生物大分子自组装合成多维纳米生物结构与器件

生物体通过指导的自组装合成种类繁多、功能特异的天然纳米结构,它们在生命过程中扮演重要角色。按照自组装体的维度,可以分为线状(一维)、层状(二维)、笼状(三维)生物纳米结构。通过设计,这些生物大分子纳米结构可在细胞"工厂"中重组制备,且可通过合成生物学技术对其组装和功能化进行理性设计和调控,成为功能性纳米器件。这类纳米生物结构和器件已经在生物传感、催化、肿瘤热疗、药物递送、组织工程、生物电池等领域获得展示或应用。相关研究正在成为合成生物学和纳米生物学的一个交叉领域,受到关注。

植物光系统Ⅱ捕光过程的超分子结构基础

光系统Ⅱ(photosystemⅡ,PSⅡ)是位于植物、藻类和蓝细菌等放氧光合生物类囊体膜上的重要超分子复合物,它可通过捕获光能用于激发反应中心的电荷分离并驱动电子传递过程,在常温常压下可将水分子裂解产生氧气和质子.植物光系统Ⅱ的外周存在主要和次要捕光复合物Ⅱ(major and minor light-harvesting complexⅡ,LHCⅡ),它们负责吸收光能并向光系统Ⅱ传递激发能,并且还参与非光化学淬灭和状态转换相关的捕光调节过程.近年来,围绕光系统Ⅱ和LHCⅡ的结构生物学研究取得了一系列重要进展,本文总结了PSⅡ、LHCⅡ和二者共同组成的PSII-LHCII超级复合物的结构生物学研究历程以及最新进展,并对该领域的未来研究方向做出展望.

中国合成生物学发展回顾与展望

合成生物学既是一门"汇聚"型新兴学科,又孕育着颠覆性的使能技术.它在系统生物学基础上,融会工程科学原理,采用自下而上的策略,重编改造天然的或设计合成新的生物体系,以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系,被喻为认识生命的钥匙(建物致知)、改变未来的颠覆性技术(建物致用).中国科学家曾经首次实现人工合成蛋白质(牛胰岛素)和核糖核酸(酵母丙氨酸tRNA),近年来又在染色体合成与染色体工程、基因组编辑、生物底盘构建、定量工程生物学、生物元件工程和基因回路工程、天然活性物质和有机化工产品的人工合成代谢、计算机生物模拟等方面取得系列原始发现和创新成果,成为国际合成生物学领域中的一支重要力量.时值新中国科技发展70年,撰写本文,从一个视角讨论合成生物学发展及中国科学界的贡献,纪念开拓者,励志来者,总结经验,梳理发展思路.期待中国合成生物学繁荣发展,更多地贡献于人类.

耻垢分枝杆菌宿主整合因子(IHF)对DNA拓扑结构的影响

结核分枝杆菌(Mycobaterium tuberculosis)是结核病的病原菌,每年导致数百万人死亡.对于分枝杆菌基本生物学特性的研究有助于新的药物及治疗手段的研发.耻垢分枝杆菌(M.smegmatis)是分枝杆菌属中的一种非致病菌,与结核分枝杆菌亲缘关系较近,是实验室常用的研究分枝杆菌的模式菌种.分枝杆菌主要编码三种染色质蛋白,类组蛋白HU、Lsr2和宿主整合因子IHF.为研究IHF在染色体包装中的作用,我们在大肠杆菌中表达、纯化了耻垢分枝杆菌IHF蛋白(MsIHF),并对其影响DNA拓扑结构的性质进行了系统分析.体外研究的结果表明,MsIHF以同二聚体的形式存在,其对负超螺旋DNA具有一定的结合偏好性,同时,该蛋白可以有效地固定DNA负超螺旋.进一步的研究表明,MsIHF可以调控拓扑异构酶的活性.MsIHF的结合明显地抑制拓扑异构酶Ⅰ的松弛活性,而与此相反,该蛋白可以轻微地促进旋转酶引入DNA负超螺旋的能力.以上结果提示,MsIHF可能通过调控拓扑异构酶的活性影响染色体DNA的结构,进而调控其包装.

