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     

新本草计划——基于合成生物学的药用植物活性代谢物研究

经过近十年的发展,合成生物学研究的对象从单细胞的生物元件和装置的研究,逐渐过渡到多细胞的复杂体系。植物合成生物学被称为合成生物学研究的"下一篇章"。从复杂而多样的植物代谢切入进行植物合成生物学研究,有助于人类在更复杂的层面上理解生命运行的本质规律,及更深入地认知复杂人造生命的设计和构建的科学及工程原理;也有望在药用植物活性代谢物的合成生物学设计和创新生产方面实现突破。本文综述了该领域的国内外进展,并提出新本草计划的研究设想,通过基于合成生物学的药用植物活性代谢物研究,使数千年传统的本草学研究焕发新生。     

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。     

中国合成生物学发展回顾与展望

合成生物学既是一门"汇聚"型新兴学科,又孕育着颠覆性的使能技术.它在系统生物学基础上,融会工程科学原理,采用自下而上的策略,重编改造天然的或设计合成新的生物体系,以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系,被喻为认识生命的钥匙(建物致知)、改变未来的颠覆性技术(建物致用).中国科学家曾经首次实现人工合成蛋白质(牛胰岛素)和核糖核酸(酵母丙氨酸tRNA),近年来又在染色体合成与染色体工程、基因组编辑、生物底盘构建、定量工程生物学、生物元件工程和基因回路工程、天然活性物质和有机化工产品的人工合成代谢、计算机生物模拟等方面取得系列原始发现和创新成果,成为国际合成生物学领域中的一支重要力量.时值新中国科技发展70年,撰写本文,从一个视角讨论合成生物学发展及中国科学界的贡献,纪念开拓者,励志来者,总结经验,梳理发展思路.期待中国合成生物学繁荣发展,更多地贡献于人类.     

基因合成与基因组编辑

合成生物学被认为是继"发现DNA双螺旋"和"人类基因组测序计划"之后的又一次生物技术革命,有望在工业制造、医药、农业、环境和能源等诸多领域带来变革。DNA合成和基因编辑是合成生物学的基石,其技术进步也是推动合成生物学快速发展的主要动力。该文重点介绍了DNA合成和基因编辑领域的主要技术及其研究进展,包括利用芯片oligo池的高通量基因合成技术和CRISPR介导的第三代基因组编辑系统等。     

合成生物学——生物工程产业化发展的新时期

<正>基于基因组学与系统生物学在20世纪90年代的兴起,合成生物学于21世纪初应运而生,成为近年来发展最为迅猛的新兴前沿交叉学科之一。与以假说导向的传统生命科学研究不同,合成生物学研究以目标为导向,譬如首先设定需要实现的全新的物质识别、信号传导、生化代谢等能力,再以工程化手段设计、改造乃至合成全新生命体,并通过进一步"设计-合成-检测"的手段反复解决问题,实现目标。合成生物学研究囊括了生物功能分子合成、基因线路合成、代谢途径合成、基因组合成、单细胞合成、多细     

创新药物研发的前沿动向与中国创新药物的发展近况

生命科学研究技术和手段是医学发展的重要基础。近年来,基因编辑、肿瘤免疫治疗、嵌合抗原受体T细胞免疫疗法、液体活检、大数据平台、再生医学、合成生物学、人工智能、3D打印等新策略和新技术的不断涌现,引领和推动了药物研发,产生了一批重要成果。精准医疗研究方向的兴起,要求临床过程中有精细的诊断,能够针对病人不同的情况来研发和精准用药。对创新药物研究的上述前沿动向作了概述,并回顾了中国从"九五"到"十二五"近20年新药研发取得的成就。"十三五"期间国家重大科技专项将重点聚焦药物品种研发、重大关键技术的研究与核心创新平台能力的建设。目前,中国新药研发存在的问题主要是原始创新能力不强、企业总体实力欠缺、顶层设计有待完善。面向新形势、新任务,中国新药研究要更多地针对新靶点、新机制,向着研制"同类第一"或"同类最优"的原始创新药物目标努力奋进。     

