The emerging age of cell-free synthetic biology

The engineering of and mastery over biological parts has catalyzed the emergence of synthetic biology. This field has grown exponentially in the past decade. As increasingly more applications of synthetic biology are pursued, more challenges are encountered, such as delivering genetic material into cells and optimizing genetic circuits in vivo. An in vitro or cell-free approach to synthetic biology simplifies and avoids many of the pitfalls of in vivo synthetic biology. In this review, we describe some of the innate features that make cell-free systems compelling platforms for synthetic biology and discuss emerging improvements of cell-free technologies. We also select and highlight recent and emerging applications of cell-free synthetic biology.     

2013合成生物学专刊序言

合成生物学目前在全球得到迅猛发展。在此专刊中,综述了一些相关技术在合成生物学领域的进展,其中有:链霉菌无痕敲除方法、基因合成技术、DNA组装新方法、最小化基因组的方法及分析、合成生物系统的组合优化。也讨论了应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘、产溶剂梭菌分子遗传操作技术、蛋白质预算(Protein budget)作为合成生物学的成本标尺。最后,用几个例子说明了合成生物学的应用,包括复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建、微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品以及构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇。     

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。     

Insect conservation and pest management

The issue of insect conservation in pest management has many conflicting aspects. For instance, it is desirable to conserve a pest residue in order to maintain natural enemy population and it is imperative to conserve natural enemies. However, conservation of pest species is not relevant if the pest species is an exotic invader and a candidate for eradication, mainly because eradication, if successful, achieves only regional extinction. Conservation of native pests depends, to a large extent, on whether the species is a direct pest of a high value crop or an indirect pest with an acceptable economic injury level. In this paper, integrated pest management is defined in terms of sustainable agriculture and the conservation of biodiversity, and give five premises that stress the level of disturbance of agricultural communities and the dynamics of pest status for arthropod species in the community. The possible impacts of the main integrated pest management tactics on arthropod conservation are tabulated and the results reached stress that diversification of agricultural systems through maximum use of native plants should benefit both integrated pest management and regional arthropod conservation.     

我国农业害虫综合防治研究现状与展望

害虫综合防治作为农业生产的一项重要策略,在农业可持续发展中具有举足轻重的作用。近年来,针对我国害虫防治所存在的技术需求,科技部等部门先后通过973计划、863计划、科技支撑计划和农业行业专项等对重要害虫防治研究立项支持。通过这些项目的实施,我国建成了一支由国家和省级科研单位和大学组成的专业科研队伍和研究平台,对害虫监测预警技术、基于生物多样性保护利用的生态调控技术、害虫生物防治技术、化学防治技术、抗虫转基因作物利用技术等方面的研究取得了一系列的重要进展,研究建立了棉花、水稻、玉米、小麦和蔬菜等作物重要害虫的综合防治技术体系,并在农业生产中发挥了重要作用。以基因工程和信息技术为代表的第二次农业技术革命的到来,推动了害虫综合防治的理论发展,为害虫综合防治技术的广泛应用提供了新的机遇。地理信息系统、全球定位系统等信息技术和计算机网络技术的应用,提高了对害虫种群监测和预警的能力和水平,转基因抗虫作物的商业化种植等技术的应用显著增强了对害虫种群的区域性调控效率。针对产业结构调整和全球气候变化所带来的害虫新问题,进一步发展IPM新理论与新技术将成为我国农业昆虫学研究的重要方向之一。     

匹诺塞林合成生物学研究进展

匹诺塞林是一种广泛存在于植物中的黄酮类化合物,具有很好的生物活性,如神经保护、抗菌、抗氧化等。2009年,匹诺塞林被CFDA批准为Ⅰ类注射新药,主要用于治疗急性脑卒中,现已经进入Ⅱ期临床试验阶段。匹诺塞林的良好成药性使其合成方法备受关注。匹诺塞林可以通过化学合成、植物提取和合成生物学技术制备。合成生物学技术是一种环境友好的工程化生物技术,代表未来匹诺塞林的合成发展方向。文中总结了利用合成生物学技术制备匹诺塞林的研究现状,并从选择酶的物种来源、提高丙二酰Co A含量、选择经济的底物及减弱中间产物的抑制作用等角度系统地总结了提高微生物合成匹诺塞林的策略。     

Standardization in synthetic biology: an engineering discipline coming of age

Background: Leaping DNA read-and-write technologies, and extensive automation and miniaturization are radically transforming the field of biological experimentation by providing the tools that enable the cost-effective high-throughput required to address the enormous complexity of biological systems. However, standardization of the synthetic biology workflow has not kept abreast with dwindling technical and resource constraints, leading, for example, to the collection of multi-level and multi-omics large data sets that end up disconnected or remain under- or even unexploited.

Purpose: In this contribution, we critically evaluate the various efforts, and the (limited) success thereof, in order to introduce standards for defining, designing, assembling, characterizing, and sharing synthetic biology parts. The causes for this success or the lack thereof, as well as possible solutions to overcome these, are discussed.

Conclusion: Akin to other engineering disciplines, extensive standardization will undoubtedly speed-up and reduce the cost of bioprocess development. In this respect, further implementation of synthetic biology standards will be crucial for the field in order to redeem its promise, i.e. to enable predictable forward engineering.     

