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合成生物学

合成生物学

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《合成生物学》（双月刊）是由化学工业出版社、中国生物工程学会及国投生物科技投资有限公司 共同主办，化学工业出版社出版的我国目前唯一专注于合成生物学领域的中文科技期刊，《合成生物学》 的前身是中国生物工程学会会刊《生物产业技术》，该刊自 2020 年第 1 期起更名为《合成生物学》，并 开始立卷。 2. 合成生物学是一门“汇聚”型新兴学科，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、改变未来的颠覆性技术，被国内科学家概括为“建物致知，建物致用”。本刊主要 刊载对合成生物学学科发展起指导作用的综述与专论，在合成生物学领域具有创造性的代表我国在这一方 面基础与应用研究水平的学术论文；扼要报道阶段性研究成果，兼及技术及产业等。同时从合成生物学的 安全与伦理、专利与产业、平台建设、投融资与经济、科技政策与法规等角度辐射合成生物学领域的发展 动态。。文章分类为：特约评述、综述与专论、研究论文、应用技术、Comment（亮点评论）、News and Views（新闻与观点）等。并按照工程生物学研究线路图（关键技术和应用领域）分为以下研究方向： 1. 基因合成和组装，DNA Synthesis and Assembly；2. 生物分子工程，Biomolecular Engineering； 3. 基因线路设计，Design of Gene Circuits；4. 宿主和菌群工程，Host and Community Engineering； 5. 合成生物系统构建与应用（包含的应用领域：工业，诊疗与医药，食品，农业，环境，能源，材料）， Construction and Application of Synthetic Biosystems（Industry，Therapy &Medicine，Food， Agriculture，Environment，Energy，Materials）；6. 机器学习（含数据科学�
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  • 发文量：70
  • 被引量：1
  • H指数：0
  • 开始收录时间：2006(1)
  • CNKI综合因子：0.0
  • 维普期刊影响因子： 1.45
  • 万方期刊影响因子：0.15
  • 创刊时间：2020
  • 国内刊号/CN：10-1687/Q
    国际刊号/ISSN：1674-0319
  • 发行周期：双月刊
    邮发代号：80-627
  • 主管单位：中国石油和化学工业联合会
    主办单位：合成生物学 代谢工程 题词 生物合成 细胞工厂 基因组 微生物 生物炼制 生物产业 创刊
合成生物学-联系信息
  • 主编：元英进
  • 电话：010-64519339/9336/9292
  • 邮箱：synbioj@126.com
  • 地址：北京市东城区青年湖南街13号
  • 邮编：100011
合成生物学-获奖情况
  • • 本刊荣获全国石油和化工行业优秀报刊一等奖
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合成生物学 >2023年第2期

