合成生物学的里程碑:酿酒酵母基因组合成

正每一个物种都拥有一套独一无二的遗传信息,哪怕是结构和功能最简单的生命体,想要在实验室里"创造"出来,也曾经被认为几乎是不可能的。尽管如此,科学家从未停止对生命奥秘的探索。近年来,以"通过创造来理解"为核心理念的合成生物学快速兴起,其中一个方向即通过大规模的工程化设     

体外合成生物学:无细胞蛋白合成系统研究进展

合成生物学是近年来融合生物、化学和工程等学科的新兴交叉研究领域,推动人类由理解生命到创造生命的革新.体外合成生物学不依赖生命体,在试管等媒介中研究生命活动和规律,是合成生物学重要的前沿领域.作为体外合成生物学最重要的研究平台,无细胞蛋白合成系统利用外源DNA或mRNA直接在体外合成目标蛋白质,不依赖于细胞结构,突破传统生物方法的局限,具有简便、快速、可控性强和绿色经济等优点,同时为理解生命进化和人工创造生命系统提供了重要的研究模型.本文综述了无细胞蛋白合成系统的发展历程、组成、类型、优势等,并对其在高通量蛋白质和药物合成方面的应用进行了总结.     

以非天然核酸为遗传物质的人工生命构建

合成生物学/工程生物学通过设计、搭建生物部件甚至生物系统来构建具有新功能的人工生命.其研究内容主要分为3个层次:(1)将现有的天然生物模块进行设计和组装,构建不同于天然存在的调控网络,从而实现新功能;(2)通过人工基因组DNA的全合成进行新生命的构建;(3)通过化学合成部件(修饰核酸、蛋白质、脂类等)创建全新的生物系统乃至生命体.第3个层次的研究也称为化学合成生物学,本文主要集中讨论化学合成生物学中将非天然核酸替代DNA作为遗传物质从而构建人工生命的研究,简要介绍了非天然核酸化学修饰对其遗传物质功能的影响,及以其为基础的人工生命构建的研究现状.这将为我们探讨生命起源、进化甚至外星生命等问题提供新的思路.     

革命性的基因编辑技术

2016年3月24日,美国《科学》杂志发表了合成生物学领域一项里程碑式的重要研究,人类基因组研究先驱克雷格•文特尔(Craig Venter)及其团队耗费20年时间,设计并制造出了一种最简单的人工合成生命体,该生命体仅有维持生命所需的473个基因,是目前已知最小的生命体基因组。据介绍,研究者利用一种叫做规律成簇间隔短回文重复序列(CRISPR/Cas9)的技术实现对特定基因的筛选。该研究有望帮助科学家更好地了解细胞中每个必需基因的功能。     

定量工程生物学的化学蛋白质组学支撑性技术

定量工程生物学是一门前沿交叉学科,通过设计-合成-测试-学习-再设计路线将不同的生物元器件组合,形成可以执行特定功能的基因线路,再经过不断优化获得稳定的、可控的基因线路,最后将设计优化后的线路引入不同的生命体,以达到预设的目的.这种变革性的方法可以创建一些能够灵敏感知和响应各种环境的工程系统,但在其中的功能检测环节,化学蛋白质组学技术则成为了测试工程改造生物功能和探究其作用机制的重要工具.随着以非天然氨基酸嵌入、生物正交化学、高分辨率质谱等技术为手段的化学蛋白质组学方法的发展,在复杂环境中解析工程生物的蛋白质组时空动力学变化成为可能,为探究工程改造菌或工程改造细胞的工作原理及其在生物体内的作用机制提供了必要的技术支撑,也为定量工程生物学研究中所需的深度功能测试提供了有效方法.本文主要是概述化学蛋白质组学技术在定量工程生物学研究中的潜在应用.     

