综述与观点

1. Nat Rev Genet. 2019 Nov 28. doi: 10.1038/s41576-019-0186-3.

无细胞基因表达：应用范围的扩大。(Cell-free gene expression: an expanded repertoire of applications.)

Silverman AD(1)(2)(3), Karim AS(1)(2)(3), Jewett MC(4)(5)(6)(7)(8)(9).

无细胞生物学是在不使用完整活细胞的情况下激活生物反应过程。 它在生命科学中用作基础研究工具已有50多年的历史，但最近的技术复兴促进了蛋白的高产（每升达克数蛋白质），无细胞基因表达系统从原先的模式生物到非模型生物的无细胞平台发展，以及用于快速评估生物学多重策略的设计。这些进展为实现合成基因网络的模型驱动设计、化合物的快速和便携式感测、生物制造、自下而上构建细胞以及进行下一代教育提供了新的机遇，从而为深刻变革合成生物学提供了令人兴奋的机会。

小编一句话总结：非常详尽的无细胞应用的综述，也是我一直强调的那样，这将是一个广阔的、充满前景的应用领域。

2. Nucleic Acids Res. 2019 Nov 28. pii: gkz1011. doi: 10.1093/nar/gkz1011.

体外工程改造翻译机器的策略。(Strategies for in vitro engineering of the translation machinery. )

Hammerling MJ(1), Krüger A(1), Jewett MC(1).

分子翻译，或蛋白质生物合成，已成为一个重大的机会，在合成和化学生物学产生新的生物学见解和使新的应用(如设计蛋白质治疗)。在此，我们就体外翻译工程的方法进行综述。我们讨论了两种主要的翻译策略——纯化法和萃取法——的优缺点，以及如何利用它们来处理和研究翻译。包括转移RNA、翻译因子和核糖体在内的翻译机制的每个组成部分的工程技术依次介绍。最后，讨论了该领域的未来发展方向和技术进步。

小编一句话总结：又一篇无细胞体系应用的综述，这篇更侧重于技术细节。

3. Curr Opin Biotechnol. 2019 Dec 5;61:102-109. doi: 10.1016/j.copbio.2019.10.004.

合成生物学对未来农业和营养的影响。(The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition. )

Roell MS(1), Zurbriggen MD(2).

到2050年，全球粮食产量需要增加70%才能满足人类需求。目前的农业不能应付这种速度，而且在生态上也不可持续。需要创新的解决方案来提高生产力和营养质量。合成生物学的跨学科领域将工程原理应用到生物系统中，并在当前彻底改变了基础研究和应用研究。我们回顾了开始影响植物生长和质量的各种合成生物学应用。重点介绍了国内外在提高作物产量方面的研究进展。我们强调改善植物养分利用和同时减少肥料需求的策略，以作物固氮工程或合成植物微生物系统为例。最后，我们提出了提高作物营养价值的工程方法，以及利用光自养生物作为自主工厂生产生物制药和其他具有商业价值的化合物。

小编一句话总结：合成生物学在农业领域应用前景的综述。

4. Biochem Soc Trans. 2019 Dec 5. pii: BST20190168. doi: 10.1042/BST20190168.

建造先进燃料生产的细胞工厂。(Building cell factories for the production of advanced fuels. )

Shakeel T(1)(2), Sharma A(1)(2), Yazdani SS(1)(2).

以合成生物学为基础的工程策略正广泛应用于先进燃料的微生物生产。先进燃料在能源效率和性能方面可与传统燃料相媲美，由于它们可以直接纳入目前的燃料基础设施，而不需要重建使其在经济上可行的现有设施，因此得到了越来越多的研究。多种代谢工程方法已被用于重组微生物，以改善现有的或开发新的可高效生产燃料的细胞。在使用这些方法的主要挑战是提高产品产量的可行性的商业过程。一些常见的障碍对增强燃料生产，包括通量对前体——有限的可用性和理想的途径。因此，尽管在微生物宿主工程方面进行了广泛的研究，但是工业规模生产这些异质生产的燃料化合物的成本仍然过高。虽然在成功生产这些生物燃料方面已经取得了相当大的进展，但还需要做大量的工作来提高其他生物燃料的效价。在这篇综述中，我们总结了不同的工程策略，这些策略已成功地用于将工程路径用于生产先进燃料的商用宿主，以及用于调整宿主菌株和途径酶以扩大生产水平的不同方法。

小编一句话总结：合成生物学应用于先进燃料的微生物生产的综述，以及具体的策略方法。

5. Biochem Soc Trans. 2019 Dec 5. pii: BST20190295. doi: 10.1042/BST20190295.

利用合成基因线路控制细胞间的变异。(Controlling cell-to-cell variability with synthetic gene circuits. )

Azizoglu A(1), Stelling J(1).