合成生物学使能技术的研究进展

作为一门拥有巨大潜力的新兴工程学科,合成生物学的发展主要得益于各种使能技术(enabling technology)的创新开发与应用.从基本功能元件的构建与标准化,到高通量的微芯片基因合成技术与各种尺度(从bp至Mb)的DNA拼接组装方法,再到强大的基因组编辑工具,在过去十几年里合成生物学使能技术取得了长足的进步.同时,新颖的使能技术也为遗传学、癌症治疗、疾病监测以及生物制造等领域提供了优秀的研究工具,促进了多个学科的发展.如果将这些使能技术作为"配件工具",那么相对应的"主体设备"——底盘细胞也因工具的不断创新得到了快速发展.微生物最小基因组的分析以及对基因组的连续删简优化,为构建一个具有可预测、可控制表型的优良底盘细胞奠定了基础.为促进基于细胞疗法的人类疾病治疗,哺乳动物细胞作为底盘细胞也正在开发中.本文对合成生物学使能技术的最新发展进行了深入总结和梳理,探讨了这些使能技术在合成生物学乃至整个生命科学研究中的应用及其重要意义.     

降解石油基塑料的微生物及微生物菌群

伴随着环境污染的日益严重,处理"白色污染"成为人们面临的一个棘手难题,而各种合成塑料因为应用广泛且很难降解成为其"主要元凶"。利用自然界存在的或者是进化产生的微生物可降解合成塑料是一种环境友好型的策略。以国家自然科学基金国际(地区)合作和交流(中欧组织间合作研究NSFC-EU)项目"合成塑料降解转化微生物菌群"为基础,总结近年来筛选到的能够降解合成塑料,如聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC)、聚氨酯(Polyurethane,PUR)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)的纯细菌、纯真菌及微生物菌群的研究状况,分析了各种微生物在石油基塑料降解中的作用,讨论了微生物及其降解酶对合成塑料降解研究的优缺点。     

合成生物数据库与大数据智能分析展望

合成生物通过"设计-构建-测试-学习"闭环研究积累海量数据,推动合成生物数据储存、共享和分析等方面的发展.该文以合成生物数据库和数据智能分析为核心内容,描述了合成生物数据库建设的现状,讨论了合成生物数据质控和标准、存储和共享等方面的瓶颈问题和未来发展;另一方面,概述了人工智能技术在合成生物大数据智能分析方面的关键进展,...     

面向工程化的合成生物学功能器件创建与集成初探

1 合成生物学作为科学前沿的兴起 1.1 以 "合成"作为研究生命的基本策略之一 据哈佛大学历史教授 Keller 考证,"合成生物学"一词的出现已有约100年的历史.然而,合成生物学作为一个新兴科学前沿的起点,是约10 年前研究者报道人工设计构建的基因"阻遏振荡器"①和基因"双态开关"②, 这两项研究试图证明,"通过在最基本原理指导下进行设计、构建和验证来真正理解研究对象"这一现代科学的基本理念,也适用于生命对象.     

抗菌肽抗菌机制及其应用研究进展

抗菌肽是一类小分子肽,具有广谱的抗菌活性。以往对抗菌肽抗菌机制的研究主要集中在细菌细胞膜的作用上,包含"桶板"模型、"毯式"模型,"环形孔"模型和"凝聚"模型。近年来相继发现某些抗菌肽可以作用于细菌细胞内部,与核酸物质结合,阻断DNA复制、RNA合成;影响蛋白质合成;抑制隔膜、细胞壁合成,阻碍细胞分裂;抑制胞内酶的活性。本文从胞内机制和胞外机制两个角度对抗菌肽的抗菌机制进行综述,以期阐明各类抗菌肽的作用机制,为进一步研究菌株耐药性、杀菌效果及其杀菌机制提供科学根据。     

黄瓜苦味物质的代谢调控与合成生物学

苦味是影响蔬菜品质的不良性状。然而,苦味物质对植物是"天然农药",可用以抵御虫害侵入;对人类是消炎、保肝药,同时还具有抗癌药物开发潜力。通过整合黄瓜基因组大数据及传统生物学研究手段,共发现11个基因控制着黄瓜苦味形成。其中9个基因参与苦味合成,2个是调控苦味合成的"开关"基因。黄瓜苦味合成、调控及驯化分子机制的解析为综合利用及改良苦味物质创造了条件:(1)通过精细调控叶片和果实中的苦味"开关"基因,可培育叶苦果不苦的黄瓜,既可利用苦味保护植物不受害虫侵害,减少农药使用,又可保障黄瓜优良的商品品质;(2)利用合成生物学的方法体外大规模、快速合成和改良苦味物质,为后期新型药物研发创造条件。     

