光遗传学技术在调控细菌生命活动中的应用

光遗传学技术利用光作为输入信号,能够精准地调控细胞的生理功能,同时具有高度的时间和空间特异性,使得构建高度动态的调控系统成为可能.近年来,随着新型光敏蛋白的发现和光照系统的创新,基于光遗传学技术的光控系统的效率得到了显著提高.通过合成生物学方法构造各种生物回路,光控系统在细菌中的应用也日益广泛.将光控系统作为输入模块,...     

光遗传学工具的开发及其应用研究

细胞所处微环境的动态变化对细胞分化、细胞信号通路、个体生长以及疾病等有很大影响。光遗传学技术利用基因编码蛋白质表达并结合光控的手段为动态调控细胞信号通路、细胞定位和基因表达等方面提供了一种全新、无损、可逆、非侵入、时空特异性的研究手段。文中总结了光遗传学元件的类型以及涉及的细胞信号通路,并探讨了光控细胞信号通路的应用与未来发展前景。     

光控基因表达系统

基因表达是生命的最本质特征之一,基因表达的调控对于研究生物体的各种生命现象具有至关重要的意义。长期以来,科学家们一直在追求可以在时间、空间上调控基因表达的技术。光遗传学的出现与快速发展已经允许人们以前所未有的时空精度调控基因表达。该文将介绍光控基因表达系统的研究进展,以及它们在疾病治疗、代谢工程以及合成生物学领域的应用;同时,探讨光控基因表达系统未来在各种应用中的意义和挑战。     

光遗传学在细菌生产调控中的应用进展

合成生物学的发展使得人们可以根据需求对微生物进行改造,作为“工厂”高效地合成催化所需物质,并通过添加化学诱导物的方式对生命过程进行调控。然而,化学诱导的潜在毒性以及不可逆性等限制其应用。光遗传学技术利用特定波长的光信号实现对细胞生命过程的调控,具有特异性、可逆性、高时空分辨率等特点。近年来,人们对不同来源的光敏蛋白进行改造,开发出各种不同波长、不同效应的光遗传元件用于基因回路的构建,进而实现对细菌蛋白合成、代谢过程的调控。光遗传技术在人与细菌之间搭起了实时的信号沟通桥梁,实现更为精准的物质生产调控:(1)通过光控治疗因子的合成分泌进行药物递送;(2)通过代谢通路的控制提高目的产物的催化效率;(3)通过光诱导控制生物活材料的形成。随着探索的深入,更小体积、更多波长、更高效率的光遗传元件将被开发出来,实现多输入的细菌生命活动调控。     

光控诱导重组系统的开发与应用

位点特异性重组系统由重组酶和特异性识别位点两部分组成,是一种强大的基因操作工具,被广泛运用于生命科学研究。已开发的诱导型重组系统以时空方式精准调控细胞和动物的基因表达,被用于基因功能研究、细胞谱系示踪和疾病治疗等领域。根据诱导重组酶时空表达方式的不同,诱导型重组系统可分为化学诱导和光控诱导两种方式。光控诱导重组系统是利用光作为诱导剂,根据光控方式和对象的不同,可进一步分为光笼和光遗传学两类。光笼诱导重组系统是利用光敏基团来控制化学诱导剂或重组酶,光诱导前它们的活性被光敏基团抑制;在特定光照射后,它们的活性被恢复,进而实现光控诱导基因重组。光遗传学诱导重组系统是通过光遗传学开关介导分割型重组酶的重新激活来诱导基因重组。其中光遗传学开关由一系列基因编码的光敏蛋白组成,包括隐花色素、VIVID蛋白、光敏色素等。这些类型丰富的光控诱导重组系统为从高时空分辨率的维度解析基因的表达和功能提供了更多的工具,以满足日益复杂的生命科学研究需求。本文主要对不同类型光控诱导重组系统的开发原理及应用进行综述,比较其优缺点,最后对未来开发更多光控重组系统进行展望,旨在为系统优化升级提供理论基础和指导。     

基因编码型生物传感器在微生物细胞工厂中的应用进展

合成生物学的迅猛发展推动了微生物细胞工厂中多种复杂化学品的生物合成,但仍存在产量低、生产效率不高等诸多问题。基因编码型生物传感器可以感知细胞内外代谢物浓度及外界环境的波动,产生可测量的信号输出或调控通路中的基因表达水平,具有成本低、操作简单、可再生等优点。目前,基因编码型生物传感器已经成为合成生物学和代谢工程的重要组成部分,是微生物细胞工厂中代谢动态调控及理想表型进化/筛选的强大工具。概述了基因编码型生物传感器的组成及工作原理,重点介绍了基因编码型生物传感器在微生物代谢动态调控及高通量筛选中的最新研究进展,就基因编码型生物传感器设计与构建过程中面临的挑战进行探讨,并展望了其今后的发展方向。     