源于基因表达固有随机性的细胞间变异性，对设计性能稳定的合成基因线路提出了挑战。相反，合成生物学方法在揭示自然系统中潜在的变异机制方面是有帮助的。随着对降低单个基因噪音的关注，该领域已经建立了一个广泛的合成工具集。这包括通过单独或联合的转录和翻译机制工程来控制噪音，以实现对平均表达及其可变性的独立调节。合成反馈线路利用这些元件来建立更稳健的闭环运行，既可以借鉴，也可以扩展传统的工程概念。在这个角度来看,我们认为主要概念发展需要新理论的控制适应生物学,从单个基因扩展到网络,更系统地考虑起源的差异除了固有的噪声,并探索噪音如何影响、如何降低。

小编一句话总结：一方面我们需要突变达成某些目的，而其他情况下，变异造成的细胞间的变异带来“噪音”，而这里就是要消除噪音。

最新进展

6. Nat Chem Biol. 2019 Nov 25. doi: 10.1038/s41589-019-0400-9.

探索大规模生物合成多样性的计算框架。(A computational framework to explore large-scale biosynthetic diversity. )

Navarro-Muñoz JC(1)(2), Selem-Mojica N(3), Mullowney MW(4), Kautsar SA(1), Tryon JH(4), Parkinson EI(5)(6), De Los Santos ELC(7), Yeong M(1), Cruz-Morales P(3), Abubucker S(8)(9), Roeters A(1), Lokhorst W(1), Fernandez-Guerra A(10)(11)(12), Cappelini LTD(4), Goering AW(4), Thomson RJ(4), Metcalf WW(5), Kelleher NL(13), Barona-Gomez F(14), Medema MH(15).

基因组探矿已成为开发天然产物多样性的关键技术。尽管最初是在单个基因组的基础上进行的，但现在正在扩大该过程，以挖掘整个属，菌株集合和微生物群落。但是，目前没有生物信息学框架可用于有效分析这种规模和复杂性的数据集。在本研究中，提供了一种简化的计算流程，该流程包括两个新的软件工具：“生物合成基因相似性聚类和勘探引擎”（BiG-SCAPE），它有助于对生物合成基因簇和基因进行快速和交互式的序列相似性网络分析集群家庭；以及“对同系直向同源物进行核心分析以优先考虑天然产物基因簇”（CORASON），阐明了这些家族内部和家族之间的系统发育关系。通过将其输出与363个放线菌菌株的代谢组学数据相关联来验证BiG-SCAPE的有效性，并通过全面绘制一系列基因簇家族的生物合成多样性，证明了CORASON的发现潜力，最终鉴定出七个毒素类似物。

小编一句话总结：基因组探矿的新软件工具，为找新化合物提供了新便利。

7. Cell. 2019 Nov 27;179(6):1255-1263.e12. doi: 10.1016/j.cell.2019.11.009.

将大肠杆菌改造成从二氧化碳中获得所有的生物碳源的菌株。(Conversion of Escherichia coli to Generate All Biomass Carbon from CO(2). )

Gleizer S(1), Ben-Nissan R(1), Bar-On YM(1), Antonovsky N(1), Noor E(1), Zohar Y(1), Jona G(2), Krieger E(1), Shamshoum M(1), Bar-Even A(1), Milo R(3).