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  • 摘要：细胞色素P450酶负责催化许多天然产物生物合成过程中的关键反应,是自然界中最具催化多样性的生物催化剂。还原伴侣蛋白对P450催化功能至关重要,在进化过程中两者之间通过融合或分离方式演化出多种不同的催化系统。还原伴侣与P450酶的适配性往往是造成P450酶功能重建失败或低效的关键因素,也能够影响和改变P450酶的催化功能和性质。不同还原伴侣与P450酶的组合与互作如何影响P450酶的催化功能、催化效率和产物分布是值得深入探究的科学问题。本研究以还原伴侣蛋白RhFRED和P450酶MycG为研究对象,通过构建不同的融合和分离蛋白组合,系统研究了还原伴侣与P450酶的适配和相互作用模式对P450酶催化功能的影响。将RhFRED两个结构功能域拆解为两个独立蛋白FMN和Fe_(2)S_(2),与P450酶MycG三者之间利用还原伴侣工程构建分离或融合型蛋白,通过体外生化反应探究不同组合方式下MycG对底物麦新米星M-Ⅳ催化功能以及电子传递效率的影响。在构建的20个还原伴侣与P450酶的“非天然”催化组合中,16个组合能够成功重建MycG的催化功能,其中12个组合中MycG能够催化产生3种氧化产物麦新米星M-Ⅰ、M-Ⅱ和M-Ⅴ以及1种脱甲基产物dMe-M-Ⅳ;4个组合仅产生氧化产物M-Ⅰ、M-Ⅱ和M-Ⅴ;剩余4个组合未检测到任何反应产物。通过模拟自然进化,系统研究了还原伴侣与P450酶构成的3种不同催化系统(单、双、三组分)以及单组分和双组分系统中不同的蛋白组织形式对MycG催化功能和性质的影响,结果表明不同还原伴侣系统和组合/组织方式能够通过蛋白-蛋白相互作用显著影响P450的催化功能、催化效率和催化性质。
  • 摘要：生物材料凭借其可再生、可降解及生物相容性好等诸多优点,在生物技术及生物医学应用领域备受关注。基于“自下而上”设计理念的无细胞表达系统,作为细胞合成体系的有益补充,大力加速了生物材料的开发生产及其应用范围,并成为了材料合成生物学发展的前沿。本文介绍了无细胞表达系统的独特优势,并列举了其用于生物材料可持续生产的策略、与材料结合后的创新设计、赋予材料功能化和智能化方法,以及通过加速设计-构建-测试(DBT)循环来促进新型生物材料开发的各项应用,而这些例证都充分表明无细胞策略在生物材料设计与合成中的创新优势。尽管无细胞表达系统用于生物材料合成仍然存在诸如成本、翻译后修饰较弱、亟需交叉领域合作等方面的挑战,但相信随着合成生物学的发展及多学科交叉研究的深入,无细胞表达系统将为新型生物材料研发及产业化提供强大的助力,并为共同解决全球环境问题、保护人类生命健康等方面作出不可忽视的贡献。
  • 摘要：随着环境污染日益加剧以及全球范围禁/限塑令出台,以聚羟基脂肪酸酯(PHA)为代表的生物基可降解塑料的生物制造看到了曙光。然而如何实现低成本、绿色低碳可持续的PHA生产仍然面临巨大挑战。采用合成生物学方法,创建合成PHA的微生物细胞工厂,将廉价碳源以及可再生原料高效转化为种类繁多和性能多样的PHA是解决所面临问题的重要途径。本文通过总结各种PHA单体的生物合成途径并分析了各途径的理论碳转化率,提出了提高共聚物单体产量的重要策略,即优先选择高碳转化率PHA单体的合成。同时本文汇总了当前在创建低碳生物合成途径及利用一碳化合物合成PHA的研究进展,为可降解塑料的低碳生物合成提供有效方法。最后,对合成生物学在PHA低碳生物制造领域的发展趋势进行了总结和展望。在未来,随着合成生物学及新技术的融合发展,绿色生物制造可以生产更多低成本高附加值的PHA,促进生物基塑料的产业化发展,从而更好地服务于全球绿色低碳文明。
  • 摘要：肿瘤疫苗是一种通过递送肿瘤抗原进而激活自身特异性抗肿瘤免疫的肿瘤免疫疗法。口服具有方便、简单和高效的优势。然而现有的口服肿瘤疫苗有限,并且局限于胃肠道肿瘤的治疗。这主要与缺乏先进的口服递送载体有关。本研究设计了一种酵母细胞膜包覆的益生菌应用于口服递送系统。其中,酵母细胞膜发挥益生菌和抗原保护以及肠道淋巴系统靶向的作用;益生菌发挥搭载抗原和免疫佐剂的作用。结果显示,与裸菌相比,酵母细胞膜包覆能提高益生菌的生物利用度,增强其在派氏结的富集,促进树突状细胞的活化和抗原递呈以及小鼠血浆中OVA-IgG水平。实验证明该系统能够保护益生菌和抗原免受胃肠道环境刺激并进一步向肠道淋巴系统递送抗原,激活抗肿瘤免疫。