面向合成生物学的机器学习方法及应用

机器学习的目标是设计可以根据先验知识和观测数据不断改进其性能的算法.该算法可以帮助机器从大量的数据中提取知识,从而提升其在特定任务上的性能.作为数据驱动的方法,机器学习可以有效利用高通量实验技术产生的大批量生物数据,实现合成生物体的功能预测与智能化设计,改变合成生物学的研究范式.本文首先介绍机器学习在合成生物学领域广泛应用的几个模型及方法,如支持向量机、神经网络、生成式对抗网络、深度强化学习等.然后介绍机器学习方法在合成生物学领域的典型应用,如启动子预测、酶催化设计、代谢途径构建、基因线路设计等.本文综述面向合成生物学的机器学习方法及应用,并试图启发读者如何选择和设计机器学习方法用于合成生物学的研究.     

合成微生物群落的构建与应用

自然界中微生物群落的生态网络结构非常复杂,并且难以进行可重复、可控的扰动实验.在实验室里通过"自下而上"的方式构建起来的合成群落具有适中的复杂度和较高的可控性,可以作为数学模型和复杂生态系统研究之间的桥梁.合成微生物群落的研究方法遵循"设计-构建-测试-学习"为核心的合成生物学理念,以人工设计和构建的群落为实验对象,结合定量模型和基因组测序等组学技术,探索微生物生态学的基本规律.在应用方面,基于合成群落的研究对于如何控制和改造复杂的微生物生态系统具有重要的指导意义,目标是通过构建具有可控功能和稳定性的微生物群落来解决人体健康、农业和工业生产、环境治理等重要问题.     

人工再造真核生命问世

<正>世界第一个人工再造真核生命体,已经在华大基因及其合作伙伴的实验室里实现了!合成生物学是继"DNA双螺旋发现"和"人类基因组测序计划"之后,以基因组设计合成为标志的又一次突破,实现了基因组"读与写"的贯穿。该计划由美国发起,由中、美、英、法等多国共同协作承担,重新设计并化学合成真核     

合成微生物组:当“合成生物学”遇见“微生物组学”

合成微生物组是指运用合成生物学方法构建的功能菌群.合成微生物组以代谢通路模块化为核心特征,每个代谢模块的工作由一个菌株完成,从而实现多个菌株的分工与合作.与单菌株相比,合成微生物组具有降低菌株代谢负担与遗传改造难度、提供多样的元件表达平台、实现"即插即用"的模块替换等优势.在合成生物学与微生物组学快速发展、交汇融合的影响下,合成微生物组已成为近些年微生物领域新的研究热点,在生物合成平台化合物、复杂大分子以及生产生物燃料等方面具有广阔的应用前景.本文介绍了合成微生物组的设计原理与优势,总结了近些年的主要研究成果,阐述其目前面临的挑战与机遇,最后对其未来的发展进行展望.     

与合成生物学的亲密接触

<正>生物技术的发展帮助人类实现了从发现生物到"制造"生物的转变。作为一门高度工程化的综合类学科,合成生物学似乎离我们非常遥远。但在贾斯丁·帕哈拉博士和朱莉·勒高特两位"生物极客"的带领下,我国部分青少年却有幸近距离接触到了合成生物学。我们特地选取了参与活动的几所学校,让参与实验的学生们谈谈通过这次     

定量至简,工程至繁:定量工程生物学

正定量工程生物学是合成生物学、定量生物学和系统生物学交叉互补,并融合数学、物理、信息与工程等多个学科思路和方法而形成的一个新兴领域.它旨在揭示天然和人工生物系统分别及共同遵循的内在规律,并在此基础上理性设计和构建人工生物系统,从而解答生命科学前沿问题,通过干预和改造,应对人类社会面临的重大挑战.这里所谓的理性设计,是指在可预测的规律或模型指导下,有计划地创造、执行、构建研究对象~([1]).正如有了流体力学的指导,人们才得以预测飞机机翼产生举力的条件,并制造出飞机;这种"可预测性设计构建"是定量工程生物学的内核.     

