山西合成生物产业发展现状及趋势

山西作为资源型经济省份,实现碳达峰碳中和意义重大。合成生物学利用合成生物技术大大减少碳排放, 符合绿色低碳发展的要求,是山西省重点发展的产业链之一。为响应国家“双碳”战略目标,2020 年 10 月,山西省 综合改革示范区引进凯赛生物,打造全球首个百万吨级生物基新材料项目,启动建设“山西合成生物产业生态园”, 形成了完整的产业集群设计。为助力山西合成生物产业的发展,山西省率先开展合成生物学人才培养,2021 年 2 月 由时任山西省委书记楼阳生揭牌成立山西大学合成生物学学院。学院于 2022 年获教育部批准建设合成生物学本 科专业,2023 年获批建设合成生物学交叉学科博硕士学位点,形成了完整的本硕博一体化培养体系。申请获批合 成生物产业学院,着力打造一所体制创新、特色鲜明、致力于合成生物学领域高素质人才培养和科技创新的高水平 新型学院,助力山西省经济转型跨越发展。本文放眼国际,立足山西,就合成生物产业及学科建设现状及趋势进行 综述。

类精子干细胞介导的遗传改造与应用

类精子干细胞是源自小鼠孤雄囊胚中的一种新型单倍体胚胎干细胞,仅含父源遗传物质,性染色体为 X 染 色体,能在体外自我更新、增殖和诱导分化。类精子干细胞技术结合 CRISPR/Cas9 技术,通过卵子注射可高效稳 定地获得基因型确定的半克隆小鼠。类精子干细胞介导的遗传改造具有广泛的应用前景:高效建立动物模型,快 速模拟复杂疾病,挖掘新的诊断和治疗方法;实现动物模型个体水平的靶向遗传筛选;推动基因组标签计划的规模 化实施。

合成生物学点亮木质素增值之路

木质素是自然界最丰富的芳香化合物来源。然而,受到木质素结构复杂性和异质性的限制,木质素的解聚 和转化一直是其可持续利用的主要难题。新兴的合成生物学为木质素有效增值提供了良好的技术支持。本文简 要介绍了木质素解聚的多种策略,重点讨论了合成生物学在木质素转化为高附加值化学品的应用,并展望了今后 木质素生物转化的研究和应用的关键挑战。

资源昆虫基因编辑在合成生物农业的应用

合成生物学采用工程设计理念,对生物体进行有目标的设计改造乃至重新合成,创建出特定功能或非自然 功能的人工生物或人造产品。世界各国都在加快合成生物技术在农业中的应用,以应对全球气候变化、人口增长、 环境污染和资源匮乏等问题,促进“双碳”目标的实现。昆虫是自然界中种类最多、数量庞大的种群,其中直翅目 (Orthoptera)农业害虫飞蝗(Locusta migratoria)及双斑蟋(Gryllus bimaculatus)易于培养,富含蛋白质、脂肪、氨基 酸、矿物质和维生素,营养价值高,可成为农业生产中重要的蛋白质来源,已成为新型资源昆虫。昆虫生产耗能少, 其产生等量蛋白所消耗的水、饲料及温室气体排放量远远少于传统的畜禽养殖,已被欧盟和日本等国家作为未来 食品进行研究和开发。以 CRISPR/Cas9 为代表的基因编辑是合成生物学领域的重要技术,可在基因组水平实现 基因定点敲除、插入和修饰,进而调控基因表达和物种性状,其在资源昆虫中的推广和应用,可促进资源昆虫优质 种群和品系开发,助力合成生物农业快速发展。

合成生物学在AAV基因治疗中的应用

基因治疗在精准医学中崭露头角,对医疗和诊断产生深远影响。腺相关病毒(AAV)基因载体成为基因治 疗中领先的基因传递工具,其作为安全、免疫原性低、血清型多样、具有组织特异性的临床基因治疗载体,在体内具 有长期效果。然而,AAV 递送的基因过量表达可能引起毒性或副作用。因此,新一代合成生物学工程化的 AAV 载体正在崛起,合成生物学能够在细胞转导和基因表达的不同阶段对载体功能进行控制,精准调控目的基因表达。 本文将围绕基因环路的设计思路和方法,AAV 基因治疗的研究进展以及合成生物学在 AAV 基因治疗方面的研究 进展进行介绍。最后对合成生物学驱动的 AAV 基因治疗走向临床治疗的应用前景和挑战进行展望。合成生物学 驱动的 AAV 基因治疗在提供精准和个性化治疗方案方面展现出巨大潜力,有望扩大治疗范围并降低成本,但同时 面临免疫应答、靶向性、生产成本及伦理监管等关键挑战。

