基因组深度挖掘驱动微生物萜类化合物高效发现

萜类天然产物广泛分布于动物(包括海洋无脊椎动物)、植物、微生物中,具有复杂的化学结构和丰富的生物活性。人们通过从植物和微生物中直接分离提取的方式获得了大量萜类天然产物,然而随着越来越多化合物被发现,使用基于自然筛选的传统挖掘方式很难获得新的萜类天然产物。随着基因组测序技术和合成生物学使能技术的不断发展,我们进入了基因组挖掘驱动天然产物发现的时代,萜类天然产物的挖掘也进入了“井喷式”发现新阶段。针对基因组挖掘在微生物萜类天然产物发现方面的应用,本文综述了近年来使用的主要研究策略和最新研究进展,介绍了多种高效微生物底盘、基因组深度挖掘策略、人工智能与自动化平台等驱动的萜类化合物挖掘的最新研究进展,讨论了基因组挖掘萜类天然产物面临的挑战,展望了未来萜类化合物创新发现的发展趋势。通过在多种微生物中强化前体供应途径,人们打造了多个萜类化合物合成底盘,突破了异源合成萜类天然产物时“产量低”和“产物难获取”的瓶颈;针对萜类天然产物生物合成基因簇或萜类合酶进行深度挖掘,可以有效地解决“重复发现”和“集中度低”的难题;随着人工智能和自动化技术在合成生物学领域的发展和应用,萜类化合物的发现也进入了高通量智能发现时期,显著地改善了“研究通量低”的现状,高效获得了大量新结构萜类天然产物。在未来,更多萜类化合物将开发成药物、进入工业化生产应用,更多萜类“暗物质”会走进我们视野。

CRISPR/Cas9技术在工业微生物中的应用

近年来,通过基因编辑技术对工业微生物底盘细胞改造从而获得的优良细胞工厂,促进了农业、医学、环境、能源等领域的可持续发展,提高了人民的生活水平。微生物底盘细胞的改造离不开基因编辑,作为现阶段主要的基因编辑技术,规律间隔成簇短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)/Cas9系统自被发现以来,依靠其低成本、高效率等编辑优点,被广泛用于工业微生物底盘细胞的改造。本文主要简述了以CRISPR/Cas9为基础而衍伸出的各种基因编辑技术,提出了常用的工业微生物对应底盘细胞的改造策略,以期为研究者在进行微生物底盘细胞改造时选择出合适的基因编辑方法。最后指出了CRISPR基因编辑技术面临的PAM位点的依赖性、脱靶效应和应用广泛性等问题。

合成生物学的发展路线及治理

合成生物学家的理想是逐步实现对物种基因和基因组的功能性修饰,创造出对人类有益并对自然界无害的新生物。尽管分子水平的研究仅有60余年的历史,但有必要充分认识合成生物学的复杂性。鉴于此,任重而道远的合成生物学研究路线图应该包括多学科的底盘物种系统研究、细胞水平的功能元件解析与移植、新功能物种的安全性与功能优化、生产型功能物种的再选育、后期的跟踪技术和应用评价等。除了明确科学界的路线图外,社会伦理、道德和法律等领域的讨论及研究也至关重要,关注治理问题可以规避风险,避免社会利益群体的冲突,造成难解的"死结",使科学成果成为无法利用的"夹生饭"。

基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的研究进展

微生物是生产多种高附加值天然产物的优良宿主,基因敲除技术有效地阻断或弱化了微生物的旁路代谢途径,使代谢通量集中流向目的产物。基因敲除技术在微生物中的应用带动了微生物代谢工程研究的不断深入,为微生物工业发酵及合成生物学的发展开辟了新道路。综述了常见的几种微生物基因敲除策略,总结了近年基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的应用情况,并对基因敲除技术在微生物代谢途径改造中的应用前景进行了展望,以期为基因敲除技术的发展和微生物代谢工程的研究提供理论参考。

合成生物学底盘微生物细胞的应用及其生物安全在创新型本科生培养中的实践

本科生创新能力培养是“双一流”建设人才培养的重要组成部分。合成生物学是一门新兴多学科交叉领域,被誉为可改变世界的十大新技术领域之一。构建高版本底盘微生物细胞和利用底盘细胞人工合成细胞工厂是合成生物学的重要组成部分。以实现创新型本科生为培养目标,我们将合成生物学底盘微生物细胞技术融入人才培养环节,通过组织学生参加国际遗传工程机器设计竞赛、主持大学生创新创业训练项目以及完成本科生毕业设计课题等多元化途径,提高学生理论联系实际及创新实践能力。同时,由于底盘微生物细胞是基因组经过精简、优化或其基因通路被改变的细胞,其应用存在一定的生物安全风险。我们通过将安全教育纳入培养大纲和教学计划、出版实验室安全与操作规范专业教材、开发虚拟仿真实验项目、建立实验室准入制度和信息化管理体系,以及针对底盘微生物细胞从购买、管理、规范使用和废弃物处理等进行生物安全教育等系列举措,规范底盘微生物细胞应用的生物安全。这些实践为培养创新型本科生提供了一个强有力的途径和有效保障,也为合成生物学的发展提供了支持,并有助于培养新的生力军。

