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合成生物学
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合成生物学/Journal Synthetic Biology JournalCSCDCSTPCD北大核心
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    Z-基因组的生物合成奥秘被揭示

    金交羽周佳海
    1-5页
    查看更多>>摘要：Science期刊于2021年4月30日刊登了3篇关于Z-基因组的研究论文.本文将重点评论其中赵素文、张雁和赵惠民三个实验室的合作论文:介绍多酶系统介导的Z-基因组生物合成、降低宿主菌中dATP浓度的dATPase和DUF550发现,并阐明Z-基因组的测序鉴定和功能意义.44年前,苏联科学家首次发现二氨基嘌呤(Z)存在于蓝藻噬菌体(cyanophage)S-2L的基因组中.Z是一种特殊的碱基,它完全取代了腺嘌呤并与胸腺嘧啶形成三个氢键,Z-基因组的生物合成通路一直是未解之谜.上海科技大学赵素文实验室、天津大学张雁实验室和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校/新加坡科技研究局的赵惠民实验室组成的合作团队,通过生物信息学、计算生物学和生物化学手段揭示了负责Z-基因组生物合成的多酶系统.研究发现此通路可能也存在于数十个分布在全球各地的噬菌体中,包括在上海被发现和分离的Acinetobacter phage SH-Ab 15497.合作团队使用HPLC-UV、质谱技术和纳米孔测序验证了Z碱基存在于Acinetobacter phage SH-Ab 15497中,且完全取代了A碱基,识别位点中含有A碱基的限制性核酸内切酶通常无法切割Z-DNA,因此Z-DNA赋予了噬菌体逃避宿主限制性核酸内切酶攻击的进化优势.Z基因组生物合成通路的解析,可促进新型核酸产品和相关新DNA技术的开发.

    噬菌体Z-基因组Z碱基新型核酸生物合成

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    进化视角下的定量生物学规律与人工生命合成

    赵晓宇张浩李雪飞胡政...
    6-21页
    查看更多>>摘要：遗传进化是生物系统的一个基本特征,生物系统的结构与功能都是动态变化的,生物通过进化更好地适应环境.定量合成生物学作为一门新兴交叉学科,主要研究如何利用合成系统定量刻画生物学规律,以及基于理性设计和改造人工生命系统来解答生命科学前沿问题.然而,目前掌握的知识还不足以满足理性设计和定量可控的要求.尽管人工生命系统产生于实验室,但其同样受到进化法则的支配,比如突变、遗传漂变、达尔文自然选择等,因此需要利用进化规律帮助设计和构建更加稳定的人工生命系统;反过来,简单、周期短且可控的定量合成生物系统也可帮助研究生物进化原理提供更佳的生物模型,两者相互促进,为更好地探索生命法则提供了理论支撑和技术手段.本文主要综述了目前应用进化原理筛选目标蛋白的连续定向进化方法,总结了利用进化原理提高合成线路稳定性的策略;同时,介绍了用定量合成生物学的手段研究生物进化原理的进展,并提出了基于进化原理的人工生命设计的研究方向.未来合成生物学与进化生物学的融合发展将为精确控制生命系统提供思路和方法,增进合成生物学改善人类可持续发展的应用.

    遗传进化定量生物学合成生物学人工生命系统群落进化

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    合成免疫学与未来NK细胞免疫治疗

    毕嘉成田志刚
    22-34页
    查看更多>>摘要：近年来,免疫治疗在肿瘤等重大疾病治疗领域取得了突破性的进展,然而当前免疫治疗在应对实体瘤等方面的有效性和安全性仍有待提高.另一方面,合成生物学的理念和技术也取得了长足的发展,其与免疫学基础研究及免疫治疗实践相融合,诞生了"合成免疫学"新学科,后者将驱动免疫治疗的进一步发展.本文概述了肿瘤免疫治疗的现状及合成免疫学诞生的背景,对天然杀伤细胞(NK细胞)在肿瘤免疫中的作用及NK细胞疗法进行了介绍,并详细综述了设计构建合成免疫细胞和合成免疫分子的相关进展.研究表明,NK细胞由于其独特的属性,可能是"通用型"合成免疫细胞疗法的理想底盘细胞,通过精准识别肿瘤的嵌合抗原受体及智能响应性基因回路等的装载,将实现NK细胞的功能增效,并在NK细胞大规模扩增技术及封闭式、自动化、可编程"细胞工厂"等的支撑下,实现合成免疫细胞的"货架式"供应模式.除了合成免疫细胞疗法之外,减毒增效的合成免疫分子则为人工操控免疫应答提供了更多的可能性.展望未来,合成免疫学驱动的免疫细胞疗法将与新型的合成免疫分子相辅相成,进一步提高抗肿瘤免疫疗法的有效性和安全性.