  • 摘要：因具有广谱抗菌性和低耐药性,天然抗菌肽成为潜在的抗生素替代品之一,并有望解决长期困扰人类的耐药菌感染问题。除了抗细菌和真菌等微生物病原体,抗菌肽还具备抗癌、抗病毒、抗寄生虫和调节免疫等诸多作用,具有巨大的医学应用前景。本文介绍了抗菌肽的分布和抗性原理,重点归纳抗菌肽的生物合成方法,对比分析依托微生物表达系统的多种抗菌肽生物合成体系的利弊,并介绍合成生物学等新型交叉学科及手段在抗菌肽的设计策略,并总结了抗菌肽在消炎类药品、抗病毒药物、抗寄生虫药品、抗癌药物、医学组织工程、药物递送系统、皮肤护理与医疗美容七大医学领域的应用。同时,本文针对抗菌肽生物合成含量少、分离提取困难、成本高、稳定性差、生物安全不足等潜在问题,提出了潜在的解决方案,包括利用计算机预测与定向基因编辑技术创建新型抗菌肽,以提升其抗菌性能,降低生物毒性;完善抗菌肽生物合成的工业化体系,开发快速回收高纯度抗菌肽的策略;将抗菌肽与现有抗生素联合用药,预防传统抗生素的细菌耐药性;与新型生物材料结合,降低抗菌肽对体内其他组织器官的损伤等。
  • 摘要：生物活体功能材料是合成生物学和材料科学(特别是高分子科学)交叉的研究领域:合成生物学可以实现对生物体的重新编辑,材料科学则提供了材料构建的基本思想及对构效关系的全面理解。随着合成生物学和材料科学的不断发展、交叉和融合,各种响应性、程序化的生物活体功能材料不断涌现。中国科学院深圳先进技术研究院的戴卓君研究员和杜克大学的游凌冲教授团队借鉴高分子科学中互穿网络的概念,通过基因回路设计控制细胞的程序性凋亡,实现胞内反应性功能蛋白质的可控释放,促进原位的蛋白质聚合和固定反应,形成具有蛋白质与壳聚糖半互穿网络结构的微凝胶,既可保护固定于其中的微生物不受环境侵害,又可运用微生物应对环境扰动并影响环境,从而提供了一个模块化的生物活体功能材料平台,在生物医药等领域展现出广阔的应用前景。
  • 摘要：细胞培养肉是通过体外培养动物细胞后制造出来的肉类。相比传统畜肉类,其具有绿色可持续、营养可控、环境污染小等优势,是近年兴起的“科技食品”。但是,单纯依靠培养细胞得到的细胞培养肉并非真正意义上的肉,仅仅能被称为肉糜,其在外形、组织结构和口感上和传统肉类仍存在较大差距。近年,随着组织工程技术发展,生物材料在细胞培养肉生产中的应用也极大促进了该领域的发展,并为制造更接近真实肉类的细胞培养肉提供了有效途径。基于此,文章综述了细胞培养肉的优势和前景、细胞培养肉生产流程,重点总结了用于细胞培养肉生物材料的要求及分类、用于细胞培养肉的高分子材料、细胞培养肉用生物支架的工程化制备,并提出细胞培养肉未来发展的方向与挑战。旨在为细胞培养肉领域的技术发展提供参考。
  • 摘要：源自高性能生物结构蛋白的新一代材料体系在高技术领域具有广阔的应用前景。随着基因组装、定点突变和合成改造等合成生物学工具的发展,具有新特性的人工高性能蛋白及其多级材料体系获得了极大拓展。然而,目前在人工蛋白的高效生物合成、理性功能设计和跨尺度体外组装等方面仍面临严峻挑战。本文综述了利用合成生物学方法设计合成高性能蛋白材料的研究进展,强调了合成生物学技术在人工蛋白定向优化、结构改造和可编程材料组装等方面的作用,并突出了高性能蛋白及组装体在构建高强蛋白纤维和黏合材料领域的应用。最后,面向高性能蛋白材料理性设计和规模化制备的重大需求,对具有发展潜力的新型蛋白分子和技术平台进行了总结和展望,为今后该领域的应用基础研究提供了可借鉴的思路。
  • 摘要：随医学技术和认知水平的提高,骨组织缺损的治疗理念逐渐从组织移植向组织再生模式转变。三维(3D)多孔支架在骨组织工程研究中起着关键性的作用,是种子细胞在形成组织之前赖以生存的生物学载体,能为组织再生提供空间场所。本文针对基于丝素蛋白(SF)生物材料构建3D多孔支架的研究进展进行了总结和讨论。首先,概述了自然骨组织的多层次多孔结构特征;其次,总结了SF材料的组成和结构特征,及其卓越的生物相容性、力学性能和生物可降解性能等特性;随后,着重讨论了SF基3D骨组织修复多孔支架典型的制备技术,包括冷冻干燥法、粒子沥滤法、生物3D打印法、复合制造技术对3D支架多孔结构的控制能力,以及多孔结构对细胞生长行为和骨组织再生的影响;最后,对SF构建的骨组织修复支架所面临的挑战和发展前景进行了展望,强调了合成生物技术为解决SF基多孔支架应用于骨组织工程领域所存在的问题提供了有力的工具。
