噬菌体合成生物学研究进展和应用

噬菌体是地球上多样性最高和最丰富的生物体,也是合成生物学研究中重要的模式生物。噬菌体基因组相对较小,结构简单,是研究基本生命过程最简单的生物系统。通过对噬菌体基因组进行编辑,乃至重新设计、合成噬菌体基因组,获得具有新的功能的噬菌体,是当前噬菌体合成生物学研究的重要内容。本文综述了当前合成生物学在解决天然噬菌体的基础研究和应用研究中的主要进展,如通过人工改造的噬菌体已成功用于提高噬菌体的侵染效率,调节噬菌体宿主范围,降低噬菌体毒性和免疫原性,提高给药后噬菌体存活周期,提高噬菌体对生物膜的降解等;此外,噬菌体展示、噬菌体辅助的持续进化和噬菌体介导的DNA转导等也成为合成生物学研究中强大的工具。总之,合成生物学的发展将为模块化设计噬菌体作为多功能生物制剂、控制多重耐药细菌、病原体检测、药物开发、菌群的调控、药物递送,甚至噬菌体纳米材料等铺平道路。

基因组的“读-改-写”技术

基因组是生命系统的指令中枢,对基因组的研究是生命科学的核心内容,基因组研究相关技术的开发是深化对基因组序列和功能认识的重要推动力量。通过基因组测序获取基因组全序列,通过人工诱变、定点编辑研究基因组局部序列的功能与调控,通过对基因组的从头设计与化学再造实现对生命性状的定制,是基因组研究的三个不同层面。从一代测序到三代测序,基因组“读”技术极大地降低了成本和难度,提升了速度和精准度,引领着复杂基因组、大型基因组从草图走向完成图时代。通过人工诱变、定点编辑等技术可以改变野生型基因组的局部序列,研究基因组序列的功能与调控。从人工诱变到定点编辑,从ZFN到CRISPR,基因组“改”技术在效率、适用对象和简便性上有了显著的提高,为“基因型-表型”研究提供了有力工具,精准编辑、高通量编辑逐步走向应用。通过对基因组的从头设计与化学再造,书写人工基因组,可以获得对基因组全局的系统认识,实现对生命性状的定制。从病毒基因组合成、细菌基因组合成到酵母基因组合成,再到国际基因组写计划,基因组“写”技术在适用对象上不断拓展,人工设计、化学再造正成为复杂生物学问题研究和已有性状优化、新性状引入的一把利器。本文主要综述了基因组测序(读)、基因组编辑(改)和基因组合成(写)技术的发展历程、各自的特征、目前的研究进展及在基因组研究方面的一些应用,并对近期相关技术的可能突破点进行了总结和展望。“读-改-写”技术互为支撑,推动基因组研究在致知和致用领域两面开花。

DNA信息存储核心技术及其发展

在过去的几十年里,互联网技术的发展和普及推动人类进入了数字信息时代,互联网已成为人类生活的重要组成部分。随着数字化生活方式的到来,人们每时每刻都在产生大规模的数字信息,如何将这些信息进行便捷有效的存储是个必须面对的问题。针对数据存储面临的种种问题,该文从现有的存储方式和存储介质出发,对当前存储领域进行深入研究,分析了DNA作为未来大数据存储介质的优势,以及DNA存储的核心技术和潜在的应用前景。另外,该文通过对DNA信息存储的核心技术进行剖析和讨论,提出了未来DNA信息存储发展的趋势和见解,以期对DNA信息存储发展提供新的思路。

DNA数据存储中DNA保存技术的研究进展与挑战

数据信息的规模呈指数级增长与现有存储介质储存能力不足的矛盾日益凸显,亟需通过开发新型介质解决相应问题。DNA基于其数据存储密度超高、能耗低及寿命长等特点,作为一种新兴的数据存储媒介备受关注,尤其在海量“冷数据”存储方面,有望替代现有存储方式。在数据存储过程中,DNA的有效保存是其中重要的一环,该环节直接影响数据的存储密度、稳定性、存储时间,以及数据的写入和读取。针对目前文献中关于DNA保存技术的介绍较少,该文综述了数据存储中DNA保存技术的研究进展和策略,讨论了现有的DNA保存技术应用在DNA数据存储中面临的困难与挑战,对DNA数据存储的实现方式进行了展望。

人工DNA合成技术:DNA数据存储的基石

DNA数据存储由于在存储应用上的诸多优点而日渐受到广泛关注。DNA数据存储流程包括将0/1二进制信息转换为A/T/C/G碱基序列,利用人工DNA合成技术将碱基序列合成为DNA多聚物分子,以及通过测序技术进行数据读出等环节。然而,目前的人工DNA合成成本依然高昂,严重制约了以DNA为介质的数据存储技术的快速发展及其产业化应用。人工DNA合成作为DNA数据存储的基础技术和成本关键,是决定DNA数据存储从理论走向应用的主要因素。本文以DNA合成的发展历程出发,系统地总结了其关键技术的研究进展,包括柱式化学寡核苷酸合成、芯片化学寡核苷酸合成、寡核苷酸纯化、寡核苷酸拼装、基因合成纠错与克隆筛选、大片段基因合成组装及基因组合成,以及新一代酶法合成等。同时,进一步总结和分析了DNA合成技术关键参数长度、成本及速度对DNA数据存储商业化发展的影响,以期为DNA数据存储的全流程技术开发和应用研究提供一定的参考和思路。降低DNA合成成本,开发更加高效的基因组合成策略,进一步发展新一代酶法DNA合成技术,以及建立面向DNA数据存储的长片段、低成本、快写入等功能应用的DNA合成技术等是未来DNA合成技术的重要发展趋势。