    嵌合抗原受体货架式供应细胞工厂基因编辑检查点疗法

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    合成生物学在肠道微生态疗法研发中的应用

    高梦学王丽娜黄鹤
    35-52页
    查看更多>>摘要：肠道菌群是人体的重要"器官".工业化世界的发展加速了对肠道菌群研究从"传统结构"向"工业结构"的转变,而纠正肠道微生态失衡已成为解决重大慢性非传染性疾病传播难题的核心策略之一.然而,目前开发的靶向调节肠道菌群结构与功能的传统微生态疗法,如益生元疗法、益生菌疗法和粪菌移植疗法,只有少数被用于临床多发难治性重大慢病的防治,且出现了可控性差、菌群遗传背景不清晰等安全问题.合成生物学技术手段的迭代发展推动了新型微生态药物的研发,成为对重大慢病进行精准识别和精准施策的关键.本文首先以消化系统疾病、代谢性疾病和精神疾病等重大慢性疾病的干预和治疗为切入点,回顾了基于合成生物学方法设计构建工程益生菌的研究进展,并对以工程益生菌为核心的微生态疗法在上述重大慢病中的应用进行了综述.同时,考虑到单一工程益生菌的负荷和抗干扰能力等问题,本文还提出了利用工程益生菌构建人工合成肠道菌群开发新一代微生态疗法的设想,分析了这一过程所面临的机遇与挑战,旨在为工程益生菌和人工合成肠道群落基础研究和临床应用的双向转化提供借鉴,从而推动新型微生态药物的研发.

    重大慢性疾病微生态疗法益生元益生菌粪菌移植工程益生菌人工合成菌群

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    基于CRISPR/Cas工具的肿瘤基因线路构建及应用

    宋斐刘宇辰蔡志明黄卫人...
    53-65页
    查看更多>>摘要：以恶性肿瘤为代表的难治性疾病仍是困扰我国乃至全球的一个重大公共卫生问题.近年来,合成生物学的蓬勃发展,极大推动了疾病创新治疗策略,并显示出巨大潜力.人工构建的基因线路可特异性地识别、区分疾病细胞和正常细胞,并控制疾病细胞命运,为精准治疗提供了新途径.然而构建基因线路用于疾病治疗的挑战之一是缺乏有效、可编程、安全和序列特异性的基因编辑工具.CRISPR/Cas自从首次被用于哺乳动物基因编辑以来,已被广泛应用于研究、工业和医学领域.除Cas9诱导的indel突变外,CRISPR/Cas能够进行DNA/RNA的碱基编辑,为基因线路设计提供了高效的工具,极大提高了每个线路元件效率.因此,基于CRISPR技术的智能化基因线路的应用,可有效保证癌症等疾病治疗的安全性、高效性和特异性.本文介绍了CRISPR/Cas技术应用于医学合成生物学基因线路设计的研究进展和潜在挑战.评估了使用CRISPR系统元件的合成基因线路在肿瘤治疗中的效果,尤其利用人工开关诱导的Cas9干预肿瘤细胞治疗的安全性和有效性;介绍了CRISPR/Cas9介导的信号传感器设计,其可同时识别多个蛋白质信号,实现了多基因同步调控,以及新一代体系小、特异性强、基因调控效率高的CRISPR/Cas12a系统及其遗传改造.基于无启动子表达CRISPReader元件的精简基因线路设计,其高效启动的特点极大提升了智能化基因线路在未来精准癌症治疗中的应用潜力.

    基因线路信号传感器恶性肿瘤成簇的规则间隔短回文重复CRISPR相关蛋白

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    CRISPR/Cas9及其衍生编辑器在衰老研究中的应用进展

    龚仕涛王宇陈宇庭
    66-77页
    查看更多>>摘要：衰老逐渐成为威胁人类健康的重要因素,其中基因突变及其累积是引发衰老的因素之一.基因编辑技术可以纠正或清除错误基因突变,从而具有延缓衰老和治疗衰老相关疾病的潜力.CRISPR/Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein)的基因编辑工具是基于细菌和古细菌获得性免疫系统发明的,已证明可修改多种生物体的基因组.通过对Cas蛋白的定点突变和表达优化改造,可提高CRISPR/Cas系统在靶向位点的编辑效率、保真性及降低其脱靶效应.随后,科学家们发明了许多基于Cas蛋白的编辑器,如碱基编器、引导编辑器、转座/重组酶等.CRISPR/Cas及其衍生的编辑器,可实现多种形式精确的基因修饰,从而满足不同的基因编辑需求.本文主要概述了CRISPR/Cas系统及其种类、Cas9(CRISPR-associated protein 9)蛋白及其变体、基于Cas9蛋白衍生的基因编辑器,并讨论了这些编辑器在衰老及其相关疾病,如早衰综合症、心血管疾病、年龄相关性黄斑变性、神经退行性疾病等方面的应用研究进展.未来,高精确基因编辑器和递送技术的发明,将加速基因编辑技术用于治疗衰老相关疾病和逆转衰老的基础与临床研究,最终实现人类健康衰老.