  • 摘要：2014年,利用工程化生物被膜大肠杆菌淀粉样蛋白纤维(curli)组装活材料工作的发表,正式拉开了活体功能材料这一新兴领域的序幕。截至目前,围绕活体材料主题,针对curli系统的编辑、组装、性能拓展以及应用等各个方向的相关研究层出不穷,也有一系列的综述对相关工作进行了详细的梳理,并对活体功能材料以及材料合成生物学新方向及新学科进行归纳及定义。然而,当研究人员试着去构建整幅活体材料领域发生及发展的拼图时,其中有一些关键信息缺失。在众多的生物体系中,为什么活体材料新方向会从生物被膜开启?另外,在生物被膜的繁杂组分中,是如何剥离出curli核心系统,并成为整个活体功能材料工程化的中心?围绕着这些疑问,本篇综述从生物被膜的软物质特性以及curli生物起源及调控的研究开始挖掘。从高分子物理及合成生物学的观点解读工程化生物被膜从体系选择、去粗取精、工程化设计、系统构建以及性能推广及优化中,由繁至简,再由简至繁的全过程。作者希望借这篇综述回顾工程化生物被膜curli从发掘到发展的历程,并进一步思考相关领域背后发展及推动的知识积累、设计思维以及发展理念,并期待这些思考将对未来活体材料研究的新体系与新范式带来启示、借鉴以及推动。
  • 摘要：干细胞因具有高效的自我更新能力和分化潜能而具有广泛的应用前景。随着对干细胞命运决定过程的研究不断深入,力信号作为在生物化学因子之外的又一重要影响因素渐渐走入研究者们的视野。对生长环境力学性质的影响效果和作用途径的研究对于深入理解干细胞分化选择的决定机制以及细胞内普遍存在的力学信号传导过程有着十分重要的意义。近年来,合成生物材料的发展极大拓宽了这一领域的研究手段,力学性能可控的合成材料使得条件设计和变量调节更加多元合理。其中,依托于基因重组等技术构建出的蛋白质水凝胶借助其良好的生物相容性和广阔的设计空间为深入挖掘力学性质影响背后的生物学机理提供了更多可能。本文主要介绍了力学信号对干细胞行为的影响效果和作用机理,同时还将介绍各种合成材料在干细胞分化研究领域内的重要应用。对力学信号和细胞行为更加定量化的调控和表征将会是这一领域深入发展的关键,利用合成生物学的方法构建更具针对性的研究工具意义重大。
  • 摘要：聚对苯二甲酸乙二酯(PET)因其耐用、可塑性强、安全性好等特点而广泛应用于食品包装和服装产业等领域,同时由于疏水性强、结晶度高等原因难以被微生物或酶降解利用,造成PET废弃物的不断积累,带来严重的环境和社会问题。部分高质量的PET净片可以再用到食品包装中,但绝大多数废弃PET通过常规的机械回收方法被降级利用,不能做到绿色高效回收。因此,解决“白色污染”,探索安全高效的生物降解方法成为急需攻克的重大研究课题。本文以石油基塑料的现状为背景,以PET的生物降解为切入点,综述了PET的生物降解研究现状,以宏基因组学、蛋白质组学为基础,重点总结了微生物和新酶基因的挖掘方法,并通过结构分析,以追溯不同来源的PET降解酶特性,利用定向改造和智能计算策略提高酶特性以及PET的降解效率。在改造降解酶的同时,探索对PET原材料的可降解性改良,提出了“双向改造”的思想。塑料降解酶新酶挖掘与工程改造、多酶催化体系开发以及塑料的可持续性能的改良等领域将成为塑料绿色降解的主流趋势,其为探索PET高效生物降解提供了新思路。
  • 摘要：人类社会进入20世纪以来,科技进步日新月异,先进材料的发展和应用进入一个全新的阶段。然而很多高性能材料的研制在给人类带来福利的同时,也在某种程度上反噬人类。荷兰的研究人员于2022年发表研究论文,首次揭示微塑料存在于人类志愿者血液中。
  • 摘要：对材料的结构与功能实现精准控制是材料学领域的根本挑战之一。很多生物大分子之间具有多种特异性的反应,利用这些特异性反应将生物大分子乃至活体细胞直接组装成更高级的结构提供了一种可能的解决方案。为了实现这种特异有效的组装,借鉴于传统的点击化学,可基因编码点击化学应运而生。这套新的蛋白质化学源于自然界微生物中的异肽键化学,通过基因编辑的方式控制功能化蛋白质分子的自组装反应,同时具有点击化学的高效等优点,经过多种优化之后在合成生物学中被广泛运用。其发展和应用有力促进了蛋白质工程、材料学与合成生物学的交叉融合。本文简要介绍了可基因编码点击化学在近年的应用,包括以多种非线性蛋白质分子为代表的蛋白质拓扑工程产物、多种具有不同功能的全蛋白质水凝胶材料、重组疫苗及工程活体材料等,并总结了其发展潜力。
