重编程微生物底盘用于PHA材料的定制化低成本生物合成

合成生物学为新材料合成提供了无限可能,将为材料学带来变革性影响。环境友好型材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为合成生物学与材料学深度融合的产物,是微生物胞内合成一类线性高分子聚酯,被认为可部分替代传统化学塑料。PHA含有至少150种单体,其组成、结构及性能的多样性带来了广泛的应用前景,形成了PHA家族或组学。PHA在学术界和产业界已深入研究了30多年,其中个别PHA材料已实现了商业化生产。利用合成生物学和代谢工程重新编程高性能微生物底盘细胞,并控制不同前体底物比例,可实现具有不同结构和性能的PHA材料的定制化合成。下一代工业生物技术是基于嗜盐微生物的节能节水的连续无灭菌开放式工业发酵工艺,能大幅度降低生产成本,更推动了PHA材料的低成本规模化生产。本文就PHA家族的组成以及工程化微生物底盘利用下一代工业生物技术高效低成本地合成多样化的PHA材料方面的进展做一简要综述,将重点介绍PHA家族的单体组成、材料性能和包含塑料、医用、能源、智能材料等领域的PHA应用价值链,以及重编程的假单胞菌和嗜盐单胞菌在PHA定制化低成本合成中的一些工程化技术和成果、产业化应用情况,并针对如何进一步降低生产成本及提高材料性能进行探讨。本文对基于合成生物学的生物材料定制化合成研究有重要参考价值。

自抗性基因导向的活性天然产物挖掘

天然产物是医药与农药的重要来源。基因组测序和生物信息学分析技术的飞速发展,揭示了大量功能未知的天然产物生物合成基因簇,利用生物信息学工具,从这些庞大的基因簇数据中挖掘活性天然产物已经成为发现新型天然药物的重要途径。天然产物的生产者们利用自抗性基因所表达的自抗性酶来保护自身,这种自抗性酶是体内一些初级代谢途径中管家酶的变体,不但对于活性天然产物具有较好的耐受性,还可以在生产活性天然产物的同时确保宿主体内代谢的正常进行。因而,自抗性基因指导的天然产物研究有效地将活性导向和基因组导向的天然产物发掘策略桥连起来,为精准发掘具有目标活性的新型天然产物提供了有效策略。本文对利用自抗性基因作为探针进行天然产物发掘的代表性研究工作进行了整理和总结,并对研究趋势进行了展望,主要包括:①对于活性已知的天然产物,利用其自抗性基因来定位生物合成基因簇的研究;②以天然产物生物合成基因簇中的自抗性基因为线索,预测产物的作用靶点的研究;③利用天然产物自抗性机制,将具有已知作用机制的活性分子进行快速排重的研究;④利用自抗性基因与天然产物及其活性的内在联系,以目标靶点导向的活性天然产物基因组挖掘;⑤自抗性基因导向的基因组数据挖掘工具的发展情况。

群体感应在噬菌体与细菌交互中的核心作用

在微生物生态系统中,细菌与噬菌体之间的复杂互动如同一场微观战争,而群体感应(quorum sensing,QS)系统则是这场战争中的关键通信网络。本文综述了QS系统的基本机制、对细菌群体行为的调控作用及其在细菌与噬菌体互作中的重要性。细菌通过分泌和感知特定信号分子,利用QS系统调控群体行为和基因表达,以应对环境变化和密度压力。而噬菌体作为细菌的克星,其编码的蛋白或产物能够干扰宿主的QS系统,从而影响宿主行为,进而提高噬菌体的感染和传播效率。深入研究QS系统在微生物交互中的作用,不仅有助于揭示微生物战争的复杂机制,还能推动耐药菌防治和生物技术的发展。

基于热泡喷墨技术制备均匀细胞球的创新方法

细胞球在药物发现、生理病理学研究和组织工程等多个领域发挥重要作用。然而,传统的制造细胞球的方法限制了其应用。本文提出了一种基于热泡喷墨打印技术的系统性方法,称为聚集打印,它可以快速、高通量且低成本地产出均匀尺寸的球体。聚集打印可以在16 min内产出864个直径均匀的细胞球。本文以CHO细胞作为研究对象,仔细分析了打印后的细胞活性。同时,为了提高细胞球体尺寸的均匀性,提出3种优化方法,分别可以将细胞球体直径的变异系数(CV值)降低17.04%~48.38%不等,最后研究了打印后的细胞球培养0、1、4、7 d的生长情况。实验结果充分证明了聚集打印方法在细胞球体制造方面的优势性,本方法也为类器官的制备提供参考。