生命世界大致分为将二氧化碳转化为生物质的自养生物和消耗有机化合物的异养生物。尽管人们对可再生能源存储和更可持续的粮食生产产生了广泛兴趣，但迄今为止，工业上相关的异养模式生物利用二氧化碳作为唯一碳源的工程设计仍然是一个严峻的挑战。在这里，我们报告了实验室尺度上这一转变的成就。我们构建并进化了大肠杆菌，以利用二氧化碳生产其所有生物量碳源。还原能力和能量，是通过单碳分子甲酸盐提供的，可通过电化学方法产生，而不是碳源。Rubisco和磷酸核糖激酶与甲酸脱氢酶共表达，以通过Calvin-Benson-Bassham循环固定和还原二氧化碳。在持续的有机碳限制下，在化学恒温器中进行连续数月的实验室进化后，实现了自养生长，并通过同位素标记进行了确认。

小编一句话总结：实验室定向进化，运气加设计！

8. Nucleic Acids Res. 2019 Nov 28. pii: gkz954. doi: 10.1093/nar/gkz954.

小分子生物传感器的进化导向工程。(Evolution-guided engineering of small-molecule biosensors. )

Snoek T(1), Chaberski EK(1), Ambri F(1), Kol S(1), Bjørn SP(1), Pang B(2), Barajas JF(2), Welner DH(1), Jensen MK(1), Keasling JD(1)(2)(3)(4)(5).

变构转录因子(Allosteric transcription factors, aTFs)已被证明可作为配体特异性生物传感器广泛应用于生物技术和合成生物学，从而能够实时监测，选择和调节细胞代谢。但是，在满足应用需求之前，常常需要优化生物传感器的特异性以及配体浓度与生物传感器输出信号之间的相关性，也称为传递函数。在这里，我们提出了一种通用且高通量的方法来发展真核生物底物，即面包酵母酵母酿酒酵母中的原核aTF特异性和转移功能。从效应子结合域（EBD）的单轮诱变与各种切换选择机制相结合，我们稳健地选择了顺式，顺式-粘康酸诱导的转录因子BenM的aTF变体，以改变配体特异性，增加动态输出范围，操作范围的变化以及从激活到抑制的完整功能转换。重要的是，通过仅针对EBD，进化的生物传感器显示出与BenM相似的DNA结合亲和力，并且在移植回原核生物底盘时发挥功能。因此，已开发的平台技术利用aTF的可扩展性来开发具有用户定义的小分子特异性和传递功能的，与宿主无关的新型生物传感器。

小编一句话总结：实验室定向进化，运气加设计！

9. ACS Synth Biol. 2019 Dec 11. doi: 10.1021/acssynbio.9b00348.

设计便携的转录生物传感器来检测氰尿酸。(Design of a transcriptional biosensor for the portable, on-demand detection of cyanuric acid. )

Liu X, Silverman AD, Alam KK, Iverson E, Lucks JB, Jewett MC, Raman S.

快速分子生物传感是合成生物学的新兴应用领域。在这里，我们在大肠杆菌基因表达机制的背景下，使用了来自假单胞菌的LysR型转录调节子（LTTR），设计了一种便携式生物传感器，用于氰尿酸（CYA），这是对人类和环境健康至关重要的分析物。为了克服LTTR的跨主机可移植性挑战，我们合理设计了混合型假单胞菌-大肠杆菌，通过整合来自两个宿主的转录活性和配体依赖性调节所需的DNA元件来构建启动子，从而使大肠杆菌能够充当CYA的全细胞生物传感器。为了减轻全细胞生物传感的挑战，我们对这些启动子设计进行了改造，使其在冻干的大肠杆菌无细胞系统中发挥功能，从而可以感知CYA。这种便携式的按需系统可以在一小时内从实验室和实际样品中可靠地检测出CYA，并可以与荧光和比色报告仪一起使用。这项工作阐明了促进更广泛的基于LTTR的环境传感器工程设计的一般原理。

小编一句话总结：生物传感器，稳定性、灵敏性、简便性、特异性、价格兼具是发展方向！

10. Nat Biotechnol. 2019 Dec 2. doi: 10.1038/s41587-019-0315-8.

用1亿个随机启动子破译真核生物基因调控逻辑。(Deciphering eukaryotic gene-regulatory logic with 100 million random promoters.)

de Boer CG(1), Vaishnav ED(2)(3), Sadeh R(4), Abeyta EL(5), Friedman N(2)(4), Regev A(6)(7).