  • 摘要：类弹性蛋白多肽(elastin-like polypeptide,ELP)是一种衍生于天然弹性蛋白,可人工合成的多肽聚合物。ELP具有特殊的温度响应性,它会随温度的变化表现出可逆相转变行为,并且当它与其他小分子或多肽偶联时,该温敏特性可以被充分保留。借助基因工程可以人工合成ELP与ELP融合蛋白,精确调控ELP的结构与功能,在其序列中添加反应性氨基酸或多肽。同时,ELP由天然氨基酸组成,其生物相容性好,易于生物降解,免疫原性低,无毒性作用。基于以上优势,ELP已被广泛应用于蛋白的表达纯化、体外诊断、药物递送和组织工程等生物医药领域。本文结合国内外研究报道,简要介绍了ELP的设计原理、理化特性和生物合成方法,并列举了一些ELP应用于药物递送系统中有代表性的工作,最后总结了该研究领域面临的挑战和问题。
  • 摘要：酶促生物电催化是一种绿色高效的催化技术,充分结合了生物酶催化和电催化的优点,可实现化学能和电能的相互转换,目前已在生物发电、电能存储、CO_(2)固定、传感与监测等方面受到广泛关注。本综述分析了酶促生物电催化的发展现状与当前面临的挑战,从合成生物学的角度详细介绍了氧化还原酶的结构功能和酶促生物电催化系统的基本要素,探讨了酶的改造,包括定向进化、理性设计和引入非天然组件等,以及通过构建多酶复合体模块和强化生物-非生物界面电子传递等方法以提高系统性能。围绕电子传递和能量转化效率等问题,阐述了酶的定向固定方法、电子传递机制以及电极材料设计原则。此外,总结了酶促生物电催化技术在酶燃料电池、生物传感器、化学品酶电合成等合成生物学相关领域的前沿应用。最后,本文展望了未来前景,并提出了从设计改造电活性生物元件、拓宽反应电势、放大反应系统等方面进一步提升酶促生物电催化系统的性能和可应用性。
  • 摘要：二氧化碳等温室气体排放导致的全球气候变暖及相应的气候灾难日益严重,开发高效二氧化碳捕获和利用 技术迫在眉睫。利用生物制造技术固定二氧化碳是合成生物学工程科学的一个重要攻关方向,其中挖掘和组装无 细胞多酶分子机器赋能二氧化碳高值利用,由于背景清晰、调控相对简单、副反应少和产率高等优点,受到越来 越多的关注。近期,JamesC. Liao教授团队人工设计和开发了新型的多酶复合分子机器,建立了用于二氧化碳固 定的闭合循环反应-还原型乙醛酸-丙酮酸合成路径 (reductive glyoxylate-pyruvate synthesis cycle),可以理论上实现 2分子二氧化碳 (碳酸氢盐) 到 1分子乙醛酸的合成反应,并设计和尝试了反应过程中监控辅因子浓度以提高酶 稳定性的策略。本文基于设计和组装体外多酶分子机器,聚焦辅因子工程以及利用多酶分子机器固定二氧化碳所 面临的挑战等角度讨论这篇工作并简述作者的相关思考。
  • 摘要：CO_(2)是最主要的温室气体,也是储量丰富的碳资源。发展CO_(2)的高效资源化利用技术可缓解迫切的能源和环境压力,是实现“双碳”目标的重要途径。蓝细菌可通过光合自养的方式将CO_(2)转变为有机物,是开发光驱动细胞工厂并直接利用CO_(2)生产化合物的主要微生物底盘。聚球藻作为蓝细菌的典型代表,生长快、遗传背景清楚、营养需求低,是目前光驱动合成生物学的热门底盘。在当前“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”背景下,聚球藻底盘的研究正迎来前所未有的机遇。本文从自然进化、地球物理局限、土地气候依赖、太阳能转化效率等角度探讨了蓝细菌底盘开发的理性和机遇;分析了其在能源生产、化合物制造和碳汇与碳捕集中的应用潜力和愿景;从碳固定、光能捕捉和生物多样性的层面讨论了蓝细菌的代谢潜能。在上述基础上,系统综述了基因编辑、适应性进化、多元抗逆和光驱动细胞工厂这些蓝细菌合成生物学的热点研究领域近期的重要研究进展,并对当前所面临的挑战与难题进行了梳理,分析提出了可行的应对策略。对这些问题和挑战的深入探索有望推动光能捕获、固碳、抗逆、代谢网络重编等方面研究的突破,开发出超越自然进化的高效光合底盘,并最终建造高版本的光驱动细胞工厂,助力“双碳”目标的实现。