新型生物医用材料A型重组Ⅲ型人源化胶原蛋白

胶原蛋白是人体重要的细胞外基质成分,具有着特殊的“三螺旋”结构,既是结构蛋白又是功能蛋白,也是 重要的生物医用材料。目前市场主流的胶原蛋白主要是通过动物组织提取获得,无法避免种属差异带来的免疫原 性及动物病原体风险,同时,低丰度胶原蛋白无法通过动物组织提取获得。利用合成生物制备重组胶原蛋白是胶 原蛋白产业发展趋势,尤其是通过功能区策略制备的重组人源化胶原蛋白,不仅能够避免免疫原性,还可保障胶原 良好的生物相容性与活性。本文重点介绍山西锦波生物医药股份有限公司 A 型重组Ⅲ型人源化胶原蛋白新材料 的研发历程,同时分析其可能的创新应用场景。首先,通过高通量筛选获得具有 164. 88°特殊三螺旋结构的人Ⅲ型 胶原蛋白核心功能区。随后对该功能区进行 16 次线性重复,获得 A 型重组Ⅲ型人源化胶原蛋白,其氨基酸序列中 无任何外源非人胶原蛋白序列。经多种方法检测,其具有三螺旋结构,与细胞互作时不进入细胞,通过改善细胞外 基质,有效发挥修复再生功效,有望在皮肤损伤修复、妇科、心血管科、骨科、口腔科等领域发挥重要作用。目前,其 在重组胶原注射领域占据主要市场地位,突破 40 年仅有动物胶原注射的时代。

癸二酸的合成及产业化现状

长链二元羧酸是一类重要的化工原料,可用于生产优质工程塑料、耐高温润滑油、表面活性剂和化妆品等。 目前全球对于长链二元羧酸的需求呈逐年增长态势。在此,本文以长链二元羧酸中的癸二酸为例,总结和评价了 目前癸二酸的制备方法,包括化学合成法和生物催化法,并简要介绍了其产业化现状。

微藻合成生物学应用及前景

微藻是一类水生光合自养微生物的统称,其高效的光合固碳效率对维持全球生态系统稳定具有重要意义。 20 世纪开始,人们致力于探索微藻高效固碳机制和细胞内多种生物活性物质功能。微藻天然的高效固碳能力、丰 富的色素种类及高脂质含量,使其在光合固碳、高值色素和生物燃料领域具有其独特的优势。传统上,人们往往通 过分离筛选高效藻株来实现产量及效率的提升,然而,微藻较低的生物量导致其优势无法与现代经济产业完美的 融合。合成生物学为改造微藻进而提高其生产力开辟了新的途径。本文讨论了合成生物学在微藻于碳中和、高值 色素和生物燃料领域的应用及未来的发展方向。

合成生物学与人工生命的相遇

人工生命是对生命本身和生命过程的跨学科研究,是一个多样化的研究领域,其中包括干人工生命与湿人 工生命两大领域,从干人工生命中划分出利用数字结构创造模拟或展现生命行为的软人工生命以及利用硬件产生 逼真系统的硬人工生命,湿人工生命领域衍生于分子生物学,通过生物化学物质合成生命系统,即合成生物学。两 个领域的一个共同的主题就是从非生命部分构建生命系统,建立详细的生命模型。本文将聚焦人工生命的两大领 域,从历史的角度梳理二者之间的源渊,进而更好地探索和理解生命的奥秘。