转录因子（TFs）是如何利用顺式调控DNA序列以控制基因表达仍不清楚，这主要是因为过去使用天然和工程序列的研究规模不足。在这里，我们测量了> 1亿个完全随机的合成酵母启动子序列的表达。这些序列产生多样的，可再现的表达水平，这可以通过它们包含功能性TF结合位点来解释。我们使用机器学习来构建可解释的转录调控模型，该模型预测约94％的表达来自独立的测试启动子，而约89％的表达来自天然酵母启动子片段。这些模型使我们能够表征每个TF的特异性，活性和与染色质的相互作用。 TF活性取决于结合位点链，位置，DNA螺旋面和染色质背景。值得注意的是，表达水平受弱调控相互作用的影响，这使设计序列研究感到困惑。我们的分析表明，完全随机DNA的大量通量检测可以提供开发复杂的预测性基因调控模型所需的大数据。

小编一句话总结：有钱、任性就是能做这种有意义的大工程！1亿个人工酵母启动子的测试与分析。

11. Nat Chem. 2019 Nov 25. doi: 10.1038/s41557-019-0366-y.

一个多路复用的，基于基因线路的传感器的电化学接口。(A multiplexed, electrochemical interface for gene-circuit-based sensors. )

Sadat Mousavi P(1), Smith SJ(1)(2), Chen JB(3), Karlikow M(1), Tinafar A(1), Robinson C(1), Liu W(4), Ma D(5), Green AA(5), Kelley SO(6)(7)(8), Pardee K(9).

合成生物学领域使用合成基因网络的工程组装在生物系统中创建各种功能。迄今为止，基于基因线路的传感器主要使用光学蛋白质（例如荧光，颜色）作为报告基因输出，这限制了测量多个不同信号的潜力。在这里，我们介绍了一种电化学界面，该界面可对基于无细胞基因线路的传感器进行扩展的多重报告。我们设计了一种可扩展的报告酶系统，可在溶液中切割特定的DNA序列，当这些新释放的链被捕获在纳米结构微电极的表面时，会产生电化学信号。我们描述了此接口的开发，并通过展示了多个抗生素抗性基因的并行检测，显示了使用配体诱导性基因线路和基于toehold开关的传感器的实用性。通过为材料，硬件和软件提供接口，该技术具有扩展合成生物学领域的潜力。

小编一句话总结：合成生物学报告系统的重要拓展，利用电化学检测！

12. Nat Chem Biol. 2019 Dec 2. doi: 10.1038/s41589-019-0412-5.

打印细菌孢子制成的有弹性的活性材料。(Resilient living materials built by printing bacterial spores. )

González LM(1), Mukhitov N(1), Voigt CA(2).

通过将材料嵌入能够进行传感、合成、能量生产和物理运动的活细胞，可使材料具有多种功能。挑战是活细胞所需的条件不利于材料加工，需要持续的水和营养。在这里，我们提出了一个三维(3D)打印机，可以混合材料和细胞流来构建3D对象。枯草芽孢杆菌的孢子被印在材料内部，并在其表面萌发，包括在新的裂缝中自发产生。材料弹性极限应力,包括干燥、溶剂、渗透性、pH值、紫外线和γ射线。基因工程使细菌能够对刺激作出反应或根据需要产生化学物质。作为演示，我们打印了含有细菌的定制形状的水凝胶，这些细菌可以感知或杀死金黄色葡萄球菌，而金黄色葡萄球菌是感染的病原体。这项工作展示了具有活功能的材料，可以用于需要储存或暴露于环境压力下的应用。

小编一句话总结：材料与细胞的结合，制造一个很有意思的杀菌材料。

13. Nat Biotechnol. 2019 Dec 9. doi: 10.1038/s41587-019-0335-4.

利用细胞内三酰基甘油提高链霉菌聚酮化合物的效价。(Harnessing the intracellular triacylglycerols for titer improvement of polyketides in Streptomyces. )

Wang W(1)(2), Li S(3), Li Z(4), Zhang J(5), Fan K(4), Tan G(5), Ai G(4), Lam SM(6), Shui G(6), Yang Z(5), Lu H(5), Jin P(3), Li Y(4), Chen X(5), Xia X(7), Liu X(5)(8), Dannelly HK(9), Yang C(10), Yang Y(5), Zhang S(5), Alterovitz G(11), Xiang W(12), Zhang L(13).