食品中麸质及其生物传感检测方法研究进展

麸质引发的乳糜泻是严重的自身免疫疾病,只有终身实行严格的无麸质饮食才能缓解大多数麸质敏感人群的症状。可以即时、现场、快速地检测食品中麸质含量的传感器能够有效保障麸质敏感人群的生活质量。本文介绍了麸质敏感以及乳糜泻的发病原理,并详细阐述了麸质检测生物传感器的识别原理,最后从比色、荧光以及电化学3种不同信号输出类型出发总结了食品中麸质快速检测生物传感器的应用场景。以期为食品中麸质的快速检测传感器研究提供基础。

T细胞免疫反应载体疫苗在人类疾病预防和治疗中的应用

人类疾病,特别是传染病和癌症,对公共卫生安全和全球经济构成前所未有的挑战。预防和治疗性疫苗的开发是应对人类疾病的优先对策。本文综述了疫苗载体的免疫学原理、T细胞载体疫苗设计策略及疫苗研究进展,为新型疫苗的设计提供新的思路。T细胞可以在机体发生感染后分化成不同的效应T细胞群,它们可以起到清除病原体的作用,关于效应T细胞功能和机制的研究对于设计能够引发基于T细胞免疫的疫苗至关重要。目前很多病毒(例如HIV、HCMV感染)和肿瘤疫苗的研发都侧重于T细胞类疫苗,在所有疫苗种类中,激活T细胞免疫反应的载体疫苗具有显著优势。许多来源的载体,包括病毒载体、细菌载体和核酸载体,它们在抗原提呈能力、免疫原性和保护效力方面都有良好的表现。此外,还总结了T细胞载体疫苗设计的策略,包括确定适当的抗原提呈途径和载体递送途径、确保生物安全性、如何选择合适的疫苗的载体、各种载体疫苗的优缺点等,尤其是mRNA疫苗在应对新冠疫情中发挥了重要的作用。疫苗载体的技术进步将会加速新型疫苗的研发,并且能促进人们对突发公共卫生事件的应对。

负碳人工光合群落的设计、优化与应用

CO_(2)生物转化技术的开发为解决能源转型和气候变化问题提供了可能。人工光合群落是由密切协作的光合自养微生物与异养微生物组成的新一代生物炼制平台,能够通过群落成员间的互利代谢分工,高效地利用光能将CO_(2)直接转化为生物质和多种化学品,是实现负碳生物制造的潜在途径之一,因其在适用性和鲁棒性方面的优势受到了广泛的关注。近年来,随着系统生物学研究和合成生物技术的快速发展,多种研究策略被用于人工光合群落的设计与优化,取得了长远的进展,促进了对光合群落生产的理解。本文综述了光合群落的互作机制、独到优势和系统生物学研究方法,着重介绍人工光合群落的底盘升级、固定化/区室化技术、加强内部多层次调控等设计与优化策略以及在不同领域的应用进展。在此基础上,探讨了进一步将人工光合群落规模化应用所面临的光合效率和中间碳水化合物限制以及外源生物污染等潜在挑战,对纳米半导体材料杂合、物种间精细互作关系调控、基于多组学数据的群落模型构建等未来的改造方向和研究策略进行了展望。

肿瘤类器官及其在合成生物学中的研究进展

类器官技术的发展为更接近机体细胞组成和病理生理特征的癌症模型开辟了新途径。患者来源的肿瘤类器官在多次传代后仍能维持原有肿瘤的组织病理学及遗传表型特征,不仅可作为测试新型抗癌药物的优良模型,也可通过其药物敏感性测试预测患者的临床反应,为肿瘤患者的个体化精准治疗提供可靠的依据。合成生物学是以工程学思想为指导,提供独特工具来重建空间和动态信号,调控细胞间通信。合成生物学的快速发展,为肿瘤类器官在肿瘤的发生发展及肿瘤治疗等方面提供了一系列崭新的思路和方法,包括如何工程化重建类器官空间与动态信号、细胞稳态维持、细胞间通信调控等。本文概述了肿瘤类器官的构建过程及其在合成生物学中的应用,讨论了肿瘤类器官当前在构建效率、标准化、自动化、精确度等方面的局限性,最后展望了合成生物学在推动肿瘤类器官结构和功能复杂化方面的前景。