    CRISPR/Cas系统Cas蛋白衍生编辑器衰老及衰老相关疾病

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    哺乳动物合成基因组学研究进展

    何博付宗恒吴毅赵广荣...
    78-97页
    查看更多>>摘要：合成基因组学通过设计与合成大片段DNA序列,开展基因组尺度的工程化改造或从头合成,从而揭示基因型和表型的关联,并构建预定功能的生物.正如在大肠杆菌、酿酒酵母等低等模式生物中合成基因组学的实践,对哺乳动物基因组的大片段DNA设计再造也必然会加深对更为复杂的动物基因组的理解并加强对基因组的功能重塑.面对生命健康领域存在的重大挑战,设计合成哺乳动物大片段DNA为其提供了新的思路和解决方案,特别是在染色体疾病模型构建、人源化免疫系统等方面展示出独特的应用潜力.然而,目前大片段DNA在哺乳动物细胞中的设计和操纵仍是一个巨大的挑战,面临着高等哺乳动物基因组注释不完善、复杂序列组装困难、穿梭载体通用性差、大片段DNA转移低效等问题.本文围绕设计-组装-转移的技术路线,评述哺乳动物合成基因组学领域的重要研究进展,详细介绍重要的技术突破,并展望哺乳动物合成基因组学在医药健康领域的应用.

    合成基因组学基因组编写合成型哺乳动物染色体基因组工程哺乳动物细胞大片段DNA操纵技术

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    材料-生物杂化体的光驱生物催化

    王雪云杨文君钟超高翔...
    98-115页
    查看更多>>摘要：材料-生物杂化体的光驱生物催化,又称为半人工光合作用,利用高效捕获光能的材料与高选择性的生物催化相结合,从而实现光能到化学能高效、高特异性的转化.天然光合系统光能到化学能的转换效率低,进而发展了光能捕获和转换效率更高的人工光合作用,然而人工光合系统很难实现特异性合成高能量密度、高附加值的多碳化合物.基于材料-生物杂化体构建的半人工光合作用,同时具备材料和生物系统两者的优势,实现优势互补,为光能到化学能的转化提供新的机遇和应用.本文详细介绍了材料-生物杂化体的构建方式,杂化体通过光吸收剂与催化剂进行复合,其复合方式包括以天然光系统作为光吸收剂与纳米催化剂相结合,和以材料作为光吸收剂与酶或微生物全细胞催化剂相结合;分别总结不同复合方式的研究进展、不同系统之间的优缺点以及不同杂化体的应用方向,并对未来发展方向进行了展望.

    光合作用人工光合作用材料-生物杂化体

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    微生物中一碳代谢网络构建的进展与挑战

    郭姝媛吴良焕刘香健王博...
    116-137页
    查看更多>>摘要：利用来源广、价格低、易制备且储量丰富的一碳化合物作为底物,通过构建甲基营养型细胞工厂,生物合成多种高附加值化学品,不仅可以促进一碳资源的洁净利用,同时可以缓解能源短缺、环境污染等问题.因此,深入了解甲基营养型微生物(天然型和合成型)的一碳代谢网络,是高效利用一碳化合物进行生物炼制的关键.本文综述了多种一碳化合物(甲烷、甲醇、甲酸和二氧化碳)生物炼制的研究进展,主要包括两个部分:(1)甲基营养型微生物(天然型和合成型)的关键代谢酶及多种代谢网络;(2)基于多种甲基营养型微生物进行生物合成的研究现状.文章最后讨论了一碳化合物作为底物进行生物转化所面临的主要瓶颈,并据此提供可行的研究策略,以期推动一碳化合物作为原材料进行生物炼制的工业化进程.

    甲基营养型微生物一碳代谢一碳化合物生物转化代谢工程

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    纤维小体在合成生物学中的应用研究进展

    冯银刚刘亚君崔球
    138-154页
    查看更多>>摘要：纤维小体是一种高效降解木质纤维素的多酶复合体,主要由自然界中一些梭菌纲厌氧细菌合成及分泌.纤维小体具有模块化、多样化、自组装、协同高效、底物自适应等特征,与合成生物学的工程化策略非常吻合,近年来在生物技术特别是合成生物技术中得到了大量的应用.本文简要介绍了纤维小体的基本架构和高效作用机制,从不同的方面综述了纤维小体在合成生物学研究中的应用研究进展,包括人工纤维小体、底物通道与合成代谢通路构建、细胞表面展示与酶固定化、仿纤维小体设计与构建等.并对纤维小体当前研究的热点问题及其在合成生物学中的应用方向进行了展望,可以预见,基于纤维小体研究所获得的多种蛋白质元件以及建立的工程化策略将在合成生物学中发挥重要作用.

    纤维小体模块化自组装协同作用多酶复合体分子机器

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