光遗传学技术用于调控细胞信号通路的研究

光遗传学技术结合蛋白的遗传学表达与激光的光控和成像,可实现对细胞内特定信号通路分子的快速激活与调控,在细胞生物学的研究中具有广阔的应用前景。至今为止,越来越多的光控元件被发现,它们具备不同的结构特征及光反应特性,极大的扩展了光遗传学技术的生物医学应用。该综述将对不同种类的光控元件及其应用于活细胞中信号通路调控的研究进行总结。     

光遗传学技术研究进展

光遗传学技术是结合遗传学和光学对生物体特定细胞实现精确光控的新兴生物技术。自基于微生物视蛋白的光遗传学策略应用以来,光遗传学在视蛋白的开发与优化,基于病毒和重组酶的遗传学定位表达以及光学传输技术等方面都取得了显著进展。光遗传学在现代神经生物学领域应用广泛,在神经环路、行为、中枢神经系统疾病、精神疾病的机理研究中发挥着重要作用。主要介绍光遗传学技术的发展历程,重点介绍光遗传学工具的优化以及定位表达,旨在为光遗传学及相关领域的研究发展提供参考。     

植物的光受体及其调控机制的研究

近年来,通过对植物的分子遗传学研究,在植物光受体及其在光形态建成中对植物生长发育的调控机制方面取得了显著进展。从光受体及基因家族的概况,包括光敏色素、隐花色素、向光素的基本结构、分子特征、基因和信号转导等,介绍了光受体在光控发育调节机制方面的研究进展情况。     

合成生物学中动态代谢途径调控策略的研究进展

随着合成生物学的发展,越来越多的天然高附加值化学品和大宗化学品可以通过在微生物底盘细胞中构建人工合成途径来进行生产。然而外源途径基因的不平衡表达以及有毒中间代谢产物的积累往往会影响宿主细胞的正常生长,这也是合成生物学研究中的一个共性难题。因此设计可控的基因表达系统,在特定时刻启动或者关闭人工合成途径,对于避免细胞生长和产物合成之间的相互干扰至关重要。重点介绍了最新的动态代谢调控策略及其在代谢途径调控中的应用,并对其发展趋势进行了展望。     

微生物细胞工厂的代谢调控

代谢调控是构建微生物细胞工厂的重要技术手段。随着合成生物学技术的不断突破,挖掘和人工设计的高质量调控元件大幅度提升了对细胞代谢网络的改造能力;代谢调控研究也已从单基因的静态调控发展到系统水平上的智能精确动态调控。文中简要综述了近30年来代谢途径表达调控技术在代谢工程领域的研究进展。     

基因自调控环路的功能

作为最简单且最典型的网络模块,基因自调控环路(其构成的反馈调控可以抑制或激活基因自身的表达)广泛存在于生物调控网络中,且是许多生物学功能的产生基础。虽然基因自调控环路很早以前便引起理论生物学家和实验生物学家的广泛关注,但随着对其生物学功能了解的日趋丰富,特别是当考虑细化的基因表达调控过程或更为真实的生物环境时,我们会发现其全新的生物学功能。揭示基因自调控环路的生物学功能是理解更复杂生物调控网络运行机制的基础,可对合成生物学的设计原理提供指导。文章综述了基因自调控模块的最新研究结果,特别讨论了其产生周期振动、双稳及其在信号处理等方面的潜能。     

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。     

合成生物学在环境修复中的应用

环境问题是21世纪人类面临的最严重的挑战。随着现代工农业飞速发展,生态环境日益恶化,难降解污染物如新兴污染物逐渐显现,已成为制约社会经济可持续发展的重要因素。微生物具有强大的环境修复能力,但是其进化速度远不及新兴污染物出现的速度,亟需应用合成生物学的技术来解决这一难题。在充分认识难降解有机污染物微生物降解(途径)特性的基础上,利用我国丰富的微生物与基因资源,运用合成生物学的手段,定向设计和改造现有降解菌株,构建能够降解一种或多种污染物的工程菌株;同时针对复合型污染,如废水等,在建立典型有机污染物代谢、调控和抗逆相关基因元件的模块库基础上,引入人工菌群等策略,对生物系统进行理性设计和组装,构建典型环境污染物的高效降解菌群,可有效促进我国新兴污染物微生物分解代谢的研究,为环境修复的工程应用提供技术支持。     