阿维菌素等具有重要药用价值的聚酮化合物主要在链霉菌菌种在发酵罐中生长的稳定期作为次生代谢产物产生。已经证明，进入聚酮化合物生物合成的细胞内代谢物来源难以捉摸。我们应用多组学技术揭示了在初级代谢中积累的细胞内三酰基甘油（TAGs）在稳定期会降解。该过程可以将碳流量从细胞内TAG和细胞外底物引导到聚酮化合物的生物合成中。我们设计了一种名为“ TAG的动态降解”（ddTAG）的策略，以动员TAG池并增加聚酮化合物的生物合成。使用ddTAG，我们提高了天蓝色链霉菌，委内瑞拉链霉菌，缘条链霉菌和阿维链霉菌中放线菌素，佳霉素B，土霉素和阿维菌素B1a的滴度。 ddTAG的应用在180立方米工业规模发酵中将阿维菌素B1a的效价提高了50％，达到9.31 g l-1，这是有史以来最高的效价。我们的策略可以改善药物生产中的聚酮化合物效价。

小编一句话总结：张立新老师的又一篇突破性文章，为聚酮化合物的产量提高提供了一个非常有效的策略。

14. Nat Commun. 2019 Nov 29;10(1):5469. doi: 10.1038/s41467-019-13517-3.

用于安全通信的DNA折纸密码学。(DNA origami cryptography for secure communication. )

Zhang Y(1)(2), Wang F(1), Chao J(3), Xie M(2), Liu H(4), Pan M(2), Kopperger E(5), Liu X(1), Li Q(1), Shi J(2), Wang L(2)(6), Hu J(2)(7), Wang L(3), Simmel FC(5), Fan C(8).

利用特定的生物分子相互作用进行数据加密是信息安全的一种独特方法。然而，建立基于生物分子反应的协议来保证信息的保密性、完整性和可用性(CIA)仍然是一个挑战。在这里，我们开发了DNA折纸密码学(DNA origami cryptography, DOC)，利用M13病毒支架折叠成纳米级的自组装的类似于盲文的模式进行安全通信，这可以创建一个超过700位的密钥。DNA折纸的内在纳米尺度寻址能力还可基于蛋白质结合的隐写术，这进一步保护了DOC中的消息机密性。通过在携带信息部分的几个DNA起点之间建立特定的连接，可以确保所传输信息的完整性。DOC的通用性通过传输各种数据格式(包括文本、音符和图像)得到了进一步的证明，支持了它在满足CIA对下一代密码技术的快速增长的需求方面的巨大潜力。

小编一句话总结：作为也发过加密文章的我来看，确实是有意思的想法，但是实际应用是不可能的。

15. Angew Chem Int Ed Engl. 2019 Dec 11. doi: 10.1002/anie.201914671.

在体内用非天然氨基酸开始蛋白质合成。(Initiation of Protein Synthesis with Non-canonical Amino Acids In Vivo.)

Tharp JM(1), Ad O(1), Amikura K(1), Ward FR(1), Garcia EM(1), Cate JHD(1), Schepartz A(1), Söll D(2).

通过在大肠杆菌tRNA^fMet中移植新独特元件，我们设计了一种正交起始tRNA (itRNA^Ty2)，它是詹氏甲烷球菌（Methanocaldococcus jannaschii） TyrRS的底物。我们证明了itRNA^Ty2可以在体内通过带有不同侧链的芳香族非天然氨基酸(ncAAs)启动翻译。尽管初始系统的产量很低，但从基因组中删除tRNA^fMet的冗余拷贝可以得到一个大肠杆菌菌株，在该菌株中，非标准起始的效率等于延伸率。通过这个改进的系统，我们在第一和第二位置产生了一种包含两个不同的ncAAs的蛋白质，这是在体内产生完全非自然多肽的第一步。这项工作为合成生物学提供了一个有价值的工具，并展示了在体内启动ncAAs的大肠杆菌翻译机制的显著通用性。

小编一句话总结：非天然氨基酸的突破，把起始密码Met换成了Tyr.