系统发育信息学及网络资源

系统发育信息学是近年来形成的新的学科方向,是系统学研究领域的一个新兴生长点。系统发育信息学是存贮、管理、注释、开发和加工系统树及其相关生物学信息的交叉学科。它的方法是基于计算机和网络技术,包括大型系统树及其相关生物学数据库的建立,系统树数据库网络的构架,系统树的可视化显示,小系统树的联合与超树的建立、用户查询、搜索和下载等,最终目的是要建立一个囊括地球上所有生物的系统树及其相关信息的数据库,将各种生物在树上精确定位,并进一步通过对系统发育信息的查询、搜索、联合与分析,从中获取生命进化的知识和进行生物学的预测。目前可用的系统发育网络资源主要有CIPRes和系统发育软件(PhylogenyPrograms)网站,已建立的系统发育信息学数据库包括TreeBASE,TreeofLife,Species2000,NCBITaxonomy数据库等。     

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。     

源于甘草内生菌的甘草酸合成相关功能基因的宏基因组挖掘*

目的：甘草作为一种传统中药被广泛使用。甘草酸是甘草中的主要活性成分,为五环三萜类化合物,具有抗炎、抗病毒、肝保护等多种药理作用,而且近两年已被用于新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的临床治疗。随着代谢工程与合成生物学技术的发展,人们逐渐实现了甘草酸及其前体物的微生物合成。但由于植物基因与微生物底盘不适配等原因,已报道的生物合成法产量较低。近些年,研究者发现植物内生菌拥有丰富的功能特性,可作为植物活性产物合成的潜在资源,在代谢工程领域,具有重要的研究价值及巨大的市场应用前景。因此,拟对甘草内生菌群落进行深入研究,挖掘可用于甘草酸合成的微生物源功能基因。方法：从新疆塔城市额敏县采集了三年生乌拉尔甘草的主根样品,进行了内生菌群落的宏基因组测序,对数据进行了内生菌的群落结构及功能基因多样性分析,并通过功能基因注释与系统发育树分析,挖掘了可能参与甘草酸合成代谢的功能基因。结果：通过对群落结构进行丰度分析,发现甘草根部样品中的优势内生菌菌种为反硝化类固醇杆菌(Steroidobacter denitrificans)、苯丙酸杆菌(Phenylobacterium zucineum)、未分类苯基杆菌(unclassified Phenylobacterium)、苯基杆菌(Phenylobacterium sp.)等;通过COG数据库、KEGG数据库和CAZy数据库对其功能基因进行注释,发现在甘草内生菌中含有123个细胞色素P450(cytochrome P450,CYP450)及520个UDP-糖基转移酶(UGT)编码基因。结论：首次利用宏基因组测序与分析方法来了解乌拉尔甘草内生菌群落结构与功能基因组成,并证明了甘草内生群落中含有丰富的细胞色素P450及UGT编码基因,为后续全面、深入研究甘草内生菌的生物学功能,以及它们如何转变为甘草酸生物合成资源,奠定了理论基础。     

卡奇霉素产生菌棘孢小单胞菌ATCC 15837的全基因组测序及序列分析

棘孢小单胞菌(Micromonospora echinospora) ATCC 15837是一种高GC含量的革兰氏阳性稀有放线菌,能够合成烯二炔类抗肿瘤抗生素卡奇霉素(calicheamicin, CLM)。目前,还没有相关研究报道棘孢小单胞菌ATCC 15837的全基因组序列,这限制了其代谢产物合成途径和比较基因组学等研究。本研究首次通过高通量测序技术对棘孢小单胞菌ATCC 15837进行全基因组测序,使用相关生物信息学软件对数据进行组装和注释等分析。使用Velvet软件进行组装拼接得到77个Contigs,GC含量为72.36%,基因组大小约为7.69 Mb。序列已提交至美国国立生物技术信息中心(NCBI)的GenBank数据库(登录号为NGNT00000000)。本研究首次报道了一株烯二炔类抗肿瘤抗生素卡奇霉素产生菌棘孢小单胞菌ATCC 15837的全基因组序列,分析了基因组基本特征,预测了该菌株的次级代谢产物生物合成基因簇,为后续的进一步代谢调控与合成生物学提供了理论基础。     

浅谈异构生物信息数据库的整合

近年来世界范围内展开了HGP即人类基因组计划,由此出现了大量生物学数据,如蛋白质数据、RNA、DNA等,为了便于研究的展开,便于科学家进行数据查询,这些数据需经过有效的处理与整合,然后纳入到生物信息数据库中。数据异构是生物数据分析与处理中需要解决的主要问题之一,文中将对生物信息资源利用面临的问题进行探究,并对以XML为基础的异构生物信息数据库整合模式进行分析。     

