合成生物学发展与展望

合成生物学作为认识生命的“钥匙”、改变未来的颠覆性技术,打开了从非生命物质向生命物质转化的大门,实现生命体系的理性设计与编辑,为生命科学研究提供了新范式,引领生物技术迭代发展,催生下一代生物制造新质生产力,塑造未来生物经济。发展二十余年来,合成生物学领域已取得系列突破,创新应用逐步实现,学科体系逐渐形成。合成生物学发展内容主要包括以下三个方面:一是理论体系的提出与构建;二是使能技术的系列突破;三是创新应用的逐步实现。基于合成生物学“造物致知”和“造物致用”核心理念,本文提出,合成生物学的未来发展趋势即人工合成单细胞生命和人工智能(AI)驱动的生物制造。

基础研究内涵及投入统计的国际比较

中国基础研究经费投入占全社会研发投入(R&D)总经费的比例低是一个热点问题,且存在歧义。作者围绕基础研究的内涵、主要国家对基础研究投入统计的比较、提高我国基础研究投入比例的可行性等三个方面开展研究,结论是:中国的R&D经费支出中基础研究占比确实偏低,这可能与中国的社会经济发展阶段有关。中国的目标是2020年进入创新型国家行列、2030年跻身创新型国家前列,而雄厚的基础研究是科技强国的基本特征。为实质性地强化对基础研究的支持,作者提出若干建议。

在线检测用发酵液透析分离器的研究

设计了一种膜透析分离器,以期用于发酵液中葡萄糖浓度的在线检测。对两种膜材料进行了比较,研究了压差、流速、温度和载流液种类对透析分离的影响。在给定的条件下,葡萄糖浓度在10—70mmol/L范围内透过率约为12%。透过率随操作压差、温度而变化,重现性好,CV<4%,对酵母发酵液进行透析分离,葡萄糖透过率至少稳定48h。用于发酵过程在线检测,结果与离线检测相吻合,相关系数r=0.985。

测糖微生物传感器的研究

由酵母菌(Saccharorayces cerevisiae)和氧电极组成的微生物传感器用于蔗糖等低分子糖的测定。响应动力学过程分析表明,动态测定法比稳态测定法优越。对醪液中蔗糖浓度测定,响应时间小于1min,线性范围0—100mg/L,相对误差为±4%,平均回收率为97%。乙醇和精氨酸对测定有较大干扰,22种氨基酸混合液对测定干扰不明显。传感器经连续使用一个月,500次测定,活力仍稳定,无线性漂移现象。该微生物传感器对低分子糖类的响应选择性顺序为:果糖>麦芽糖>葡萄糖>蔗糖,在以上述糖作为唯一生长碳源培养微生物时,可采用本方法测定其含量。

利用填充床生物反应器进行印染废水脱色的研究

前言印染废水治理是环境污染控制的重要内容之一,现行印染废水处理构筑物多为好气生物氧化法,能有效地去除BOD。但脱色效果甚差。常常达不到排放标准,近年来陆续报道了一些新的处理方法,如化学絮凝法,活性炭吸附—生物膜法,电解法,等等。均不同程度地提高了脱色能力。为了结合传统工艺进行技术改造,仍需寻找新的方法。根据固定化细胞原理和技术,作者设计出一种填床求生物反应器。

酶电极流动注射分析法测定葡萄糖

一种酶电极流动注射分析系统(EFIA)用于血糖和发酵葡萄糖的快速测定。研究了酶电极及其工作系统的性能和各种影响参数,,奠定了实用化基础。

两性绵霉菌生物量生产的营养需求和发酵条件的研究

对两性绵霉菌(Achlya ambisexualis)生长所需的大量元素和微量元素进行了调查,在PYG培养基础上研制出ZJK培养基.两性绵霉菌在ZJK液体培养基中的倍增时间为3.5小时,产生的生物量约5.5g/L,为PYG的3倍,体积生产率为0.073g/(L·h),为PYG的2倍.最适生长温度为29℃.最适pH为6.5,pH8时孢子萌发被完全抑制.采用pH6.5控制的生物量培养,碳素和氮素转化率明显提高,分别为47.1%和64.8%,体积生产率比非pH控制的分批培养提高50%.在20L发酵罐中,生长稳定期的氧摄取速率为7.0-8.8mol/(L·h).采用分批补料发酵法,生物量达到15g/L.