透明质酸促进肠道抵抗感染

透明质酸是构成细胞外基质的一种重要成分,已有的研究发现,肠道受损后透明质酸的表达上调,促进组织修复.本研究分析了透明质酸在多种肠道感染与肠道炎症模型中的作用.结果显示,口服透明质酸能够提高小鼠对肠道李斯特氏菌、柠檬酸杆菌、肠致病性大肠杆菌感染的控制能力,但对急性肠炎模型没有明显的改善作用.

川陈皮素通过调控RORα改善自然衰老小鼠骨流失

随着世界人口老龄化的加速,老年性骨质疏松症的发病率呈现出明显的上升趋势.衰老相关的骨质流失的机制研究对寻找有效的治疗骨质疏松药物具有重要意义.天然产物为治疗骨质疏松症药物的发现提供了丰富的来源.川陈皮素是柑橘属植物果实中含量最丰富的黄酮类成分之一,具有多种生物活性.在本研究中以20个月自然衰老小鼠为模型,连续15天腹腔注射给予川陈皮素,Micro-CT结果表明川陈皮素可以增加自然衰老小鼠骨体积分数和降低骨小梁分离度,改善自然衰老小鼠的骨微观结构,HE染色结果表明川陈皮素可增加骨小梁表面成骨细胞数量,川陈皮素处理小鼠血清中骨钙蛋白(Osteocalcin)水平显著增加.在细胞水平,川陈皮素处理小鼠前成骨细胞(MC3T3-E1),Mki67水平显著增加,骨碱性磷酸酶水平和骨钙蛋白水平增加,茜素红染色明显增强,表明川陈皮素能促进MC3T3-E1细胞增殖、分化和矿化.进一步机制研究发现川陈皮素可直接激活视黄酸受体相关孤儿受体α(retinoic acid receptor-related orphan receptors,RORα),并以RORα依赖的方式下调骨硬化蛋白(Sclerostin,SOST)水平、上调骨钙蛋白水平,从而调节成骨细胞功能.本研究揭示了川陈皮素改善自然衰老相关骨流失的新功能和新机制,为川陈皮素这一天然产物在自然衰老骨质疏松方面应用提供了新的依据.

2017合成生物学专刊序言

近10年来,合成生物学的发展受到广泛关注。为了集中报道本领域的最新研究进展,特组织出版了此合成生物学专刊。本专刊分3个栏目:科学意义、新技术新方法和应用领域,重点介绍了合成生物学的科学内涵、技术方法进步及合成生物学在医学、药物、农业、材料、环境和能源等领域的应用前景。

“自我”与“非我”免疫识别新机理与创新疫苗发展

疫苗接种或者感染诱导保护性免疫的核心是刺激B、T淋巴细胞的特异性免疫应答。后者启动的关键在于免疫系统对“自我”与“非我”抗原正确的识别。1989年Janeway提出存在天然免疫受体识别病原分子模式的猜想。这个划时代的理念极大丰富了免疫识别的内涵并直接推动了对Toll样受体(Toll-like Receptor,TLR)的发现,也帮助确立了淋巴细胞活化的基本范式,即天然免疫信号决定适应性免疫应答的发生及类型。利用佐剂刺激天然免疫信号来增强免疫应答就是这个理论在疫苗设计中的成功应用。尽管如此,复杂多样的体内免疫应答现象显示我们对天然免疫信号的调控机制仍然还有许多未知。本文回顾了研究TLR信号增强蛋白抗原免疫应答机理的历史;介绍了B细胞TLR信号选择性增强病毒抗原抗体反应现象的发现,以及B细胞在启动抗病毒免疫应答中的关键作用;并在此基础上提出靶向B细胞免疫识别机理的一种全新疫苗设计思路。