合成生物学学科发展概况

合成生物学是一门新兴的综合性学科。它的研究工作已在全世界蓬勃开展,并受到多个国家政府及研究机构的重视和大力支持。我国在该领域的工作刚刚起步,面临着许多机遇与挑战,有待我国科研工作者们抓住机遇、取得突破。

合成未来:从大肠杆菌的重构看合成生物学的发展

合成生物学(synthetic biology)是伴随着基因工程、系统生物学以及生物信息学的发展而出现的一个新的交叉学科。大肠杆菌(Escherichia coli)作为一种宿主在合成生物学的发展中功不可没。从某种意义上讲,合成生物学的每一次进展都离不开大肠杆菌。从大肠杆菌的角度出发,对合成生物学的发展进行深入分析,并提出了合成生物学在中国发展的重点。

姜黄素类化合物生物合成研究进展

姜黄素类化合物是植物中一类稀少的二酮类化合物,存在于姜科、天南星科植物的块根或根茎中,是姜黄等植物中主要活性成分,因具有抗氧化、抗癌等诸多药理活性而被广泛应用于食品领域和新药研发中。因其苯环侧链取代基不同,姜黄素类化合物可进一步分为姜黄素、去甲氧基姜黄素、双去甲氧基姜黄素等。目前,姜黄素类化合物主要是通过植物提取法获得,产量远远不能满足市场需求。随着合成生物学和代谢工程技术的发展,采用生物合成法生产姜黄素类化合物开始受到研究人员的广泛关注。近年来,研究人员通过基因挖掘及酶学手段鉴定了姜黄中姜黄素合成途径中的关键酶,并在大肠杆菌Escherichia coli、耶氏解酯酵母Yarrowia lipolytica、恶臭假单胞菌Pseudomonas putida和米曲霉Aspergillus oryzae中重塑其生物合成途径,成功实现了其异源生物合成。文中首先介绍了姜黄素的生物活性及其应用、总结了姜黄中的姜黄素合成途径,并且讨论了姜黄素合成酶的催化机制,进而详尽综述了其生物合成的最新研究进展,特别是代谢工程策略方面,并对其未来发展方向进行了展望。

合成生物学助力天然产物的高效合成及创新发现

天然产物是候选药物以及药物先导化合物的重要来源,但传统的天然产物生产方式及新天然产物发现的速度和数量日益无法满足社会的巨大需求。随着合成生物学各方面技术的发展,合成生物学在天然产物高产和发现两个领域上的新策略、新方法、新应用应运而生,尤其在复杂天然产物的高效生物全合成、天然产物复杂前体结构的化学半合成、沉默天然产物的高通量挖掘等方面有着里程碑式的发展。该文讨论并总结了目前合成生物学在天然产物研究领域所面临的挑战和机遇,为如何解决复杂天然产物合成机制难以解析、基于微生物发酵的天然产物"出口"受限等问题提出了一些思考和建议。

植物活性特异性代谢物合成生物学应用研究进展

植物来源的特异性代谢产物估计超过几十万种(这里是指相对分子质量小于2 000的化合物),有维持植物生命活动和生长发育所必需的初生代谢物;也有与植物适应生长环境密切相关的特异性代谢物(plant specialized metabolites, PSM)。人们对植物来源的活性特异性代谢产物并不感到陌生,如青蒿素、紫杉醇和吗啡等。随着测序技术和各种"组学"技术的飞速发展,植物活性特异性代谢产物生物合成途径的研究也从最初的小规模EST测序(结合相关酶的纯化)和单个基因的功能鉴定逐步走向大规模测序、比较基因组学研究和整个代谢网络解析。近年来,人们在解析相关活性代谢产物生物合成途径的基础上,开始利用合成生物学的策略(包括微生物和植物底盘)大规模生产植物活性特异性代谢产物,并取得重要进展。在本综述中,我们对当前植物活性特异性代谢产物的生物合成途径解析策略及其合成生物学应用两个方面的进展做一个总结。