近十年运城盐湖藻类植物资源研究进展

盐湖是湖泊的一种极端类型,即含盐量较高的咸化水体,它是多因素、多物源和极端环境下综合作用的产 物。中国是世界上少数现代盐湖发育的国家之一,约有千余个盐湖(包括干盐湖),主要集中在中西部和东北部地 区。运城盐湖位于山西省运城盆地东南部,是世界第三大硫酸钠型内陆湖泊,为华北地区最大的盐湖,也是我国较 大的卤水湖之一。运城盐池湖区的水域极为复杂,除了区域中心的盐湖以外,在盐湖的周边还覆盖有许多其他的 水体,这些水体包含了天然水体的 4 种类型,即淡水水体、混盐水体、真盐水体和高盐水体。本文综述了近十年运城 盐湖藻类植物的研究进展,包括区系分类、群落结构特征及与盐度的关系、植物资源藻种及优化培养、盐生杜氏藻 分子生物学等方面。最后,对该研究领域目前面临的问题进行了总结,并提出了今后研究的发展方向。

黄河流域淡水生态系统典型新污染物的生态风险评估

近些年来,新污染物因其对水环境产生的风险而受到了广泛关注。本文以黄河流域为例,基于 52 种内分泌 干扰物、药物和个人护理产品的环境暴露数据和生态毒性数据,计算了它们的生态风险,识别了优先控制的污染物 和热点污染区域。结果表明,内分泌干扰物和个人护理品对黄河流域淡水生态系统的风险较高,如 17β-雌二醇、雌 酮、4-特辛基苯酚、17α-乙炔雌二醇、雌三醇和三氯卡班。与黄河流域上游相比,中下游地区受到的生态风险相对较 大,其中红霉素、多西环素和磺胺二甲氧嘧啶在各个河段的风险值都较高。黄河支流灞河中的多种污染物的浓度 呈现出最高值,是黄河流域的热点污染区域,其次是黄河支流(河南段)、黄河支流(山东段)和黄河支流汾河。

文献所见中国传统炼锌术——兼论北宋苏轼炼锌文本的发现

中国是世界上炼锌历史最悠久的国家之一。我国学者对传统炼锌术的研究已有百年历史。然而,古代炼 锌工艺史料极其缺乏,限制了对传统炼锌术的研究。明代以前有关炼锌的记载一直未发现。我们梳理了散见于文 献的传统炼锌资料,发现了北宋苏轼记录的炼锌文本。该文本是目前所知我国年代最早的炼锌工艺史料,表明早 在 11 世纪我国已经出现了原始的炼锌术。苏轼炼锌文本所载工艺极富启发性,为解决世界炼锌史上的重要争议问 题提供了新材料。

乡村振兴背景下如何构建特色产业技术体系? ——以广西横州市茉莉花产业为例

在中国的乡村振兴战略中产业兴旺具有首位重要的意义,农村地区要实现产业兴旺需要持续地致力于特 色化的产业技术体系构建。改革开放初期,广西横州市就开始发展茉莉花产业技术。在经历了供过于求、品种老 化、同质竞争、附加值低、模式单一等发展瓶颈后,茉莉花产业技术逐步走上延展技术链、培育产业分支、增强产业 动能、发展自主品牌、构建市场体系、发展产业文化的体系化发展道路。广西横州市茉莉花产业发展为各地实现产 业兴旺提供了可借鉴的经验。

高能物理的超冷量子模拟——格点规范场及冷原子实现

在现代物理学中,高能物理和冷原子、分子物理似乎有着明显的研究界限。前者通常在亚原子的尺度上, 讨论高速运动的相对论性基本粒子的物理性质;而后者往往在原子或分子尺度上讨论低能、低速粒子的运动规律。 那么,是否有必要,并且有可能利用超冷原子、分子来模拟高能基本粒子的物理行为是一个有趣的问题。同时,因 其连接了当今物理学的两个重要且广泛的研究方向,这一问题在发掘高低能物理之间的普遍联系和拓宽物理学的 研究范畴方面也蕴含着一定的潜在价值。在过去的几年中,人们已经在这个新的研究方向上做出了一系列有趣的 尝试,并获得了一些可喜的进展。在这个系列文章中,我们回顾近期高能物理量子模拟的重要进展,其中包括阿贝 尔和非阿贝尔规范场的量子模拟、量子场论模型的冷原子量子实现、高能模型的数字化模拟手段、方法等。因为这 是一个高度交叉的领域且发展迅速,我们拟根据前沿进展和自身的研究情况,分期完成这一系列进展综述,并期望 这一综述可以引起相关领域的研究者的兴趣。本文重点介绍高能物理量子模拟的研究意义和价值,并讨论阿贝尔 规范场的量子模拟和冷原子实现。