文库构建与基因簇靶向筛选驱动的微生物天然产物高效发现

微生物天然产物作为小分子药物的主要来源,已被广泛应用于医药与农业等领域。随着全球抗生素耐药性与其他公共健康问题的加剧,新结构、新靶点微生物天然产物发现迫在眉睫。大规模(宏)基因组测序揭示微生物蕴含了巨大的生物合成潜力,相继催生了多种不同类型的天然产物挖掘策略。然而,目前仍然缺乏将天然产物合成基因簇与编码产物快速关联的高效方案。近年来,(宏)基因组文库构建在获取批量天然产物合成基因簇方面展现出明显优势,结合高效的基因簇靶向筛选方法,显著加速了新结构天然产物系统发现。本文综述了三类基于(宏)基因组文库构建与靶向筛选驱动天然产物创新发现的策略,主要从克隆载体类型、文库构建方式、基因簇靶向筛选方法等角度进行了阐述,并对Cosmid/Fosmid文库、BAC/PAC文库、FAC/YAC文库等不同文库类型的优缺点及应用范围进行了对比,最后对这些策略的发展前景进行了展望。未来,基于文库构建与基因簇靶向筛选策略将极大驱动不同生境微生物来源的活性天然产物挖掘,预期大量新靶点、新结构天然产物将不断涌现。

股骨颈动力交叉钉系统与空心螺钉治疗股骨颈骨折疗效的Meta分析

目的系统评价股骨颈动力交叉钉系统(FNS)与空心螺钉(CS)治疗成人股骨颈骨折在围术期及恢复期的疗效。方法检索知网、万方、维普、CBM、PubMed、Embase、Cochrane数据库,收集有关2种内固定方案疗效比较的相关文献。采用Review Manager 5.3软件对最终纳入研究的文献进行Meta分析。结果本研究共纳入24篇回顾性队列研究,共1661例,其中FNS组(FNS治疗)为783例,CS组(CS治疗)为878例。FNS组的术中透视次数(MD=-9.69,95%CI:-11.27~-8.11,P<0.01)、完全负重时间(MD=-1.69,95%CI:-2.88~-0.50,P<0.01)、骨折愈合时间(MD=-1.15,95%CI:-1.57~-0.73,P<0.01)、末次随访Harris评分(MD=-1.5,95%CI:2.30~4.59,P<0.01)及股骨头坏死率(OR=0.48,95%CI:0.26~0.91,P=0.02)优均于CS组;但FNS组术中出血量(MD=17.72,95%CI:9.88~25.55,P<0.01)、术区切口长度(MD=0.39,95%CI:0.04~0.73,P=0.03)均大于CS组。2组在手术时间(MD=-3.78,95%CI:-7.95~0.39,P=0.08)、住院总时间(RR=-0.14,95%CI:-0.43~0.14,P=0.32)方面比较,差异无统计学意义。结论FNS治疗成人股骨颈骨折具有术中透视次数少、完全负重时间早、骨折愈合速度快、髋关节Harris评分高等优点,但与CS相比,术中出血量较多及术区切口较大。

FC-TBL教学模式在生物制品学课程中的实践研究

生物制品学是以现代生物技术为核心的一门新的独立学科,其研究成果在全球重大、流行性疾病的预防、治疗、诊断中发挥了不可忽视的作用。本研究以培养创新型生物技术人才为目标,在生物制品学课程中开展了以互联网+学习平台为基础的“自主初探+团队协作+师生探讨”相结合的以团队为基础的翻转课堂(flipped classroom and team-based learning,FC-TBL)教学模式,并从教学设计、教学资源平台建设、教学评价体系建立3个方面总结了该教学模式的实践经验,以期为相关教学研究提供参考。

经济发展新格局下建设生物制造产业科技创新平台的路径与对策——基于北欧两国经验的比较

为有效借鉴国外先进经验,在比较北欧国家瑞典和丹麦与中国生物制造产业发展异同点的基础上,系统分析两国围绕建设生物制造产业科创平台应对资源与环境可持续发展压力的创新举措。基于瑞典重点发展以生物质能为代表的森林生物技术中心、Testa中心和丹麦诺和诺德基金会建立生物可持续研究中心来发展生物制造产业技术的成功经验,提出加大政府引导力度、扩大资金投入、增强企业主体地位、探索创新运行管理模式、集聚国际优势团队打造成果转化长效机制等建设生物制造产业科创平台的路径与对策,以促进我国从生物制造大国向强国转变。

透明质酸水凝胶包裹骨髓间充质干细胞改善心肌梗死大鼠的心功能(Ⅲ)

