合成生物学方法构建电活性大肠杆菌

电活性微生物具有独特的在细胞内外环境之间传递电子的能力。在对天然电活性微生物电子传递机制充分研究的基础上,通过合成生物学方法异源构建天然电活性微生物电子传递结构基础也可以将遗传背景清晰的非电活性大肠杆菌改造为电活性微生物。构建获得的工程化电活性大肠杆菌可以直接应用于微生物燃料电池和生物传感器等领域,同时也可以作为底盘细胞整合相应的目标产物合成通路实现电能驱动的生物合成。本文以合成生物学方法构建电活性大肠杆菌为主题,详细阐述天然电活性微生物电子传递的机理及结构基础,总结了工程化电活性大肠杆菌的构建策略、成功案例以及应用领域,并对合成生物学方法构建电活性大肠杆菌未来的研究方向进行了展望。     

2021年“代谢生物学”专题征稿

代谢是生物体内所发生的用于维持生命活动的一系列有序化学反应的总称,是一切生命活动的核心和基础。从生物体利用的营养物质的不同可将代谢分为糖、脂以及氨基酸的代谢。从代谢通路的特点可分为合成简单小分子或将小分子继续合成生物大分子的合成代谢、将各类生物分子降解以产生能量的分解代谢以及清除生物体产生的有毒废物的清除代谢。不同营养物质以及代谢通路互相关联,构成了复杂的代谢网络。为报道代谢生物学领域取得的最新研究成果及发展动态,《生物技术通报》编辑部将组织出版“代谢生物学”专题,欢迎相关领域的专家学者为本刊撰稿,展示代谢生物学研究的最新发展趋势。     

化学生态学在海洋污损生物防除中的应用

在海洋环境中,许多海洋生物都能产生对环境无危害的、具有防污活性的次生代谢产物以保护自身的洁净,利于自身的生存.用化学生态学的方法从海洋生物中提取天然防除物质成为近年来解决海洋污损生物问题的新思路,其目标是寻找高效无毒的防污材料取代原有的对海洋环境有严重危害的化学合成防污材料.虽然目前对提取生物的次生代谢产物的防污机理还所知甚少,但不少从海洋生物中获得的天然产物已显示出良好的防污活性.要解决污损生物防污问题,还需对天然产物的作用机制、生态学效应、天然产物与涂料的结合、控制和释放及野外实验进行更加深入的研究与探讨.     

微藻源生物刺激剂的制备及在设施农业中的应用

化肥和农药的过量使用导致的农业面源污染已经成为我国环境污染的重要组成部分,对农业绿色高效安全生产及设施农业带来了巨大挑战。寻找新型的传统化肥替代品、提高化肥使用效率及保护生态环境是亟待解决的重大问题。生物刺激剂是具有调控植物生长作用的成分和(或)微生物的统称,用于农业生产,可改善土壤理化性质与群落微生物,能促进作物的代谢与生长,增强对营养物质的吸收和利用,提升作物抗逆能力及提高作物产量与产品品质。微藻体内具有结构新颖、功能独特的天然活性物质,是制备新型生物刺激剂的理想来源。微藻用于环境治理的同时,可获得足量的微藻生物质来制备生物刺激剂,从而达到治理环境、降低成本及提质增效的目的。就微藻源生物刺激剂的定义及功能、微藻全细胞和天然活性物质生物刺激剂的制备、应用效果及对植物和土壤的作用原理进行综述,以期为微藻源强效生物刺激剂的规模化制备及农业生产应用奠定理论基础和提供生产实践指导。     

天然水体中两种主要异嗅物质的来源及迁移转化研究进展

近年来,水中嗅味问题逐渐引起关注。研究发现,天然水体中异嗅物质主要是微生物和藻类的挥发性次级代谢产物。总结了天然水体中常见的两种异嗅物质土臭素(GSM)和二甲基异莰醇(MIB)的来源及其在生物体内的合成途径。介绍了异嗅物质通过吸附、挥发、光解、生物降解等一系列作用在饮用水水源中的迁移转化以及其进入水体生物的途径。     

