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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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    合成生物学装备:颠覆生命科技的利器

    司同邢新会
    853-856页
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    自动化合成生物技术在DNA组装与微生物底盘操作中的应用

    陈永灿司同张建志
    857-876页
    查看更多>>摘要：基于绿色生物制造进行物质能量生产,有望减少对天然植被、耕地、石化等资源的依赖,而微生物细胞工厂是绿色生物制造过程的"芯片".合成生物学为微生物细胞工厂的研究提供了重要的使能技术,但目前仍面临生命系统高度复杂、实验过程需要反复试错、实验通量较低等限制因素.自动化合成生物技术借助高通量、自动化和智能化的软硬件设施平台,基于标准化、模块化的生物元件库和合成生物工艺,可低成本、高通量、快速、多循环地完成海量工程试错性实验,加速特定性能人工细胞工厂的设计和优化,支撑相关研究和应用.本文主要针对细胞工厂"设计-构建-测试-学习"循环中最关键、最耗时的"构建"环节,对DNA组装和底盘细胞操作自动化工艺和设施平台进行了总结,对自动化合成生物技术应用于生物合成基因簇挖掘、代谢通路优化和底盘细胞优化的最新进展进行了介绍.最后展望了微生物细胞工厂自动化构建面临的挑战和未来发展,讨论了包括非模式微生物在内的全流程自动化的发展趋势,而自动化装备的国产化自主研发将为此做出重要贡献.

    细胞工厂快速构建自动化合成生物技术DNA组装底盘细胞操作

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    合成生物学自动化装置iBioFoundry的构建与应用

    卢挥张芳丽黄磊
    877-891页
    查看更多>>摘要：合成生物学是一门关于设计、改造和重新合成生命的交叉融合性学科.它以工程化理念对生物体进行有目标的设计、改造,使其拥有满足人类需求的生物功能,甚至创造新的"人造生命".由于生命体的高度复杂性,为达预定目标往往需要进行大量人工试错性实验,导致研究成本高、进展缓慢.随着自动化合成生物技术的不断发展,目前全球各地有多个合成生物自动化设施已建成或在建中.本文从建设背景、设计构建、科研项目运行和应用前景等方面对浙江大学杭州国际科创中心建设的合成生物学自动化装置iBioFoundry进行介绍,通过大肠杆菌工程菌的批量构建和酶的定向进化及筛选案例对实验自动化方案制定、实验流程程序编写和上机运行的过程做简要描述和分析,并就装置耗材存储空间的分配、多实验任务并行和实验流程标准化建设等装置建设过程的一些思考做经验分享.合成生物学自动化装置可以帮助研究人员大幅提高实验效率,装置产生的大量高质量数据结合信息技术,有望高通量、低成本、多循环地实现合成生物学研究中"设计-构建-测试-学习"的自动化运行,加速合成生物学在基础及诸多应用领域的研究效率.

    合成生物学生物铸造厂自动化平台标准化实验流程

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    生物设施平台及其工业应用

    赵国淼杨鑫张媛王靖...
    892-903页
    查看更多>>摘要：传统菌株改造和筛选实验存在操作烦琐、耗时、易错、难以规模化等问题,生物设施平台将自动化、机器人技术、数据分析与生物研究相结合,通过导轨和机械手臂实现自动化操作,提高了实验操作的稳定性,通过缩小培养体积(微孔板或微液滴),提高了培养和筛选通量,解决了上述问题,大大提高了研发效率.本文简单介绍了自动化设施平台的发展和常见的高通量检测方法,重点介绍了中粮营养健康研究院的自动化设施平台,并结合开展的项目叙述了平台在生物燃料菌株开发、传统酿造菌株筛选、酶的定向进化和筛选等领域的应用,可以预见自动化和高通量化在菌株改造和筛选方向巨大的应用价值.实验室自动化是涉及机械工程、自动化、计算机和生命科学等学科的交叉领域,需要各方面共同努力,才能推动实验室向更高程度的自动化和智能化方向发展.