  • 摘要：近年来,大气中二氧化碳浓度上升引起了气候变化等一系列环境问题,“碳中和”成为各国发展目标之一。实现碳中和,意味着要将空气中的二氧化碳固定下来,作为生产碳基化合物的原料。将二氧化碳转化为人类可以利用的有机物是利用二氧化碳的有效途径之一,这使得二氧化碳的生物固定和转化成为当前研究热点,重点聚焦在天然固碳途径的改造和人工固碳途径的设计合成。由于二氧化碳中的碳原子处于最高氧化态,二氧化碳还原成有机物需要能量输入,如何输入还原力和能量是决定生物固碳效率的关键因素。本文总结了近年来天然固碳途径改造、人工固碳途径设计合成方面取得的进展,对天然固碳途径和人工固碳途径进行了比较分析,并重点讨论了人工生物固碳过程中的还原力和能量输入问题,包括还原力、ATP等化学能、光能和电能等。最后,从途径和能量两方面分析了生物固碳面临的问题和发展趋势,并据此提出了一些可能的研究方向。
  • 摘要：发展CO_(2)的高效资源化利用技术可同时缓解迫切的环境和能源压力,是实现“双碳”目标的重要途径。微藻是重要的光合固碳微生物,是生物圈初级生产力的主要来源,也是研究光合作用的重要模式体系。近年来,微藻又被视为极具潜力的新型微生物光合平台,具有将太阳能和CO_(2)直接转化为各种生物基产品的潜力,该生产模式被称为光驱固碳合成技术,可以同时起到固碳减排和绿色合成的效果,是有望助力“双碳”战略目标实现的新型生物制造技术路线。微藻光驱固碳合成技术本质上是通过微藻光合代谢网络重塑实现CO_(2)的资源化利用,对该方面本文系统总结了“拆盲盒”“挤海绵”“动刀子”3种基本开发模式的研究进展、重要突破和代表性应用示范。而微藻光合代谢网络的深度重塑,又有效扩展了基于微藻光驱固碳合成过程的技术应用场景,在这一方面,本文着重总结微藻生物技术与生物医学、生物光伏、生物航天技术等新型应用场景和技术领域的交叉融合。最后,还针对微藻光驱固碳合成技术在应用中面临的挑战,提出应该重点从合成生物学工具箱开发、高效光合平台开发、规模化培养防污染和防逃逸策略开发等几个环节进行攻关,以加强微藻光驱固碳合成过程的可控制性和可应用性。
  • 摘要：微藻生物技术是实现碳达峰和碳中和的潜在途径之一。目前,微藻存在固碳效率低、光合转化效率低以及活性组分含量低等关键问题,需要通过合成生物学等生物技术手段构建新的藻株,并依据微藻固碳和代谢的特点,构筑减碳或负碳的新技术路线。适应性实验室进化(ALE)在提高微藻对二氧化碳固定,强化废水处理和改善代谢表型等方面均取得了一定进展,已获得了耐受高浓度二氧化碳和其他环境压力的进化藻株。但是,微藻ALE的效率还有待提高,基于固碳、光合和活性组分生物合成的合成生物学元件挖掘的研究还比较少。为克服以上问题,亟需改变微藻ALE的策略,结合高通量ALE装置的应用,缩短进化时间;在已有进化株的基础上,深入挖掘耐受基因、光合和活性组分生物合成的元件,为微藻基因改造打下基础;借鉴其他微生物ALE的已有经验,深刻理解微藻实验室适应性进化的动态过程,探索ALE的基本规律。最后对ALE应对微藻碳中和挑战的可能途径进行了展望。
  • 摘要：合成生物学是一门包括生物学、数学、物理学、化学、工程及信息科学等多学科交叉的前沿学科。历经多年发展,目前在细菌、酵母等微生物和哺乳动物细胞底盘中已初步形成了完备的定量化研究体系,然而植物合成生物学依然处于起步阶段。植物合成生物学可在挖掘植物次生代谢天然产物、生产分子农业制品、提升光合作用光能利用效率、创制碳汇植物和建立植物工厂系统等方面发挥作用。特别是在当前面向碳达峰与碳中和过程中,植物合成生物学可以参与解决人类活动所面临的粮食短缺、能源危机及环境污染等问题。不同植物底盘中也在逐步建成和完善标准化的元件体系、基因线路设计以及定向进化等合成生物学技术。本文回顾了近年来植物合成生物学的主要研究进展,详述了植物合成生物学在“双碳”目标中的应用领域,包含植物天然产物合成与次生代谢、分子农业、光合作用、碳汇植物的创制、植物工厂等。提出了植物基因文件标准化、植物基因线路设计、植物基因编辑和定向进化等助力“双碳”目标的植物合成生物学技术,并展望和探讨了在实现“双碳”目标过程中植物合成生物学的重要作用和发展前景。