昆虫化学信息物质及其在害虫综合治理上的应用

本文阐述了昆虫化学信息物质的定义和分类,昆虫的化学通讯原理,以及利用化学信息物质在害虫综合治理上的应用。     

哺乳动物合成生物学在生物医学领域的研究进展

虽然合成生物学还处于早期研究阶段,但最近十年,该领域取得了非常显著的研究进展。合成生物学是以工程学思想为基础,通过人工设计、改造基因线路,从而赋予细胞或生物体新的功能,现已广泛应用于各个领域。随着人们对基因线路设计的深入研究,使得合成生物学研究走向临床应用成为可能。本文将围绕哺乳动物合成生物学在疾病治疗方面的研究进展,介绍基因线路的设计思路和方法、不同诱导因子调控的开环式基因线路以及用于疾病诊疗的闭环式基因环路在生物医学领域的应用。最后对合成生物学走向临床治疗的应用前景和挑战进行展望。     

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。     

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。     

合成生物学技术在材料科学中的应用

材料是人类赖以生存与发展的物质基础,科技和社会的进步都离不开材料技术的发展,未来先进材料的合成和制备必然朝着绿色可持续、低耗高产出、精细可调控、高效多功能的方向发展。以"基因调控·工程设计"为核心的合成生物学技术从分子、细胞层面极大地推动了生命科学的发展,也已经并继续为材料科学的发展注入新的思路和活力。本文将围绕合成生物学技术在材料科学中的应用,以基因回路设计为核心,概念应用为线索,重点介绍合成生物学技术在高分子生物材料和无机纳米材料领域的开发和生产,细胞展示和蛋白定向进化战略对分子材料的筛选和优化,"活体"功能材料、工程菌调节的人工光合系统功能材料体系以及基因回路在材料科学中的应用。     

昆虫生态地理学与入侵危险性害虫控制

昆虫的起源、地质变动、气候、生态环境以及人类活动对昆虫的分布有极其重要的影响．昆虫生态地理学是从种的生态学来阐明昆虫地理分布的规律性的科学,它是害虫检疫的重要基础,在入侵危险性害虫种的鉴定、适生性分析和控制策略特别是生物防治策略的制定等方面有广泛的应用     

利用合成生物学原理提高光合作用效率的研究进展

我国人口增多与耕地面积减少的矛盾日益突出,粮食安全已成为我国国民经济可持续发展的重要保障。光合作用是作物产量形成的物质基础,提高作物光能利用效率是提高作物产量的重要途径之一。本文从光合作用过程中光能高效吸收、传递与转化,光能高效利用和碳同化等三大模块综述了近期科学家利用合成生物学对光合作用改造的最新进展。最后我们对其在农业中的应用前景进行了展望,通过合成生物学原理提高光合作用效率可能将为增加粮食产量提供重要理论支撑和关键生物技术。     

合成功能菌群的构建及其工程化应用

自然界中存在着大量的天然微生物群落,不同种群的微生物通过通信及分工拓展了单菌的性能边界,降低了整体的代谢负担并增加了对环境的适应性。合成生物学依据工程设计原理构建或改造基本功能元件、基因线路和底盘细胞,从而对生命的运行过程进行具有目的性的重新编程,获得丰富及可控的生物学功能。将这种工程设计的原理引入菌群,获得结构明确及功能可调的合成群落,可以为合成功能菌群的理论研究到应用提供思路及方法。本文回顾了近年来合成功能菌群领域的相关工作,对合成功能菌群的设计原则、构建方法以及应用进行详细介绍,并对未来的发展进行了展望。     

The simulation approach in synthetic biology

Synthetic biology and systems biology are often highlighted as antagonistic strategies for dealing with the overwhelming complexity of biology (engineering versus understanding; tinkering in the lab versus modelling in the computer). However, a closer view of contemporary engineering methods (inextricably interwoven with mathematical modelling and simulation) and of the situation in biology (inextricably confronted with the intrinsic complexity of biomolecular environments) demonstrates that tinkering in the lab is increasingly supported by rational design methods. In other words: Synthetic biology and systems biology are merged by the use of computational techniques. These computational techniques are needed because the intrinsic complexity of biomolecular environments (stochasticity, non-linearities, system-level organization, evolution, independence, etc.) require advanced concepts of bio bricks and devices. A philosophical investigation of the history and nature of bio parts and devices reveals that these objects are imitating generic objects of engineering (switches, gates, oscillators, sensors, etc.), but the well-known design principles of generic objects are not sufficient for complex environments like cells. Therefore, the rational design methods have to be used to create more advanced generic objects, which are not only generic in their use, but also adaptive in their behavior. Case studies will show how simulation-based rational design methods are used to identify adequate parameters for synthesized designs (stability analyses), to improve lab experiments by ‘looking through noise’ (estimation of hidden variables and parameters), and to replace laborious and time-consuming post hoc tweaking in the lab by in-silico guidance (in-silico variation of bio brick properties). The overall aim of these developments, as will be argued in the discussion, is to achieve adaptive-generic instrumentality for bio parts and devices and thus increasingly merging systems and synthetic biology.     

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。     

合成生物学中的DNA组装技术

合成生物学旨在应用工程学的研究思路及手段去设计或改造生物系统,是一个综合了科学与工程的拥有发展潜力的新兴学科,在生物医药、农业、能源、环保等方面发挥着巨大作用。DNA组装技术是合成生物学中的关键技术,也是合成生物学快速发展的限制性技术。综述了众多DNA组装技术的发展及其在合成生物学研究中的意义和应用。