质谱数据库查询软件的应用与评价

最近的蛋白质组学研究进展表明以质谱为核心的蛋白质组学在分子生物学,细胞生物学乃至将来的系统生物学中都扮演着一个举足轻重的角色。毫无疑问,在质谱鉴定过程中,质谱仪本身的精度对实验结果有着至关重要的作用;除此之外,质谱结果数据库查询软件的准确性直接影响了查询结果的准确性。本文就目前常用的质谱数据库查询软件的工作原理,统计结果评价等方面做一简要综述。     

工程菌种自动化高通量编辑与筛选研究进展

合成生物学(synthetic biology)与经典生物学研究的革命性区别之一是合成生物学能将生物实验的对象、方法、技术和流程高度标准化和模块化,创建出自动化与高通量的合成生物铸造模式。该模式通过复杂生物过程与自动化设施的结合,颠覆过往劳动密集型的研究范式,获得更高的技术迭代能力,极大促进了合成生物学的发展和产业化应用。值此天津工业生物技术研究所创立10周年之际,本文回顾了研究所在工业菌种自动化高通量编辑与筛选领域的系列重要工作进展,对基因克隆(gene cloning)、基因组编辑(genome editing)、编辑序列设计(editing sequence design)等生物技术的自动化实现,以及流式细胞、液滴微流控、全基因组规模扰动测序等高通量筛选技术进行了分析讨论,并展望了本领域未来的发展方向。望借此为创建具有自主知识产权的优秀菌种及其产业应用提供智能化、自动化和全链条覆盖的整体支撑能力。     

《生物多样性公约》框架下合成生物学 谈判新进展及我国对策

合成生物学技术和产品因其广阔的应用前景和难以预知的生态风险, 受到各国的广泛关注。2014年10月在韩国平昌召开的《生物多样性公约》第十二次缔约方大会上, 合成生物学首次被作为正式议题进行讨论。本文梳理了《生物多样性公约》框架下合成生物学从提出到成为“新的与正在出现的议题”的过程, 分析了《生物多样性公约》在该议题上对缔约国的最新要求, 以及我国合成生物学技术发展和风险评估现状。当前我国合成生物学研究处于起步阶段,近年来的科研投入不断增大,但距离成熟的商业化仍有相当距离。我国对相关技术风险评估能力欠缺,且尚未明确负责其生物安全管理的主管部门。本文提出了以严控风险、适度鼓励研究开发和要求发达国家提供更多技术支持的谈判对策, 以及明确合成生物学安全风险管理的政府主管部门、通过技术开发以推动风险评估、构建国家合成生物学数据库和建立专业风险评估团队等履约建议。     

基于Web of Science的合成生物学文献计量分析

合成生物学是一个新兴的交叉学科,近年来得到了广泛关注。本文以1992-2012年期间Web of Science数据库收录的5012篇与合成生物学相关的论文为研究对象,进行年代分布、地域分布、机构分布、研究热点等方面的计量分析,以探究合成生物领域的研究实力分布、研究热点与发展动态。通过文献计量分析发现合成生物学领域近十年来发展迅猛,美国等发达国家占据主动。我国在该领域的论文产出数量可观,但学术影响力有待提高。研究的热点主要集中在基因调控网络构建、基因基因组合成、功能回路设计等方面。     

非常规酵母的分子遗传学及合成生物学研究进展

先进的合成生物学技术与传统的分子遗传学技术的结合更有助于实现酵母底盘细胞的快速改造和优化。酵母合成生物学研究最早开始于常规酵母——酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae),近些年来又迅速扩展至一些非常规酵母,包括巴斯德毕赤酵母(Pichiapastoris)、解脂耶氏酵母(Yarrowialipolytica)、乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)和多形汉逊酵母(Hansenula polymorpha)等。借助合成生物学技术与工具,目前科学家们已经成功开发出了能够高效生产生物材料、生物燃料、生物基化学品、蛋白质制剂、食品添加剂和药物等工业产品的重组非常规酵母工程菌株。本文系统总结了合成生物学工具(主要是基因组编辑工具)、合成生物学组件(主要是启动子和终止子)和相关分子遗传学方法在上述非常规酵母系统(底盘细胞)中的最新研究进展和应用情况,并讨论了其他合成生物学技术在这些非常规酵母表达系统中的潜在适用性和应用前景。这为研究人员利用合成生物学方法在这一新型非模式微生物底盘细胞中设计和构建各种高附加值工业产品的异源合成模块并最终实现目标化合物的高效生物合成提供了科学的理论指导。     