生命科学大学生创新创业教育生态系统初探

推进大学生创新创业教育是我国经济社会发展对高校教育提出的迫切要求,也是高校自身发展的客观需求。以"通识型"启蒙教育、"植入式"融合教育、"参与式"体验教育、"职业型"继续教育,构建"广谱式、反哺化"的创新创业教育体系;以校政共建创新创业训练平台、校所共建校外科研实训平台、校企共建校内实训基地和校外实习基地,搭建"政产学研用"良性循环的创新创业实践平台;组建跨学科跨领域"专管并举、专兼并用"的创新创业指导团队;创建政府、企业、科研院所等社会用人单位、职能单位参与的多级创新创业实践教学质量评价方法,采取自评、综评和导评相结合的全方位多级创新创业评价体系;逐步构建生命科学大学生创新创业教育生态系统,在实践中不断完善,现已取得可喜成绩。     

加快推动生物制造创新研究

<正>生物制造作为生物产业的重要组成部分,是生物基产品实现产业化的基础平台,也是合成生物学等基础科学创新在具体过程中的应用。生物质是自然界唯一含碳的可再生能源,发展绿色生物制造生产燃料乙醇、生物柴油、生物航煤、生物甲烷以及各种化学品和可降解生物材料是其最佳利用途径。生物制造将从原料源头上降低碳排放、通过工业生物技术实现绿色清洁的生产工艺,将从根本上改变我国经济社会发展"高能耗、高排放"的现有模式。重大化工产品(化学品、能     

合成生物学中蛋白质计算预测设计的应用与发展

合成生物学以"工程化"为核心指导思想,自下而上开发生物技术来解决人类社会面临的重大挑战.蛋白质作为生命活动的直接执行者和合成生物学中关键的底层元件,对其定量认识和工程改造的能力直接影响合成生物学的上层建筑.通过蛋白质计算设计技术可实现功能空间跳跃,为合成生物学提供全新元件,使序列-结构-功能的研究从"格物致知"转化为"...     

基于通识教育理念的合成生物学课程设计与实践

合成生物学作为生物学中新的分支学科,发展迅速,理论研究和应用潜力巨大,在带来了很多新的研究理念和研究方法的同时,给高校教学也带来了新的挑战.目前就合成生物学课程而言,国内可供参考的教学经验不多.文中以浙江大学"博雅技艺"类通识课程—"合成生物学"为例,从课程背景、课程设计、课程实施情况、课程成果与存在问题等方面,全方位...     

中国“合成生物学”973项目研究进展

本文回顾了自2011年我国启动"合成生物学"973项目以来所取得的进展。到2014年底为止,我国共启动了9个"合成生物学"973项目,主要集中在微生物制造,加上最近启动的一个动物和一个植物的合成生物学项目,体现了我国以制造业为主,并向复杂的动物和植物逐渐推进的国家战略。     

微生物应用于纳米生物合成技术研究进展

基于发展纳米材料"绿色合成技术"重要性,生物合成纳米材料已成为纳米合成技术研究热点。微生物具有廉价、易培养、繁殖快等优点被应用于多种纳米材料的生物合成研究,成为生物合成纳米材料的重要生物类群。本文综述了细菌、放线菌、酵母菌以及真菌等微生物应用于纳米生物合成技术的发展;着重评述了纳米材料微生物合成生物方法、纳米材料微生物合成相关机制、纳米材料形貌和尺寸微生物调控合成方法以及应用研究进展;并对纳米材料微生物合成技术未来发展趋势进行了展望。     

合成生物学促进中药活性成分的生物合成

中药是我国的传统药物,现也在不断地谋求发展和创新。合成生物学可以通过“模块化”和“适配性”方法将代谢产物或其前体的生物合成过程从植物转移至微生物中,通过发酵生产中药的活性成分。本文综述了现有中药合成的方法,阐述了合成生物学对中药活性成分合成的促进作用。