不同品种桂花转录组分析及桂花精油成分差异的初步探讨

为丰富桂花转录组数据信息,阐明不同品种桂花精油合成的分子差异,本研究选择三种不同品种桂花,通过Illumina Hiseq2000平台测序,总计产出14.4G数据,三个品种的桂花样品共获得70029个Unigene序列,平均长度762 nt,N50达到1183 nt。通过Unigene的表达差异分析与通路富集分析,发现与桂花精油物质合成途径有关的差异基因主要注释在二萜合成、萜类骨干化合物合成、单萜合成、倍半萜与三萜合成、苯丙烷类合成、苯丙酸类代谢、亚麻酸代谢以及亚油酸代谢8个通路中。而三种桂花差异基因均显著富集的通路则注释在苯丙烷类合成、苯丙酸类代谢、二萜合成以及萜类骨干化合物合成通路,共获得650个编码精油物质合成途径中54个差异酶的差异基因。本研究建立了以金球桂、白洁和日香桂为代表的桂花转录组数据库。通过转录组分析,确定了不同品种桂花精油物质合成差异的表达途径,初步分析了转录组数据库中与精油物质合成途径相关的差异基因。本研究将为桂花精油成分代谢调控及体外表达提供依据。     

氟化天然产物生物合成的研究进展

氟元素是一种具有特殊性质的卤素,含氟有机物可广泛应用于生物有机化学、药物化学和生物材料科学等领域。尽管C-F键的合成方法有所创新,但将氟元素掺入到结构复杂的生物活性分子中的方法较少,因此选择性的氟化仍极具挑战性。本文从自然界中氟化天然产物及氟化酶的发现、氟化天然产物的合成通路、氟化天然产物合成机制的意义、氟化酶的进化及氟化物的合成、氟化酶和氟化物的应用等方面进行综述,希望可以为氟化物的生物法合成领域提供信息参考,推进氟化物生物法合成的工业化进程。     

天然植物次生代谢产物的提取

尽管化学合成给人类提供了大量不同物质以满足生活,我们仍然不能有效地制造一些化合物,尤其是一些具有生物活性的天然植物次生代谢产物,它们的活性功能是合成产物无法替代的。这样,人们便转向从自然界的植物材料直接获得抑制剂、杀虫剂、油和芳香物等物质（表１）,为...     

微生物来源天然产物中的β-甲基色氨酸单元及其生物合成研究进展

微生物在次级代谢过程中通常会产生结构复杂、活性多样的天然产物。这些天然产物是新药发展的基础,亦可作为先导化合物或重要的药效基团用于药物研发。结构多样的氨基酸单元是参与合成复杂多样天然产物的重要前体。天然产物中的β-甲基氨基酸单元不仅可以赋予其生物活性,还能增强其生物稳定性而不被肽酶水解。本文综述了含有β-甲基氨基酸单元的天然产物,尤其对含有β-甲基色氨酸单元的天然产物生物合成途径进行了阐释。对β-甲基色氨酸单元生物合成途径的理解结合基因组数据有助于进行新结构天然产物的挖掘,并为运用代谢科学理念和合成生物学技术开发含有该单元的新化合物提供理论基础和可操作遗传元件。     

一碳代谢路径通路在癌症发生中作用研究进展

我国癌症发病群体不断年轻化,发病率不断增加。最近科学研究表明,细胞代谢相关调控基因已成为新的癌症诊断标记和治疗靶点。一碳代谢对于细胞代谢必不可少,一碳代谢需要叶酸、丝氨酸和蛋氨酸等细胞必需的生物代谢物质参与,同时也产生嘌呤、腺苷和胸苷酸等生物代谢物质。一碳代谢包括三类关键反应:叶酸循环、蛋氨酸循环、反硫化途径。在叶酸循环中,叶酸及叶酸循环中间产物可以通过产生嘌呤和胸苷酸调控癌症细胞的生长和增殖。在蛋氨酸循环中产生的多胺和甲基等中间产物也能调控癌症细胞的生长和增值。反硫化途径是谷胱甘肽合成的重要途径,谷胱甘肽能够生成与肿瘤细胞密切相关的活性氧。该研究将简要综述一碳代谢在癌症发生中的作用,概况了近年来一碳代谢通路重要因子及中间产物作为靶点对癌症治疗的意义。     