从首个合成细胞看合成生物学的现状与发展

合成生物学是一门新兴交叉学科,诞生至今已在医药、能源、环境、农业等多个领域展现出巨大的应用前景和发展潜力,对探索生命起源与进化等生物学基本问题亦发挥重要作用.随着2010年5月首个合成细胞的诞生,合成生物学再次引起了社会各界的高度关注和广泛讨论.欧美等国已在合成生物学领域开展多项研究并已取得诸多成果.为了推动和促进这一新兴学科在中国的发展,本文在阐明合成生物学概念及研究内容的基础上,一方面综述了合成生物学的研究现状及国内外发展,分析了合成生物学所面临的机遇与挑战;另一方面,对合成生物学未来的发展,尤其是在中国的发展作出展望.     

鸡免疫器官存在神经内分泌细胞

随着神经生物学、内分泌学和免疫生物学的发展,自1977年Besedovsiky提出神经内分泌免疫网络学说以来,越来越多的实验证据表明神经内分泌和免疫系统之间存在双向调节作用.已有研究证明人和哺乳类实验动物的胸腺可合成和分泌胸腺激素、催产素和加压素等激素,但是免疫组织化学和原位杂交实验证明这些功能是由胸腺上皮细胞完成,而未观察到有特定的内分泌细胞参与.我们曾在蛇     

若干功能体系的定向设计与构筑

本项目基于"分子工程学"思想,以功能为导向,在分子水平上对结构进行设计与剪裁,最终实现特定功能体系(分子基体系、表界面体系、多孔体系、配合物体系、金属有机体系及分子反应体系)的定向合成、制备与组装.在分子自组装,表界面及能级结构的调控,多孔空间结构的设计构筑与合成规律,金属价态、基元构型、边臂协助的作用机制,化学键的可控断裂与形成等方面取得一些新进展,为促进化学以及环境、能源、材料及生命等领域的迅速发展提供科学基础.     

功能生物界面的“微纳尺度构建-功能-力学耦合”机制

功能生物界面由于其呈现出的独特功能引起研究者的极大兴趣,而微纳尺度结构是其关键结构基元,它们是界面特定功能的内在本质.然而直到目前描述刻画特定功能的整个形成过程依旧困难.越来越多的证据开始支持功能生物界面上的"微纳尺度构建-功能-力学耦合"的论点.本文重点介绍不同微纳尺度复合功能生物界面上的"形貌和力学耦合行为",以获得对微米纳米复合结构更好的理解.还介绍了自然界中生物体表气/液/固三相生物界面的"形貌-力学耦合行为",生物体内微纳尺度的"形貌-力学耦合行为",微纳尺度人工界面上活细胞的"形貌-力学耦合行为"和微纳尺度形貌、界面曲率与力学微环境的最新研究进展,并提出了一些新的概念,如"基于空间曲率的形貌-力学耦合行为"、"医学功能生物界面"和"生物力药理学"等.     

植物受体激酶的结构与功能研究进展

作为多细胞营固着生长的生命体,植物需要对外界多变的环境及内部不同组织细胞之间协调发育的多样信号做出精确的反应.与多细胞动物主要通过数量巨大的GPCR等受体蛋白参与细胞与环境及细胞之间的交流不同,植物主要靠数目庞大的植物受体激酶来完成相应功能.通过30多年的深入研究,植物受体激酶的功能研究取得了极大的进展,研究发现,植物受体激酶参与植物多种多样的生理病理过程,包括生长发育、气孔发育、分生组织发育、抗病、花粉管吸引和自交不亲和等.这些受体激酶的结构生物学研究在近10年取得了一系列重要的成果,使我们对各种受体激酶的配体识别及活化机制有了系统的认识.2017年国家自然科学奖二等奖授予"油菜素内酯等受体激酶的结构与功能研究",也是对这些成果的肯定.本综述对参与不同过程的受体激酶结构进行总结描述,随后对受体激酶的识别及活化规律进行总结,最后对该领域尚未解决的问题及研究方向提出展望.     