国家科学数据共享工程

国际科技数据委员会Committee on Data for Science and Technology (CODATA)是由国科联(ICSU)于1966年组建的一个跨学科的科学委员会。现有国家和地区会员共43个。其宗旨是提高所有科技领域内重要数据的质量,增加它们的可靠性,改进这些数据的管理,并扩大科技数据的可获取性。CODATA关心科技数据的收集、管理、处理、访问及开发,提供物质科学、生物学、地质与地球科学、天文学、气候变化和工程方面的数据(处理)知识和技术,在数据科学与技术上有着30多年领导边缘研究、知识开发及数据库建设的经验,是一个国际的、多侧面的、多学科的数据合作中心。我国于1984年加入CODATA,由中国科学院牵头组织国内有关部委成立了CODATA中国委员会。目前,CODATA中委会在全国组建了九个科技数据工作组,协调各学科领域的数据建设和共享服务工作,包括数据库建立、数据交换、数据服务、数据共享以及学术活动的开展等,组织与CODATA成员国相关学科组的学术交流、数据交换以及数据共享服务。为探讨我国科技数据保护与共享的发展战略,进一步提高我国科技创新能力,由科技部、CODATA发展中国家科技数据保护任务组、CODATA中委会和CODATA美国国家委员会于2004年6月22-24日在北京联合举办“科学数据保护与共享战略国际研讨会”。

分析用酶的分子操纵

阐述了蛋白质工程设计的实验原理、技术及应用研究。

利用生物传感技术研究微生物底物间相互作用

建立了以生物传感技术为基础的微生物代谢研究的新方法。以微生物传感器的响应表示微生物对底物的外源呼吸,采用动态响应模型(初始响应斜率R_x=dI/dt),迅速获得细胞相对呼吸速率,由此观察到苯酚和葡萄糖作为共存底物时在不同的微生物代谢过程中表现不同的相互作用类型(抑制、协同或无作用)。传统的底物降解实验与生物传感器法所得结果相吻合。

分批补料培养：原理,方法和应用

分批补料培养(fed batch culture)特指发酵过程中将某特定的限止性底物流加到反应器中,而目的生成物则要到收获时才提取出来的操作方式,简称FBC,对那些培养基成分的浓度大小显著影响菌体和产物得率的反应过程十分适用。该技术起源于早期的酵母工业,已经有大半个世纪的实践史。有关理论基础,技术方法趋于成熟,应用也逐渐普及。

一种快速测定Ks的新方法

该研究建立了以生物传感为基础的细胞呼吸初速度测定法,用于确定Ks。实验采用动态模型,微生物传感器响应斜率R=dI/dt,响应值表示微生物对代谢底物的相对外源呼吸速率,通过双倒数作图法求出Ks。用本法测得Pseudomrnoas sp.A_4,E.coli N/B和Sacchromyces cerevisiae氧化葡萄糖的Ks分别为3mg/L.7mg/L和135rag/L。Ps.sp.A_4氧化苯酚的Ks为1.5mg/L,该方法具有快速、简便、直观和重现性好等特点,有一定实用意义。

甲基对硫磷降解菌假单胞菌WBC-3的筛选及其降解性能的研究

从农药污染土样中分离出的一株细菌具有彻底降解甲基对硫磷的能力。该菌经生理生化特性分析和 1 6SrDNA序列同源性分析 ,鉴定为假单胞菌属 ,命名为Pseudomonassp .WBC 3。该菌在pH7～ 8、温度 2 3℃～ 3 0℃范围内均生长良好 ,对甲基对硫磷的耐受浓度在单纯无机盐培养基中可达到 80 0mg L ,在含有 0 1 %葡萄糖的培养基中可达到 2 0 0 0mg L。该菌能够以甲基对硫磷作为唯一碳源、氮源 ,将其彻底降解作为生长基质 ,对于 3 0 0mg L甲基对硫磷的降解速度达 1 5mg L·h ,于 2 2h后达到其稳定生长期。该菌对于多种有机磷农药及部分芳烃类化合物具有生化代谢能力。从该菌的细胞周质组分中纯化出的有机磷水解酶在SDS PAGE胶上显示为分子量约为 3 3 5× 1 0 3 的条带。

压电生物传感器与光生物传感器

压电(Piezoelectronic,PZ)生物传感器和光生物传感器(Optical Biosensors)是两类新型的生物传感器,本文简要阐述它们的原理、特点和研究进展。关键词:压电生物传感器,生物光极,SPR。