活体生物药的应用及在遗传性代谢缺陷病治疗中的展望

活体生物药(live biotherapeutic products,LBPs)是指来自于人体肠道内或自然界中能够治疗人类疾病的活性菌。但天然筛选的活菌存在治疗效果不明显、差异性较大等缺点,难以满足个性化诊疗的需要。近年来,随着合成生物学的发展,研究者利用生命科学及工程科学手段,设计并构建了若干可响应外界复杂环境信号的工程菌株,加快了活体生物药的研发和应用过程。遗传性代谢缺陷病(inherited metabolic disease)是因体内某些酶的遗传缺陷致使体内相应的代谢物不能正常代谢而引发一系列临床症状的一类疾病,因此利用合成生物学技术,针对特定缺陷的酶设计重组活体生物药,未来有希望用于遗传性代谢缺陷病的治疗。本综述以活体生物药为切入点,并结合国内外文献综述,来探讨活体生物药在疾病治疗中的应用,以及对遗传性代谢缺陷病治疗的潜力。     

灵芝:一种研究天然药物合成的模式真菌

模式生物在生命科学研究中发挥着核心作用,缺乏成熟的药用模式生物研究体系已成为阻碍天然药物生物合成研究发展的重要瓶颈.灵芝是目前研究最深入的药用生物之一,具有模式生物的鲜明特征:世代短、子代多、基因组小、培养条件简单、可进行遗传转化、对人体和环境无害等.灵芝多元化的次生代谢途径使其成为研究天然药物生物合成及其调控的理想模式生物.近期,全基因组序列的测定完成为灵芝成为模式生物奠定了坚实的基础.作为药用模式真菌,灵芝将在次生代谢产物多样性研究、药用真菌发育生物学及天然药物合成生物学等领域发挥重要作用.同时,推广灵芝成为一种新的模式生物将有利于整合现代生命科学的前沿技术和研究策略,进而深入阐明次生代谢研究领域中具有普遍性的机制和规律,为建设高效可控的天然药物合成平台奠定基础.     

微生物来源天然产物中的β-甲基色氨酸单元及其生物合成研究进展

微生物在次级代谢过程中通常会产生结构复杂、活性多样的天然产物。这些天然产物是新药发展的基础,亦可作为先导化合物或重要的药效基团用于药物研发。结构多样的氨基酸单元是参与合成复杂多样天然产物的重要前体。天然产物中的β-甲基氨基酸单元不仅可以赋予其生物活性,还能增强其生物稳定性而不被肽酶水解。本文综述了含有β-甲基氨基酸单元的天然产物,尤其对含有β-甲基色氨酸单元的天然产物生物合成途径进行了阐释。对β-甲基色氨酸单元生物合成途径的理解结合基因组数据有助于进行新结构天然产物的挖掘,并为运用代谢科学理念和合成生物学技术开发含有该单元的新化合物提供理论基础和可操作遗传元件。     

非核糖体肽的生物合成研究进展

非核糖体肽(nonribosomal peptide, NRP)是由多种微生物通过非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase, NRPS)等催化合成的一类小分子多肽类次级代谢产物,具有抗菌、抗肿瘤、免疫抑制等多种生物活性,是一类重要的微生物药物,具有很高的临床应用价值。从目前已发现的小分子多肽类天然药物出发,综述了该类物质的生物功能、合成组装机制以及近年来在工程改造方面的进展,并提出了未来研究发展方向,对进一步通过组合生物合成等方式高效合成更多种类的小分子多肽类活性物质具有借鉴意义。     

植物类中药材内生菌活性成分资源开发与利用

中药材内生菌通过产生多种生物活性物质,调控植物的次生代谢通路,诱导中药材生物活性成分的合成,是发现活性先导化合物的重要天然产物资源库。本文主要围绕内生菌及其代谢物的活性功能、受生态环境的影响、先导化合物的开发以及引入多重组学技术应用进行综述,并对内生菌天然产物的可持续发展进行了展望：通过代谢调控通路定向寻找目标药物并定位目标基因,建立内生菌菌库和基因库;通过基因编辑技术定点精准靶向修饰目的基因,随后激发细胞内源性的修复机制来实现基因定向改造;利用基因工程技术获得工程菌株,为新型天然产物的产业化奠定基础。本文旨在为中药材植物内生菌资源的开发与利用提供新思路。     

