合成生物学的科学问题

合成生物学不仅推动了生物工程应用的革命性发展,也为生命科学基础研究带来了崭新机遇。该文提出了合成生物学目前的核心科学问题,一方面是解答生命功能跨层次涌现的原理,另一方面是基于涌现性原理解决生命系统的理性设计与构建这一瓶颈问题;总结了在合成生物学研究中,当功能涌现原理已知或未知时的不同研究范式,并讨论了合成生物学的定量研究方法,包括基于"定量表征+数理建模"的白箱模型与基于"自动化+人工智能"的黑箱模型。通过结合自上而下的工程研究范式与定量化、理论化的研究方法,定量合成生物学这一新领域将有望推动基础生命科学与合成生物学的双重变革。

行至半山坡更陡认识合成生物学发展的关键节点

"合成生物学"这个名词,自法国化学家Stéphane Leduc (1853—1939)在其1910年出版的《生命与自然发生的物理化学理论》一书中首创(la biologie synthétique)以来,已经有111岁"高龄"了!当然,在其初生之时,化学与生命科学的交叉融合还极为初浅,由此带来了非科学"比拟(metaphor)"的"先天不足",被冷落了将近半个世纪。

基于CRISPR-Cas13家族的RNA编辑系统及其最新进展

存在于细菌和古菌中的获得性免疫系统CRISPR-Cas目前已被广泛应用到生物技术领域,尤其是靶向DNA的CRISPR-Cas9技术。然而CRISPR-Cas系统靶向RNA的技术还处于初步应用阶段。Ⅵ型CRISPR-Cas系统(CRISPR-Cas13)的发现,揭示了RNA引导的RNA靶向性。CRISPR-Cas13是目前CRISPR-Cas家族中唯一只靶向ssRNA的系统,为RNA靶向和RNA编辑奠定了基础。根据Cas13系统发育已证明将Ⅵ型CRISPR-Cas系统分为4种亚型(A-D)。主要对目前最新的靶向RNA技术的CRISPR-Cas13家族的分类以及防御机制进行了综述,介绍了CRISPR-Cas13技术的应用以及基于CRISPR-Cas13家族的RNA编辑系统的最新研究进展。最后,对目前CRISPR-Cas13 RNA编辑技术体系存在的问题进行了分析和对未来的发展进行展望。

新型可移动RND家族外排泵TMexCD-TOprJ的研究进展

抗生素被认为是现代医学的基石之一,但包括抗生素在内抗菌药物的滥用也加速了可抵抗多种抗菌药物“超级细菌”的出现。耐药基因是导致细菌产生耐药性的关键因素,可通过质粒、转座子(transposon,Tn)、插入序列(insertion sequence,IS)等可移动元件(mobile genetic elements,MGEs)进行水平转移,严重威胁公共卫生安全。近年来,面对碳青霉烯类药物和多黏菌素耐药性的暴发,替加环素被视为人类面临多重耐药细菌感染的最后一道防线。近期发现了一种主要存在于质粒上的新型可移动外排泵基因簇tmexCD-toprJ,可编码耐药结节细胞分化家族(resistance-nodulation-cell division,RND)外排泵,排出菌体内包括替加环素在内的多种抗生素,大幅提升了细菌的耐药性。tmexCD-toprJ基因簇可以随质粒等可移动元件进行水平转移,已经传播至人、动物和环境中,给公共卫生健康造成了严重威胁。然而,目前人们对于其具体结构和功能作用机制等研究仍不透彻。本文系统总结tmexCD-toprJ耐药基因的分布特征、传播机制及外排泵结构等研究现状,并基于同一健康(One Health)理念提出了阻遏其扩散的措施,为减缓tmexCD-toprJ传播提供科学依据。