假单胞菌WBC-3甲基对硫磷水解酶性质的初步研究

从最近分离到的有机磷农药降解菌Pseudomonassp .WBC 3中获得了甲基对硫磷水解酶 (Methylparathionhydrolase,MPH ,EC 3 1 8 3)。该酶在 48h的培养物中分布比例分别为 :上清液 2 1 % ,胞内 86 2 %和胞间质 1 1 7% ,说明MPH为胞内酶。经过CM sepharoseFastFlow阳离子交换层析 ,获得电泳纯的酶。SDS PAGE和凝胶过滤层析表明 ,该酶为单体蛋白 ,分子量约为 34kD。动力学分析显示该酶为非特异性有机磷降解酶 ,但最适底物为甲基对硫磷。在pH9～ 1 2范围 ,酶表现较高活力水平 ,最高活力的反应温度为 40℃。根据各类金属离子和鳌合剂对酶活的影响 ,推测MPH为金属酶。

黑曲霉葡萄糖氧化酶基因的克隆及其在酵母中的高效表达

将黑曲霉葡萄糖氧化酶 (GOD)基因重组进大肠杆菌 酵母穿梭质粒pPIC9,转化甲基营养酵母Pichiapasto risGS115 ,构建出GOD的高产酵母工程菌株。在酵母α Factor及AOX1基因启动子和终止信号的调控下 ,黑曲霉GOD在甲基酵母中大量表达并分泌至胞外 ,经甲醇诱导 3～ 4d ,发酵液中的GOD活力可达 30～ 40u mL。SDS PAGE证实GOD在培养物上清中的含量显著高于其它杂蛋白 ,约占胞外蛋白总量的 6 0 %～ 70 % ,经QSepharoseTM FastFlow离子交换柱一步纯化即达电泳纯。重组酵母GOD比活达 42 6 6 3u mg蛋白 ,是商品黑曲霉GOD的 1 6倍。动力学性质分析表明 ,重组酵母GOD的Km 和kcat分别为 38 2 5mmol L和 34 92 6 6s- 1 ,与商品黑曲霉GOD相比 ,具有更高的催化效率。重组酵母GOD的高活力特性可有效提高葡萄糖传感器的线性检测范围。

体外分子定向进化研究进展

体外定向进化作为近几年发展起来的一种蛋白质改造新策略 ,可以在未知目标蛋白三维结构信息和作用机制的情况下 ,通过对编码基因的随机突变、重组和定向筛选 ,获得具有改进功能或全新功能的蛋白质 ,使几百万年的自然进化过程在短期内得以实现 ,因而是发现新的生物活性分子和反应途径的重要方法 ,已在短短几年内取得了令人瞩目的成就 .

一株胡萝卜素高产菌C_(r-1)的研究

从空气中分离一株分枝杆菌属菌株C(?)_(-1)能够在以1～1.5％蔗糖或葡萄糖为唯一碳源的培养基中良好生长,并产生桔红色的胞内色素,经鉴定为类胡萝卜素。其色素的形成与细胞生长同步。在最适条件下,色素产量可以达到650mg/L,其中β-胡萝卜素的含量占总色素量43.17％。

大肠杆菌碱性磷酸酶的体外定向进化研究

大肠杆菌碱性磷酸酶 (E .colialkalinephosphatase,EAP ,EC 3 1 3 1)是一个非特异性二聚体磷酸单酯酶 .采用易错聚合酶链反应 (errorpronePCR)的方法 ,在原有高活力突变株的基础上 ,对EAP远离活性中心催化三联体的区域进行定向进化 ,经两轮errorpronePCR ,获得催化活力较亲本D10 1S突变株提高 3倍、较野生型酶提高 35倍的进化酶 4 186 ,并对该酶的催化动力学特征进行了分析 .进化酶基因的DNA测序表明 4 186含两个有义氨基酸置换 :K16 7R和S374C ,二者既不位于底物结合位点 ,也不位于酶的金属离子结合位点 .

金黄色葡萄球菌肠毒素C2的基因克隆、表达及其生物学活性

利用PCR技术从金黄色葡萄球菌的基因组DNA中克隆SEC2全长基因,PCR产物与pGEM-T载体连接,经测序证实后进行亚克隆,构建其表达载体pET-28a-SEC2,在大肠杆菌BL21(DE3)中表达成熟重组蛋白(rSEC2),纯化rSEC2蛋白并对其生物学活性进行研究. 结果表明:成功克隆了SEC2全长基因,测序证实该基因共717 bp,编码239个氨基酸,与GenBank中收录的SEC2成熟蛋白质序列完全一致,SEC2基因登录GenBank(Accession number:AY450554);构建了SEC2的表达载体pET-28a-SEC2,并在大肠杆菌BL21(DE3)中得到高效可溶性表达,可溶性的rSEC2经Ni2+亲和层析纯化达到电泳纯,纯化的rSEC2蛋白经蛋白质印迹检测,并能有效刺激人外周血单个核细胞的增殖,被rSEC2刺激的外周血单个核细胞在体外对肿瘤细胞的生长有显著的抑制作用.