光遗传学

虽然＂光遗传学＂只是一种技术方法,但它在文献中正愈来愈多地被提到。光遗传学结合了重组DNA技术与光学技术,对细胞生物学的研究非常有用。它被广泛应用于活细胞内目标蛋白质的跟踪以及选择性地控制脑中某类细胞的特定的神经活动从而推动了神经科学研究的深入。近来光遗传学的应用扩展到了信号转导的研究,也开始有医学临床的应用的报道。进一步发展光遗传学无疑将推动合成生理学的研究。光遗传学被《自然-方法学》期刊评为2010年年度方法。     

动态调控:一种高效的细胞工厂工程化代谢改造策略

动态调控作为代谢工程优化中最有效的策略之一,通常包含输入信号发生器、生物传感器和执行机构3个部分。输入信号可以是细胞代谢物和环境条件变化,如化学分子、核糖核酸、温度、光信号等。而生物传感器是能够响应输入信号变化,并转化成特定信号输出的基因元件,其输出信号可以直接调控基因表达,也可以作为其他感应元件的输入。重点介绍了动态调控的基本原理及分类及其在微生物细胞工厂工程化改造中的应用实例,主要包括动态调控的优势和研究进展、动态调控系统的构建与表征,同时,也着重讨论了动态调控在细胞工厂改造中潜在的机遇与可能面临的挑战。     

分子系统生物学与细胞发生动力学

系统生物学采用系统理论和实验生物技术、计算机数学模型等方法整合研究动态生物系统网络.生物系统的结构理论和生物系统技术,研究基因组——生物体复杂系统与细胞分子网络系统的动态结构发生与进化,分析基因组的逻辑程序和人工设计原理.细胞信号传导、基因调控网络、代谢反应链和基因反馈调控的自组织化人工设计和基因、基因链、基因组人工合成等系统生物工程开发,可用于复杂疾病机理分析、药物分子筛选和转基因表达系统的生物反应器、纳米生物计算机等.     

群体感应系统在合成生物学中的应用*

群体感应(quorum sensing, QS)是一种广泛存在于多种微生物中的胞间通信系统,细菌产生的自诱导物随着种群密度的增加而积累,诱导细菌对种群密度的响应,调节生物膜的形成或特定基因的表达。近年来,随着群体感应系统原理与关键元件的逐渐清晰,应用合成生物学手段进行多技术联合以及多系统间正交性设计具有极大的发展潜力,群体感应系统已成为合成生物学家动态调控胞间通信常用的重要手段之一。在群体感应是细胞-细胞间通信系统的基础上,对多种群体感应系统的联合设计在生物基化学品生产中自动化调控的研究进展进行综述;并针对群体感应系统在生物电化学转化领域实现双向生物信息交流的应用进行总结;同时归纳了医学领域中群体感应系统的动态调控功能与多种疾病诊断及治疗结合的研究进展,讨论了群体感应系统在多细胞通信和实际应用等方面的发展前景。     

单分子实时测序及其在微生物表观遗传学中的应用

表观遗传学对于微生物的生命进程起着重要作用。由限制-修饰系统调控的DNA修饰参与微生物的免疫防御系统,无限制-修饰系统调控的DNA修饰通过调控基因表达影响表型。然而,表观遗传信息还没有被常规地作为DNA信息收集分析。基于对DNA合成反应的动力学分析,单分子实时测序技术可以在获得基本序列数据的同时实现对被修饰核苷酸的检测。这个技术为微生物中已知DNA修饰的研究提供了新的平台,也为新型DNA修饰的发现做好准备。本文综述了单分子实时测序技术及其在微生物表观遗传学中的应用。     

结合基因表达数据和ChIP-chip数据的酵母转录调控模块的识别

活细胞依赖其众多的转录调控模块来实现复杂的生物功能,识别转录调控模块对深入理解细胞的功能及其转录机制有着重要的意义。本文结合酵母基因表达数据和ChIP-chip数据,提出了一种转录调控模块识别算法。该算法通过采用不同的P值阈值分别得到了核心集和粗糙集,然后对核心集和粗糙集进行判别,最后对基因进行扩展之后得到基因转录调控模块。将该算法运用到两个酵母基因表达数据中,得到了一些具有显著生物学意义的基因转录调控模块。与其它算法相比,该算法不仅可以识别含有较多基因的转录调控模块,而且可以识别一些其它算法不能识别的基因转录调控模块。识别得到的基因转录调控模块有着不同的生物学功能,并且有助于进一步理解酵母的转录调控机制。