背景:作者前期的研究结果显示透明质酸水凝胶包裹骨髓间充质干细胞显著改善大鼠心肌梗死后心功能。目的:探索透明质酸水凝胶及骨髓间充质干细胞促进心肌修复的分子机制。方法:分离培养雄性SD大鼠骨髓间充质干细胞,然后用透明质酸水凝胶包裹骨髓间充质干细胞在培养皿中进行体外三维培养。结扎雌性SD大鼠左冠状动脉前降支制作心肌梗死模型,1周后行超声检测,将符合条件的大鼠随机分为4组:①PBS组(n=12);②透明质酸组(n=12);③骨髓间充质干细胞组(n=15);④骨髓间充质干细胞+透明质酸组(n=15)。造模1周后将模型鼠行二次开胸,按照分组将PBS、透明质酸水凝胶、骨髓间充质干细胞、透明质酸水凝胶包裹骨髓间充质干细胞注射到梗死边缘区及梗死区。移植后1 d、1周、2周,Western blot检测梗死区域及周边的基质金属蛋白酶2、血管内皮生长因子、胸腺素β4以及c-Kit的蛋白表达水平,移植后2周免疫荧光检测移植细胞的分化情况。结果与结论:①在移植后1周时,骨髓间充质干细胞组的基质金属蛋白酶2及血管内皮生长因子蛋白表达水平明显高于其他3组(P<0.05);在移植后2周时,透明质酸组的基质金属蛋白酶2及血管内皮生长因子的表达水平明显低于其他3组(P<0.05),但骨髓间充质干细胞+透明质酸组的基质金属蛋白酶2及血管内皮生长因子表达水平与骨髓间充质干细胞组相比无差异,这可能反映了透明质酸水凝胶对骨髓间充质干细胞分泌的因子起到缓释作用以至于移植细胞的旁分泌效应得到延长,这种延长的旁分泌效应抵消了2周时透明质酸水凝胶引发的抑制效应;②与PBS组相比,透明质酸组、骨髓间充质干细胞组及骨髓间充质干细胞+透明质酸组的胸腺素β4及c-Kit表达水平明显升高(P<0.05);③移植后2周未检测到移植细胞向心肌细胞或血管分化;④提示:移植的骨髓间充质干细胞是通过旁分泌作用促进心肌修复,透明质酸水凝胶延长了移植骨髓间充质干细胞的旁分泌作用。

基于混沌系统和喷泉码的DNA加密编码方法

在这个海量数据时代,DNA是一种很好的新信息存储媒介。与传统的物理存储介质相比,它具有能耗低、存储密度高、存储寿命长等固有的优点。随着DNA存储技术的快速发展,如何保障新技术下的信息安全至关重要。为此,该文结合加密领域研究和DNA编码领域研究,提出了一种基于混沌系统和喷泉码的DNA加密编码方法,利用混沌系统加密原理,在DNA喷泉码编码过程中进行加密,在保留DNA喷泉码特性的同时,保障了编码信息的安全性。该方法可用于任意类型数据,可实现高信息密度和任意约束条件的DNA编码。同时,通过仿真实验证明,该方法可以有效抵抗多种密码学攻击,并对DNA存储过程产生的数据错误有一定纠错能力。

纤维素加氢制取小分子醇的研究进展

纤维素是自然界储量最为丰富的生物质资源,纤维素催化加氢可得到山梨醇、甘露醇和1,2-戊二醇等小分子醇。笔者总结了纤维素加氢制备小分子醇的2种反应机制,详细综述了贵金属、过渡金属及金属和杂多酸类催化剂在纤维素加氢制取小分子醇中的研究进展,并且展望了该技术面临的挑战和未来发展方向。

湖南省油菜秸秆资源作为生物质产业原料的潜力量化评估

油菜(Brassica napus L.)秸秆作为重要的生物质资源,在环境保护和经济效益方面有着显著优势,具有高纤维素含量、利用成本低等优点,合理的利用可为相关产业原料的供应提供重要保障。湖南省作为中国油菜主产区,理论上具备产业化开发的潜力。全面了解生物质产量潜力和原料品质的区域差异是合理利用秸秆资源的前提与基础。因此,该研究对湖南省油菜秸秆资源产量潜力和原料品质空间异质性进行研究,基于此对油菜秸秆作为未来生物质产业原料的潜力进行评估。结果表明:湖南省油菜秸秆年产量为660.47万t,其中以湘北(35.71%)和湘中地区(32.43%)贡献最大,产量潜力分别达到了235.84万t和214.21万t。湖南省油菜秸秆生物质原料品质存在较高的异质性,所有表征指标的变异系数(coefficient of variation,CV)值均很高(>0.50)。生物质原料品质差异主要表现在重金属含量方面(CV>5.00)。此外,油菜秸秆生物质在灰分含量(CV=3.02)、木质素含量(CV=1.17)和纤维素聚合度(CV=1.15)方面也具有较为明显的差异。基于测定的多项品质指标,该研究通过构建基于隶属函数的生物质生产潜力指数进行原料品质指标的归一化处理。从生物质生产潜力指数上看,湖南省油菜秸秆最适合生产半纤维素基产品,尤其是湘北地区的油菜秸秆(潜力指数为0.60)。总体上看,具备较高产量潜力和较优原料品质的湘北地区可作为全省油菜秸秆产业的先行原料供应区。