留德学生与美国研究型大学的兴起(1860-1910年)——基于文化迁移的视角

十九世纪中叶,美国古典大学危机达到顶峰,激起了学生留学德国的浪潮。德国大学孕育了一批美国高等 教育的改革者,他们推动了美国研究型大学的兴起。本文试图从文化迁移的视角分析洪堡模式得以在美国落地生 根的背景、文化迁移中介者的产生及其在美国研究型大学建立中的作用。作为一种思想、文化产品,改革者们并没 有简单重复洪堡模式,而是将德国经验与美国高等教育系统原有参数进行有效整合,建立了更符合美国文化土壤 的研究型大学。

江浙地区稻作谚语蕴涵的“三才”理论思想

农谚源于劳动人民经验总结,是宝贵的农业文化遗产。天、地、人“三才”理论思想是中国传统农学思想的 核心和精髓。江浙地区稻作谚语概括的水稻种植经验,符合《齐民要术》《陈旉农书》《王祯农书》等古农书的理论观 点,蕴含着丰富的“三才”理论思想。风、雨、云、节气、农时等“天”的因素,土地、土壤、地力等“地”的因素,是预判水 稻播种、收获时间和丰歉重要根据;选种、灌溉、中耕除草、灭虫及农具使用等“人”的因素直接决定稻作产量。江浙 地区稻作谚语中的天、地、人是自然因素与人文因素相互作用形成的有机整体,体现“天人合一”的哲学理念。江浙 地区稻作谚语世代相传发展,在现代稻作生产中仍发挥十分重要应用价值。

薛定谔《生命是什么?》评介

奥地利量子物理学家薛定谔在其著作《生命是什么?》中从物理学的视角阐述了对于生命本质的基本看法, 并提出一些新的概念。薛定谔的思想具有一定的局限性,但《生命是什么?》在分子生物学的诞生过程中起到了催 化作用。

周期驱动量子调控

随着实验技术的进步和发展,周期驱动在量子调控、量子模拟、精密测量等领域展现出越来越重要的作用。 本文从处理周期驱动的一般性 Floquet 理论出发,重点介绍了不同周期调控序列在动力学解耦、延长体系相干时间 方面的应用,以及周期调控在发现新奇量子物态如反常体边对应、动力学规范场、离散时间晶体等方面的重要应 用。此外,开放体系中有关周期驱动的理论研究也亟待发展。

绿色低碳发展与“5R”原则

现代经济社会中存在城市发展与城市生态之间的矛盾,这对城市经济、社会资源和生态环境的可持续发展 构成威胁。绿色低碳城市是人与环境和谐共存、可持续发展的人类宜居城市的理想模式,其建设受到“5R”原则的 积极影响。本文总结了“5R”原则的内容及其延伸,并探讨了“5R”原则在城市可持续发展、绿色生态城市建设、“双 碳”目标、生态保护与资源利用、生活方式和精神文明方面的指导作用。虽然绿色低碳城市建设中如何深化“5R”原 则的应用还需更多的实践经验,但“5R”原则的应用已经引发了人们多方面思考。这对积极建立绿色低碳的城市经 济发展模式,构建低碳、健康、和谐、绿色的经济发展模式、生活环境和人文环境有重要意义。

NIRFAST仿真实现乳腺扩散光层析图像智能分类

论文采用 NIRFAST 软件仿真实现乳腺扩散光层析成像,通过深度学习方法实现乳腺扩散光层析图像的智 能分类。乳腺扩散光层析成像图像仿真采用开源软件包—NIRFAST 软件模拟和重建。乳腺扩散光层析成像图像 中乳腺肿瘤的大小、位置和光学特性各不相同,通过不同的光吸收系数区分不同类型的乳腺肿瘤,并采用计算机辅 助诊断方法进行图像分析,将其分为良性和不同等级的恶性肿瘤。为提高特征提取能力,提出了 DOTResNet 模 型,DOTResNet 模型实现是通过将 ResNet-34 的输入干中 7×7 卷积替换为 3 个 3×3 卷积,并增加 ReLU 和 BN 层。 DOTResNet 与 ResNet-34 和预训练的 ResNet-34 相比,FLOPs 减小了,并将分类准确率提高到 99. 38%。与经典的 ResNet-34 相比,调整后的 DOTResNet 模型在乳腺扩散光层析成像分类上具有更高的准确率。