合成生物学优化微生物碳代谢过程中的碳保存与碳固定

随着化石资源的过度开发和利用,由CO₂过度排放引起的全球变暖已经引起全世界的高度关注,亟待找到可持续的替代解决方案.利用微生物作为细胞工厂,对天然碳代谢途径进行改造以实现更大程度的碳保留及利用天然碳固定途径和人工固碳途径,将碳源转化为可利用碳物质,是减少碳排放、缓解温室效应的有效途径.本文以微生物系统在其代谢过程中优化碳保存及碳固定的能力为主要标准,主要总结了近年来人工碳保留途径和人工固碳途径设计合成方面取得的进展,并进行了比较分析,讨论了以微生物作为细胞工厂实现绿色低碳可持续生产的价值.随着合成生物学的不断发展,越来越多的二氧化碳固定机制将被挖掘和开发,用于重构微生物代谢,实现高效的生物制造,开启工业脱碳的正循环.     

合成生物学在医学中的应用

合成生物学是21世纪初出现的一门重要前沿交叉科学。在医学领域中,对利用合成的生物学回路来弥补功能异常以达到治疗目的,有越来越多的探讨,正促使医学合成生物学诞生。合成生物学(synthetic biology)是2000年出现的一门融汇生物学、工程学、化学和信息学等学科而成的交叉科学。目前对合成生物学的定义还存在不同认识,较普遍接受的观念是:①为了应用目的,重新设计现存的自然生物学系统;②设计和建造全新的生物学元件、回路和系统。从这样的观念出发,合成生物学与有机     

临近空间生物研究及其天体生物学意义

临近空间指海平面之上20～100 km高度的空间,包括大部分的平流层、整个中间层和少部分热层.临近空间是生物圈-大气圈-电离层的多圈层耦合区,是保护人类和地表生物圈免受太阳风和宇宙辐射侵蚀的重要屏障,上接外层空间,下临各国领空,战略地位突出.临近空间独特的高辐射、低温、干燥、低气压等复杂极端环境条件是实验室无法模拟的,可以类比早期地球的高辐射环境和现代火星的表面环境,使其成为开展地球生物学和天体生物学研究的天然实验室.近年来研究人员相继在临近空间20～41 km高度发现许多微生物,表明临近空间中存在着一个未知的生物圈.随着浮空器技术的进步以及实验载荷和方法的研发,临近空间的生物学研究,特别是在临近空间生物多样性及其环境适应机制等方面取得了一系列新进展.这为更好地认识地球生物圈上边界、生命生存极限、类火星环境生命、生命星际传输、行星保护等天体生物学问题提供了新的突破口.临近空间生物学研究与近地轨道空间中开展的生物实验具有很好的衔接和互补,随着我国将于2022年前后完成中国空间站建造以及"登月探火"等深空探测计划的逐步实施,临近空间生物学研究不仅可以为未来空间站的相关研究提供支撑,而且也将进一步促进我国在天体生物学研究领域的发展.     

药用模式生物研究策略

模式生物是用于研究某种特定的生物学现象而被选定的物种.基于模式生物的研究策略已经在多个生物学领域取得巨大的成功,揭示了众多生命科学的机理,发展了一系列生命科学研究技术.近年来,现代生物学发展迅速,其相关的概念和技术正不断渗入并影响着药用生物的研究领域,包括基于模式生物的研究策略.丹参(Salvia miltiorrhiza)、灵芝(Ganoderma lucidum)等模式药用生物已经提出了多年,受到国内外的广泛关注.但是由于缺乏成熟的模式药用生物研究体系,使得当前药用生物的研究成果比较分散,难以在理论水平上汇总提高,极大地消耗了药用生物界的研究资源和研究力量,阻碍了药用生物学的发展.本文结合近期药用生物学的研究成果,从药用模式生物研究体系建立的必要性出发,提出了药用模式生物研究体系的基本概念和建立目的,分析了应用药用模式生物研究体系研究的可行性,提出了药用模式生物的选择原则并从遗传信息获得、遗传转化体系建立、突变体库构建和次生代谢物生产体系建立4个方面描述了药用模式生物研究体系的建立策略.本文还介绍了以药用模式生物为对象的次生代谢产物生源合成及调控研究策略,同时认为,药用模式生物体系在阐释药材道地性等中医药传统问题及发展合成生物学等现代科学前沿中发挥重要作用.