植物细胞悬浮培养中次生代谢产物积累的研究进展

我国是植物资源最丰富的国家之一。植物的活性成分主要为其次生代谢产物,并大多依赖于天然植物资源中直接提取获得。但由于自然环境的破坏、植物资源的过度开发及其栽培困难等原因,许多天然植物资源正在以惊人的速度消失。为了既能满足社会对植物次生代谢物的需求,又能合理开发利用自然植物资源和保护生态环境,悬浮细胞培养技术为生产药用植物活性成分提供了一条全新途径。但受目的产物含量低的限制,能用悬浮细胞培养技术生产的天然活性物质种类也十分有限。因此,进一步研究植物悬浮细胞培养合成活性成分的高产调控技术具有重要的意义。本文综述了近年来国内外应用悬浮细胞培养技术生产次生代谢产物及调控因素研究进展。     

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.     

云南红豆杉内生放线菌TAR11活性代谢产物的初步研究

目的：初步研究从云南红豆杉植株根部筛选到的一株抗植物病害的内生放线菌TAR11的活性代谢产物性质。方法：以枯草芽孢杆菌为指示菌、以抑菌活性为指标,测定TAR11发酵液的最小抑菌浓度;用不同温度、pH值处理,了解活性物质的稳定性;用有机溶剂对活性物质萃取和溶解,并用纸层析对活性物质进行初步分类。结果：TAR11发酵液抗菌物质的最小抑菌浓度为0．78％,对温度敏感,在酸性和中性条件下稳定,可被三氯甲烷萃取,能溶于水、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚。结论：低浓度的放线菌TAR11代谢产物能强烈抑制枯草芽孢杆菌活性,经纸层析实验初步鉴定为一类碱性抗生素。放线菌TAR11有望开发成为新一代生物药物。     

天然活性先导化合物生物转化研究进展

天然活性先导化合物生物转化是利用生物催化剂(如：酶、微生物、动植物细胞)将加入到生物反应系统中的天然活性先导化合物进行特异性的分子结构修饰以获得高效、低毒新化合物的方法。该方法可以有效地提高已知的天然活性先导化合物的活性、降低毒副作用、改善水溶性和生物利用度,也可以用来生产具有重要应用价值的微量天然活性先导化合物,同时可用于药物代谢机制的研究。国内外学者已经针对甾体、醌类、黄酮类、萜类等化合物开展了天然活性先导化合物生物转化研究,筛选出一批有重要应用价值的生物转化反应类型,但针对天然活性先导化合物生物转化的机制、生物转化过程工程以及生物转化产物活性等方面的研究较少。将现代生命科学技术(如：生物催化剂的定向改造、高通量筛选、组合生物转化、非水相生物转化)引入天然活性先导化合物生物转化研究中,必将推进天然活性先导化合物的快速发展。     

根边缘细胞缓解土荆芥淋溶途径化感作用对苦荞麦代谢扰动的机制

土荆芥(Chenopodium ambrosioides)可通过淋溶途径的化感作用抑制周围植物的种子萌发和幼苗生长,而根边缘细胞(Root border cells, RBCs)对此具有缓解效应。为探讨这一效应的分子机制,以苦荞麦(Fagopyrum tataricum)为研究对象,测定了在土荆芥水浸提液处理前及处理后,保留RBC组和移除RBC组根尖活性氧(ROS)、超氧阴离子(O^-₂)和丙二醛(MDA)含量以及抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)]活性的差异。再利用转录组测序分析上述处理对其代谢通路的影响,并进行qRT-PCR验证。结果表明：土荆芥水浸提液处理后,苦荞麦根尖ROS、O^-₂和MDA的含量以及抗氧化酶(POD和CAT)活性明显提高,且RBC移除组升高更多。通路分析表明,土荆芥水浸提液处理后,移除和保留RBCs组的苯丙素合成、α-亚麻酸代谢、类黄酮合成和谷胱甘肽代谢通路都显著发生改变。其中,苯丙素合成通路以抑制为主,且移除RBCs后受到抑制的程度...