    生物设施平台自动化高通量筛选菌株改造工业微生物

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    高通量平行发酵技术的发展与应用

    白仲虎任和聂简琪孙杨...
    904-915页
    查看更多>>摘要：21世纪初,为解决生物医药过程工程研究所面临的微生物和哺乳动物细胞培养的实验通量、研发效率与成本方面的问题,更重要的是质量源于设计(QbD)导向的生物过程工程实验设计(DoE)的迫切需要,基于微、小型生物反应器的平行发酵(细胞培养)技术与产品得到了广泛应用.近年来微生物代谢工程与合成生物学的飞速发展,对高性能菌种库的高通量筛选与菌种表型过程表现的早期评价提出了更高实验通量的需求,这进一步拓展了不同培养体积的平行发酵培养装置在工业生物技术领域的应用.时至今日,可模拟工业培养条件并实施过程参数准确控制的微小型反应器的多联罐平行发酵装置、系统操作软件和数据处理的集成系统已成为生物过程工程研发的强大工具,它在生物医药创新、代谢工程和合成生物学等基础研究成果向工业化技术转化中起到重要的支撑作用.特别是在合成生物学领域中,基于"工业相似性"原则的平行发酵技术,可以解决培养板或摇瓶高通量菌种筛选无法表征克隆表型、在规模化培养中的表现受培养过程参数显著影响的痛点问题,实现过程工程导向的高通量、高效率的菌种筛选与评价.本文对高通量平行发酵与细胞培养技术的发展近况与其在合成生物学研究中的应用场景做了介绍,其中主要总结了平行发酵培养技术在高通量菌种筛选评价"三段论"中的价值、平行发酵培养如何支持菌种筛选的工业相似性原则的实施、平行发酵培养结合DoE实验策略实施高效的生物过程工程开发、使用平行发酵培养建立过程多变元批次模型的方法,以及平行发酵培养与建立生物培养过程缩小模型的关系等.

    发酵细胞培养平行培养高通量合成生物学实验设计(DoE)

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    超声移液及微量移液技术进展和展望

    张志强张扬邱维宝郑海荣...
    916-931页
    查看更多>>摘要：近年来,合成生物学、新药研究以及体外诊断等现代生物、医学技术的快速发展对微量移液技术的精准度、通量、成本等各方面提出了越来越高的要求.传统基于活塞原理的移液技术虽然可以做到自动化,通量可以很高,但是移液精度局限于亚微升级.基于电磁阀、压电驱动等移液技术可以大幅度提高移液精度,但是由于结构复杂,通量难以与活塞式移液技术相媲美.基于电场、磁场、激光等新型移液技术的移液精度可以实现纳升级和皮升级,但是这些技术主要基于微流控平台,针对一些特定应用,通用性差.此外,上述移液技术都需要使用吸头、毛细管、喷嘴等移液头,会与液体直接接触,存在移液头容易堵塞、液体残留、样品交叉污染的风险,而且移液头大都是一次性耗材,成本高,污染环境.非接触式超声移液技术是一种声镊技术,利用超声波声场调制的声辐射力实现对液滴的无接触式操控,无需一次性移液头辅助,无需与液体接触,且具有精度高、移液速度快等特点,是较为理想的精密微量移液技术,展现了重要的应用前景.本文对微量移液技术的发展和代表性研究进展进行了系统性介绍,重点介绍了非接触式超声移液技术的发展和研究进展,并分析讨论了微量移液技术值得关注的发展方向,比如高通量及高通用性的非接触式超声移液技术、智能化移液工作站,以及基于微流控平台的微量液体处理技术等.

    非接触式超声移液微量移液声辐射力声镊高精度高通量自动化

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    自动化高通量技术在天然产物生物合成中的应用

    胡哲辉徐娟卞光凯
    932-946页
    查看更多>>摘要：天然产物与人们的日常生活息息相关,是药物、食品、营养添加剂、色素、化妆品等产品的重要来源.发掘新的天然产物并实现其高效合成对于提升人们的生活水平至关重要.然而,研究通量低和产物产量低已成为限制该领域快速发展的两大瓶颈.为了克服这些问题,自动化高通量技术的引入在天然产物生物合成领域具有重要意义.该技术可以将高度依赖人力资源的低通量和随机性手工操作的实验过程转变为基于先进设备的自动化、标准化和高效的研究过程.因此,将自动化高通量技术引入天然产物生物合成领域可以有效解决研究瓶颈,加速研发进程.本文综述了自动化高通量技术在天然产物生物合成领域的应用,阐述了其在天然产物挖掘、高效生物合成和快速检测等方面的优势.最后,讨论了该技术现存缺陷,包括仪器设备造价高昂、操作复杂,并且一些装置尚未得到推广.相信在合成生物、信息技术、自动化等多领域的共同协作下,自动化高通量技术具备的独特优势将为新型天然产物功能产品的开发提供可持续来源.