噬菌体治疗耐碳青霉烯鲍曼不动杆菌合并铜绿假单胞菌肺部感染的病例报道

82岁男性患者,因反复肺部感染半年入院。患者既往有阿尔茨海默病史。本次入院前多次痰培养为耐碳青霉烯鲍曼不动杆菌和耐碳青霉烯铜绿假单胞菌,使用包括替加环素在内的多种抗生素,患者痰细菌培养未转阴、肺部感染未改善。入院后予鲍曼不动杆菌噬菌体加铜绿假单胞菌噬菌体鸡尾酒疗法,每天2次雾化吸入,疗程分别为10d和19d;联合静脉滴注替加环素、哌拉西林他唑巴坦和阿米卡星。患者耐受良好,痰培养未见鲍曼不动杆菌生长,痰中铜绿假单胞菌荷菌量减少,临床症状和胸部X线片提示肺部感染明显好转。

合成生物学在现代农业中的应用与前景

农业发展不仅要满足不断增长的人口对粮食的需求,还要考虑如何在全球气候变化和有限土地资源的背景下以可持续和快速发展的方式进行。合成生物学是农业持续增长的关键和未来农业发展的方向。本文从提高光合作用效率、自主固氮以及重塑代谢通路改良作物三个方面综述了合成生物学在提高农业产量、减少农业中的化肥使用量以及改变农业种植结构上的应用现状。最后我们对合成生物学在农业中的应用前景进行了展望,未来农业将因合成生物学的技术发生颠覆性的变化,合成生物学的发展势必影响未来农业的走向。

一株金黄色葡萄球菌噬菌体SAK84P的分离鉴定

金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,S.aureus)是一类革兰氏阳性致病菌,临床分离株通常对于多种抗生素具有耐药性。从该菌中分离出高效、广谱的专一性噬菌体,对于治疗临床耐药金黄色葡萄球菌的感染具有重要意义。该文以S.aureus K84为宿主菌,从污水中分离出一株烈性噬菌体SAK84P。通过透射电镜观察到,该噬菌体头部呈六边形,直径为112 nm,尾部长度为200 nm,具有肌尾噬菌体形态特征。稳定性实验测定表明,当pH为5.0~7.0、温度为37~50℃时,SAK84P的活性较高;一步生长曲线显示,其潜伏期为20 min,裂解量可达100 PFU/cell;通过基因组测序显示,其全基因组长度为141535 bp,GC含量为30%,编码224个开放阅读框和4个tRNA基因;系统发育树表明该噬菌体属于螺旋噬菌体科(Herelleviridae)中的Kayvirus属。噬菌体SAK84P裂解谱较广,可以裂解多株不同的S.aureus,且具有较高的裂解活性。基因组注释显示,其不含已知的耐药基因及毒力基因,且具有治疗临床多重耐药金黄色葡萄球菌感染的潜力。

噬菌体微生态疗法与一体化健康:现状、挑战与机遇

在全球化和气候变化的背景下,病原细菌跨区域乃至全球性的广泛传播和危害加剧成为当前农业、环境和健康领域的重大共性难题,威胁土壤-植物-动物-环境一体化健康(One Health).滥用农药和抗生素所带来的生态环境和卫生安全风险成为国际共识,靶向阻控病原细菌的噬菌体疗法重新引起人们的重视.本文梳理了农业种植和养殖领域中应用噬菌体阻控病原细菌的现状;从改变病原细菌的生态与进化,调控土著微生物群落结构与功能以及激发病原细菌真核宿主的免疫系统等三方面总结噬菌体疗法的微生态机制;从病原细菌基因、生理和生态型的变异性,噬菌体与病原菌互作博弈的局限性,噬菌体生产应用的复杂性等方面论述噬菌体疗法发展应用的挑战;从一体化健康的需求、噬菌体疗法技术突破和多技术协同等方面探讨噬菌体疗法在一体化健康中的发展机遇.

噬菌体:微小却不简单

噬菌体是专一感染细菌等微生物的病毒,是地球上多样性最高和最丰富的生物体,是生物学研究中重要的模式生物,同时是抗生素耐药菌的天然抗菌剂。噬菌体研究的相关成果极大地推动了生物学各个领域的发展。

以非天然核酸为遗传物质的人工生命构建

合成生物学/工程生物学通过设计、搭建生物部件甚至生物系统来构建具有新功能的人工生命.其研究内容主要分为3个层次:(1)将现有的天然生物模块进行设计和组装,构建不同于天然存在的调控网络,从而实现新功能;(2)通过人工基因组DNA的全合成进行新生命的构建;(3)通过化学合成部件(修饰核酸、蛋白质、脂类等)创建全新的生物系统乃至生命体.第3个层次的研究也称为化学合成生物学,本文主要集中讨论化学合成生物学中将非天然核酸替代DNA作为遗传物质从而构建人工生命的研究,简要介绍了非天然核酸化学修饰对其遗传物质功能的影响,及以其为基础的人工生命构建的研究现状.这将为我们探讨生命起源、进化甚至外星生命等问题提供新的思路.

DNA信息存储的机遇与挑战

在高度信息化的现代社会中,现有的硅基存储资源将难以满足爆炸式增长的信息总量。基于DNA介质的信息存储融合了多个学科领域,提供了一种新的存储模式,并在世界范围内取得了相当的进展。该文首先对目前DNA信息存储所取得的进展进行梳理归纳,继而总结了DNA信息领域现阶段所面临的关键问题,最后对DNA信息存储领域未来进行展望,以期为下一步研究提供方向。