  • 摘要：随着人口增多及耕地面积的减少,人类对粮食的需求日益增加,因此保障足够的粮食供给尤为重要。光合作用通过光反应和碳同化把无机物转换成有机物,是地球上最重要的化学反应。90%以上的植物干物质来源于光合作用固碳反应,光合作用同化的有机物是作物产量形成的物质基础,因此提高作物光能利用效率是提高作物产量的重要途径。近年来,合成生物学在能源、材料、健康和环境等多领域的快速发展,为提高植物光合效率提供了新的机遇。本文着重讨论了合成生物学在提高光合作用碳同化效率方面的研究进展,主要集中在提高Rubisco酶的羧化活性、引进CO_(2)浓缩机制、降低光呼吸等方面;最后,对新型光合固碳回路进行探讨,通过合成生物学对光合作用碳同化模块进行设计、改造、优化和重组,必将有效提高碳同化效率,最终提高作物产量。
  • 摘要：1.《合成生物学》(双月刊)是由化学工业出版社、中国生物工程学会及国投生物科技投资有限公司共同主办,化学工业出版社出版的我国目前唯一专注于合成生物学领域的中文科技期刊,《合成生物学》的前身是中国生物工程学会会刊《生物产业技术》,该刊自2020年第1期起更名为《合成生物学》,并开始立卷。
  • 摘要：约25亿年前蓝藻进化出现了生氧光合作用,逐渐改变了空气组分;如今,为了应对不断增长的温室气体排放和日益严峻的环境问题,在地球生态系统中发挥重要光合固碳功能的微藻再次获得人们的极大关注。微藻拥有陆地高等植物无法比拟的光合作用速率和太阳能转化效率,其光合潜能还远未发挥。本文首先回顾了目前针对微藻光合作用各个阶段以及光合作用相关途径改造的策略和研究进展,并着重分析不同策略中的瓶颈问题。其次,结合高等植物光合作用的改造方法,讨论进一步提升微藻光合能力的可行方案。最后,本文根据合成生物学方法和概念,提出以微藻作为光合固碳底盘生物,通过外源代谢途径的导入和背景代谢网络的改造,设计构建微藻高效固碳工程株的技术流程。可以预见,微藻固碳能力的进一步提升,将有效降低碳排放,为我国固碳目标的实现做出实质性贡献。
  • 摘要：降碳减排是我国可持续发展过程中的一项重大战略决策。为如期实现“碳达峰、碳中和”宏伟目标,我国需在提高生态碳汇能力上取得突破。植物光合作用有利于增加地球碳汇,而光呼吸和呼吸作用过程则释放CO_(2)。自然状态下,上述CO_(2)代谢过程能量利用率低、人工改造并提高植物CO_(2)固定的难度较大。因此,在植物体内重构新的人工代谢途径,有望大幅提高植物CO_(2)固定能力,是解决人类社会发展瓶颈的有效途径之一。本文分别介绍了植物光合作用、光呼吸和呼吸作用中与CO_(2)固定、释放相关途径,并指出可用于改造的潜在靶点;重点综述了植物体内已构建的人工固碳途径及其代谢原理,系统分析评价了不同途径的CO_(2)固定能力和限制因素;最后,对人工设计及合成植物CO_(2)代谢通路、基于零碳排放的新型物质生产等关键问题进行了探讨,并对植物CO_(2)代谢途径的改造发展趋势进行了展望。
  • 摘要：电能细胞具有与外界环境进行双向电子交换的能力,包括向外界环境释放电子的产电细胞,以及从外界环境获取电子的噬电细胞,在微生物电化学系统中发挥微生物电催化剂的核心作用。以电能细胞为核心的微生物电化学系统在生态环境治理、绿色能源开发、化学品高效合成等方面有着广泛应用。但是野生电能细胞因其摄取底物能力弱、胞内电子通量小、双向跨膜电子传递效率低、生物膜形成能力差等原因,化学能到电能的双向转化效率受到极大限制,是实现微生物电化学系统大规模产业化应用的核心瓶颈。本综述聚焦近5年电能细胞合成生物学改造的最新研究进展,通过分析双向电子传递的分子机制,分类汇总产电细胞和噬电细胞的合成生物学改造策略:(1)工程产电细胞(强化产电细胞的胞内电子生成、胞外传递效率,具体为拓宽底物谱、增强还原力转化,提高胞外传递能力、促进电极生物膜形成);(2)工程噬电细胞(强化噬电细胞胞外电子摄取、还原力转化、产物合成效率,包括提高噬电细胞电子摄取和还原力转化,调控细胞代谢路径电合成化学品和生物燃料)。最后,展望了未来高效电能细胞和微生物电化学系统的设计与构建。