    合成生物学天然产物自动化技术高产底盘生物铸造

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    基于荧光检测的高通量筛选技术和装备助力细胞工厂构建

    孙梦楚陆亮宇申晓林孙新晓...
    947-965页
    查看更多>>摘要：微生物工业制造是以微生物细胞工厂为核心,利用低成本、可再生资源为原料,实现高附加值化合物的绿色生产.依赖于"设计-构建-测试-学习"(DBTL)循环的微生物细胞工厂开发过程中"测试"阶段已成为制约合成生物学和代谢工程发展的瓶颈之一.基于微量滴定板(MTP)高通量自动化筛选平台极大降低了高通量筛选过程的劳动强度,流式细胞术和液滴微流控技术的发展大幅度提高了筛选通量.尤其是荧光激活液滴分选(FADS)高通量筛选技术的开发为自动化、高通量和低消耗筛选工作提供了新的解决方案.本文综述了不同高通量筛选技术在合成生物学和代谢工程领域应用的主要进展,重点介绍了近几年荧光激活细胞分选技术(FACS)和FADS在微生物细胞工厂和酶定向进化方面的应用实例,关注了待测分子与荧光信号偶联的常用策略,并简单介绍目前国内外基于液滴微流控技术高通量筛选装备的研发情况.

    流式细胞术荧光激活液滴分选微生物细胞工厂酶定向进化

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    微液滴高通量筛选方法的研究与应用进展

    秦伟彤杨广宇
    966-979页
    查看更多>>摘要：在单细胞层面对生物功能进行高通量的分析和分选是对关键基因、元件、途径与细胞工厂进行优化的重要技术.基于微液滴的筛选方法因其低成本、超高通量等优势,已被广泛应用于生物、医药、食品和工业等各个领域.本文针对目前主流的荧光激活的液滴分选、吸光度激活的液滴分选,以及无标记液滴分选等微液滴筛选设备的进展进行综述,主要包括基于质谱、拉曼、核磁共振、电化学、图像识别等.并总结了近年来微液滴筛选设备在酶进化、微生物育种等领域应用成功的案例.此外还对不同的微液滴筛选设备的优势与面临的挑战进行了讨论,未来各种新的荧光探针的开发以及质谱等非标记检测方法的进一步发展,将是微液滴筛选设备的主要发展方向,在蛋白质工程、抗体工程、细胞分选及临床研究等方面具有重要的应用潜力.

    高通量筛选微流控分选方法微液滴检测信号

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    原位电离质谱技术在微生物菌株筛选中的应用进展

    刘欢崔球
    980-999页
    查看更多>>摘要：质谱是一种强大的分析工具,可提供分子量和化学结构信息.它具有高特异性、高灵敏度、快速、普适性、微量和非标记等优点.在合成生物学的"设计-构建-测试-学习"工程化策略中,质谱具有重要的应用潜力.随着质谱仪器及其方法体系的不断发展,质谱,特别是原位电离质谱技术,已经成为检测和筛选微生物菌株的重要工具.它能够获取完整的细胞代谢表型,用于合成生物学中的"测试"环节高通量筛选和成像.本文重点介绍了经典的基质辅助激光解吸/电离质谱技术和基于电喷雾、激光和等离子体的原位电离质谱技术的工作机制.此外,还综述了这些质谱技术可以在无需样品预处理的情况下直接检测完整的微生物细胞,以及在微生物突变文库的高通量筛选和活微生物菌落的质谱成像方面的研究进展.最后,总结了原位电离质谱技术在合成生物学中的应用.原位电离质谱技术具有微量、无标记、高通量、普适性、高灵敏度等特点,将在合成生物学"测试"环节的高通量筛选装备中发挥重要作用.

    原位电离质谱技术微生物菌株细胞代谢表型高通量筛选合成生物学

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