重组大肠杆菌全细胞催化法生产N-乙酰神经氨酸

N-乙酰神经氨酸具有多种生物学功能,在食品添加剂和药物合成等方面有着重要的应用。为了降低成本,作者利用重组大肠杆菌,并以含有N-乙酰葡萄糖胺的发酵液为底物进行全细胞催化生产N-乙酰神经氨酸。结果表明,在温度为30℃、转化液初始pH为6.5、底物丙酮酸浓度为1.38 mol/L、Triton X-100添加质量分数为0.4%、菌体OD_(600)为30的条件下在5 L发酵罐等条件下进行全细胞转化,可以得到N-乙酰神经氨酸180 mmol/L,摩尔转化率为65.45%。用阴离子树脂对产物进行初步分离纯化,经高效液相色谱分析证实纯化后产品为高纯度N-乙酰神经氨酸,其纯度为98.3%,结晶回收率为42.5%。作者建立并优化了一种以含有N-乙酰葡萄糖胺的发酵液为底物直接进行全细胞催化生产N-乙酰神经氨酸的工艺流程,既节约了成本,又具有可持续发展的优势。

油料作物种子中神经酸含量提升研究进展

神经酸(NA)是一种超长链单不饱和脂肪酸,为大脑神经纤维髓鞘的核心成分,具有修复受损大脑神经纤维、促进神经细胞再生等功能。因此,NA受到越来越多的研究和关注。目前NA主要依赖于从天然物种中提取,难以满足市场需要,限制其进一步发展和应用。近年来,随着基因工程以及合成生物学的发展,通过多基因策略,在现有物种中构建NA代谢路径,可经济且可持续地获得NA,以满足营养、制药和化学工业等领域的需求。本文综述了NA的生物功能、生物来源、合成途径,并比较了基因工程生产NA各底盘的优劣,进一步探讨了十字花科油料作物底盘生产富含NA种子油的影响因素,以期为将来通过转基因技术和分子育种调控NA的生产,获得可再生的NA资源提供一定的思路和策略。

合成微生物的环境风险防控与检测技术研究进展

合成微生物(基因改造、修饰和重建的微生物)在生物制造、疾病诊疗、环境修复等领域展现出巨大应用潜力。与此同时,合成微生物的规模化应用可能存在环境生物安全风险问题,造成物种入侵、多样性丧失和生态系统破坏等不可预计的后果。为此,本文总结了合成微生物环境释放后潜在的生物安全风险,围绕合成生物学建立的环境防御与检测技术展开讨论,并对未来如何更好地避免工程微生物的环境风险问题提出展望。经梳理发现:①合成微生物释放引发的环境风险主要包括危害环境生物安全、水平基因转移及生态位占据和破坏等,这主要与合成微生物改造后的特性及携带的外源片段有关。②通过营养缺陷型或环境敏感型微生物、基因线路、使用非天然元件、限制质粒异源复制等技术可避免合成微生物在环境中的存活或核酸扩散,针对不同微生物的特性可采取相应策略。③分子标记、生物传感、快速核酸检测等针对合成微生物的特异性检测方法,以及微生物条形码与高通量测序等通用性检测技术可用于合成微生物的环境追踪。鉴于此,提出今后重点研究方向:一是升级高效、稳定型生物封存策略以应对微生物的快速进化;二是分析合成微生物的环境生存能力及分级预估其潜在风险;三是研究合成微生物与环境生物的互作机制及其对环境生物的影响;四是开发环境消减技术建立以确保合成微生物失控释放后的高效清除。

DNA信息存储核心技术及其发展

在过去的几十年里,互联网技术的发展和普及推动人类进入了数字信息时代,互联网已成为人类生活的重要组成部分。随着数字化生活方式的到来,人们每时每刻都在产生大规模的数字信息,如何将这些信息进行便捷有效的存储是个必须面对的问题。针对数据存储面临的种种问题,该文从现有的存储方式和存储介质出发,对当前存储领域进行深入研究,分析了DNA作为未来大数据存储介质的优势,以及DNA存储的核心技术和潜在的应用前景。另外,该文通过对DNA信息存储的核心技术进行剖析和讨论,提出了未来DNA信息存储发展的趋势和见解,以期对DNA信息存储发展提供新的思路。