  • 摘要：能源短缺与环境污染问题限制着人类发展,光合蓝细菌因能够利用太阳能将CO固定生成燃料和化学品而受到广泛关注。迄今为止,在光合蓝细菌中已实现近百种燃料和化学品由CO的生物合成,有望促进CO的资源化利用并助力“碳中和”。调控工程能够实现基因表达多层次调控及代谢网络的全局性调控,是提高光合蓝细菌CO固定效率的有效手段。本文首先归纳了光合蓝细菌底盘中的双组分信号转导系统、调控小RNA和σ因子等3种主要调控系统的分类、作用过程以及功能;介绍了光合蓝细菌调控系统中的调控元件功能研究,系统总结了光合蓝细菌中通过调控系统元件改造,提高底盘鲁棒性、优化产品生产所进行的调控工程;最后,讨论了光合蓝细菌中调控工程的未来研究方向,重点包括调控系统功能阐明、工具开发、多基因调控、调控系统蛋白工程改造和系统调控工程等。总之,有望通过系统调控工程,实现对光合蓝细菌底盘细胞全局代谢网络的精确调控。
  • 摘要：微藻可以利用太阳能固定CO_(2)并转化为有机物,其作为合成生物物质的细胞工厂具有众多生物学和工程学优点。当前,全球正面临着碳减排和资源短缺的双重压力,通过微藻固碳合成化合物技术的攻关和突破,实现直接利用微藻固定CO_(2),有望建立以CO_(2)为原料、以太阳能为能源,规模化生产大宗食物、能源、化学品和医药保健品的未来新兴绿色生物制造产业,对于解决当前面临的粮食安全、环境污染和能源紧缺等问题具有战略意义。本文从光驱自养的角度,首先总结了微藻作为细胞工厂生产平台化合物、生物能源和高附加值化合物的途径、底盘改造策略等最新进展,进而对该技术的未来发展方向进行展望。最后,提出了微藻作为合成生物学高效底盘细胞,其广泛应用还应该从建立标准化的藻类基因与基因组编辑技术体系、深刻理解合成物质在藻细胞中的代谢流和控制机制以及提高生物量产率和光合作用效率等几个环节进行攻关,以加强微藻绿色生物制造产业的可控性和可复制性。
  • 摘要：天然产物是创新药物和生物农药研发的重要源泉。阐明天然产物生物合成关键基因的功能、解析其生物合成通路和酶催化机制对于促进功能天然产物的应用和开发至关重要。异源表达是研究天然产物生物合成和合成生物学的重要手段之一。近年来,米曲霉异源宿主得到了广泛的应用。通过基因工程技术,将目的天然产物生物合成基因和基因簇在米曲霉中异源表达,不仅能够有效地激活沉默的生物合成基因和基因簇,挖掘全新活性天然产物,而且可以快速高效地鉴定天然产物生物合成基因功能,解析和重构其生物合成途径。米曲霉异源表达宿主已经成为天然产物合成生物学研究的强有力工具。本文对米曲霉遗传转化系统在天然产物研究中的应用进行了系统综述。首先,概述了异源表达的应用和意义,介绍了米曲霉遗传转化系统的发展过程、应用基础和优势以及遗传转化方法的实践和优化。其次,根据不同天然产物的结构类型和与之相对应的合成酶特点,着重介绍了该体系表达各类天然产物的成功案例。最后,对米曲霉异源表达宿主在天然产物化学领域的研究和应用前景进行了总结和展望。随着基因编辑、定向进化、合成生物学、生物信息学技术以及人工智能技术的发展和应用,米曲霉异源表达宿主的发展和完善将会极大地促进更多天然产物化学研究技术的发展和革新,以期为天然产物合成生物学的研究和创新药物研发提供借鉴。

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    • 曾用名：生物技术产业;生物产业技术
    • 创刊时间：2020
    • 地区：CN
    • 语言：中文
    • 热门主题：化学工业出版社有限公司;中国生物工程学会;国投生物科技投资有限公司
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