c-di-GMP and its regulation on self-flocculation of the bacterial cells of Zymomonas mobilis

Zymomonas mobilis is an emerging chassis for being engineered to produce bulk products due to its unique glycolysis through the Entner–Doudoroff pathway with less ATP produced for lower biomass accumulation and higher product yield. When self-flocculated, the bacterial cells are more productive, since they can self-immobilize within bioreactors for high density, and are more tolerant to stresses for higher product titers, but this morphology needs to be controlled properly to avoid internal mass transfer limitation associated with their strong self-flocculation. Herewith we explored the regulation of cyclic diguanosine monophosphate (c-di-GMP) on self-flocculation of the bacterial cells through activating cellulose biosynthesis. While ZMO1365 and ZMO0919 with GGDEF domains for diguanylate cyclase activity catalyze c-di-GMP biosynthesis, ZMO1487 with an EAL domain for phosphodiesterase activity catalyzes c-di-GMP degradation, but ZMO1055 and ZMO0401 contain the dual domains with phosphodiesterase activity predominated. Since c-di-GMP is synthesized from GTP, the intracellular accumulation of this signal molecule through deactivating phosphodiesterase activity is preferred for activating cellulose biosynthesis to flocculate the bacterial cells, because such a strategy exerts less perturbance on intracellular processes regulated by GTP. These discoveries are significant for not only engineering unicellular Z. mobilis strains with the self-flocculating morphology to boost production but also understanding mechanism underlying c-di-GMP biosynthesis and degradation in the bacterium.     

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。     

Making small molecules in plants: A chassis for synthetic biology-based production of plant natural products

Plant natural products have been extensively exploited in food,medicine,flavor,cosmetic,renewable fuel,and other industrial sectors.Synthetic biology has recently emerged as a promising means for the cost-effective and sustainable production of natural products.Compared with engineering microbes for the production of plant natural products,the potential of plants as chassis for producing these compounds is underestimated,largely due to challenges encountered in engineering plants.Knowledge in pl...     

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.