Pictures of Synthetic Biology

This article is concerned with the representation of Synthetic Biology in the media and by biotechnology experts. An analysis was made of German-language media articles published between 2004 and 2008, and interviews with biotechnology-experts at the Synthetic Biology conference SB 3.0 in Zurich 2007. The results have been reflected in terms of the definition of Synthetic Biology, applications of Synthetic Biology and the perspectives of opportunities and risks. In the media, Synthetic Biology is represented as a new scientific field of biology with an engineering-like thinking, while the scientists interviewed mostly define Synthetic Biology as contrary to nature and the natural system. Media articles present Synthetic Biology broadly with positive potential and inform the publics less about the potential risks than about the benefits of Synthetic Biology. In contrast, the experts interviewed reflect more on the risks than the opportunities of Synthetic Biology. Both used metaphors to describe Synthetic Biology and its aspects.     

SynBioSS: the synthetic biology modeling suite

SynBioSS (Synthetic Biology Software Suite) is a suite of software for the modeling and simulation of synthetic genetic constructs. SynBioSS utilizes the registry of standard biological parts, a database of kinetic parameters, and both graphical and command-line interfaces to multiscale simulation algorithms. AVAILABILITY: SynBioSS is available under the GNU General Public License at http://synbioss.sourceforge.net.     

Communicating Synthetic Biology: from the lab via the media to the broader public

We present insights from a study on communicating Synthetic Biology conducted in 2008. Scientists were invited to write press releases on their work; the resulting texts were passed on to four journalists from major Austrian newspapers and magazines. The journalists in turn wrote articles that were used as stimulus material for eight group discussions with select members of the Austrian public. The results show that, from the lab via the media to the general public, communication is characterized by two important tendencies: first, communication becomes increasingly focused on concrete applications of Synthetic Biology; and second, biotechnology represents an important benchmark against which Synthetic Biology is being evaluated.     

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...     

合成生物学与国际遗传工程机器大赛对培养大学生双创思维与能力的影响

合成生物学是21世纪前沿交叉学科,是现代生物学最具发展空间的领域之一.随着合成生物学的迅速发展,国际基因工程机器大赛(International Genetically Engineered Machine,iGEM)应运而生.iGEM竞赛项目基于合成生物学学科基础,应用现代生物学技术手段,立足解决社区和身边的实际生物...     

Special focus: Synthetic biology

Special focus: Synthetic biology What is synthetic biology? SynBERC – The Synthetic Biology Engineering Research Center Ars Synthetica iGEM – The International Genetically Engineered Machine competition Some synthetic biology companies Paper watch: Synthetic biology Building blocks for novel functions Knowledge-making distinctions in synthetic biology Scaffold design and manufacturing: From concept to clinic Peptidomimetics – a versatile route to biologically active compounds Metabolic engineering of E. coli E. coli needs safety valves Systems-level metabolic engineering Mammalian synthetic biology Chemical aspects of synthetic biology Synthesis of DNA fragments in yeast Synthetic biology and patentable subject matter Patenting artificial life? Metabolic effects of synthetic rewiring Engineering for biofuels Regulatory elements for synthetic biology Book highlight Systems Biology and Synthetic Biology     

Synthetic biology: challenges ahead

This expanding scientific discipline is proving extremely popularand is attracting engineering and system design experts to thefield of Biology. As Bioinformatics and Computational Biology will be essentialcomponents of new technical and scientific developments, itis vital to follow the discussion generated by the recent ESFExploratory Workshop (October 13–16, 2005, Constructingand de-constructing Life, Magalia, Spain) and the 2005 reportof the NEST High-Level Expert Group on Synthetic Biology: ApplyingEngineering to Biology http://www.eurosfaire.prd.fr/nest/documents/pdf/NEST_syntheticbiology_b5_eur21796_en.pdf) Synthetic Biology stands at the meeting-point of two cultures.The first, represented by those interested in ‘deconstructing     

合成生物学应用产品开发现状与趋势

目的：从产品开发角度分析全球合成生物学发展现状和趋势。方法：在伍德罗·威尔逊国际学者中心的合成生物学产品和应用清单（synthetic biology products and applications inventory）的数据基础上,对全球合成生物学产品的开发状态、市场应用和发展前景等进行补充检索和分析。结果：至2015年,全球至少已有81家企业（或研究机构）的116种合成生物学产品得到了市场应用开发,主要开发者为美国企业（或研究机构）,产品主要集中于化学和医药领域。结论：合成生物学实现了从生物学分析向生物学合成的范式转移,其产品开发将给一系列的行业带来深刻的变革。