2020年2月 第一期 合成生物学进展汇总

PREVENTION OF VIRUS

小编：新冠状病毒（NCP）的疫情严重，目前（2020年2月9日星期日）也还没有好转的迹象。医务人员，一线工作人员以及相关后方支持的人员正奋战中。那么，作为合成生物学的研究者们，我们该思考思考，我们可以做些什么呢？

    这一期，我筛选了这一个多月的进展，主要包括两大主题。1. 生物医学界与合成生物学的结合。比如，病毒的合成（为了更好地研究病毒，不是为了制造生物武器），生物医学与合成生物学的融合，疾病治疗的合成微生物等等。2. 合成生物学对工业界的贡献。比如，各种化学品的生产，生物材料的制造。

观点与综述

1. Cold Spring Harb Perspect Med. 2019 Dec 30. pii: a038703. doi: 10.1101/cshperspect.a038703.

合成病毒学：构建病毒以更好地理解病毒。Synthetic Virology: Building Viruses to Better Understand Them.

tenOever BR(1).

RNA病毒通常由不到十几种成分组成，可以看作是经过精心设计的基因线路，经过优化可在特定宿主内复制和传播。了解这种活性得以实现的分子设计，不仅使人们能够破坏这些线路来研究其生物学，而且还提供了一种重新编程的框架以实现新颖的输出。最新的进展使“构建式学习”方法可以更好地了解病毒生物学并创建有价值的工具。这篇文章总结了如何修改甲型流感病毒的既有基因框架，以跟踪病毒运动，了解病毒复制并确定参与该病毒循环的宿主因素。

小编一句话总结：这篇文章以甲型流感病毒为例，介绍了合成病毒学的研究意义。最近听说有传出人工合成新冠状病毒的阴谋论，我只能说合成一个就病毒简单，合成一个新病毒很难很难。

2. Biomol Concepts. 2020 Jan 24;11(1):23-31. doi: 10.1515/bmc-2020-0003.

生物医学准备好融入合成生物学了吗？Are the biomedical sciences ready for synthetic biology?

DeNies MS(1), Liu AP(1)(2)(3)(4), Schnell S(1)(5)(6).

从单个组件构建功能系统的能力是了解其工作原理的基础。合成生物学是一个广阔的领域，它借鉴了工程学和计算机科学的原理来创建具有新颖功能的新生物系统或部件。尽管这在生物技术界引起了应有的好评，但通过为研究人员提供改进的实验控制，合成生物学方法学在研究生物系统中的应用有可能从根本上改变进行生物医学研究的方式。尽管合成生物学的概念并不是什么新鲜事物，但我们提供的证据支持为什么当前的研究环境有利于将合成生物学方法整合到生物医学研究中。从这个角度出发，我们探索了合成生物学作为一种发现科学研究工具的想法，并提供了自上而下和自下而上方法的示例，这些方法已被用来回答机体和分子层面的重要生理问题。

小编一句话总结：这篇文章介绍了生物医学应用合成生物学思维和方法学。

3. Science. 2020 Jan 24;367(6476):392-396. doi: 10.1126/science.aay3164.

接触组与健康：化学与生物学相遇的地方。The exposome and health: Where chemistry meets biology.

Vermeulen R(1)(2), Schymanski EL(3), Barabási AL(4)(5)(6), Miller GW(7).

尽管有大量证据表明接触特定化学物质会导致疾病，但当前的研究方法还未能解决我们世界化学的复杂性。为了保护当代和子孙后代免受日益增多的化学物质污染的侵害，需要一种系统的方法。“接触组”（或称暴露组exposome）概念致力于捕捉合成化学物质、饮食成分、社会心理压力源和物理因素及其相应的生物学反应的多样性和范围。诸如高分辨率质谱法和网络科学等技术进步，使我们迈出了对暴露物质进行全面评估的第一步。鉴于人们越来越认识到非遗传因素在疾病中起的主导作用，因此有必要努力以与人类基因组相当的规模表征接触组。

小编一句话总结：这篇文章综述了环境周遭各种化学物质对人类健康的影响，称为接触组（或称暴露组exposome）。

4. Nature. 2020 Jan;577(7792):S20-S22. doi: 10.1038/d41586-020-00201-6.

用于治疗疾病的治疗性微生物。Therapeutic microbes to tackle disease.

Ainsworth C.

合成生物学家可在单个物种的水平上操作生命体，工程化肠道细菌不仅可以提供治疗，还可以监测和响应体内状况。同时，合成生态学家正在将肠道视为一个生态系统，并聚集微生物群落，这些微生物相互作用以产生物质或行为以获取医学利益。两种方法都处于起步阶段，将它们送入诊所面临挑战。然而，这些技术已经被证明是强大的工具，可以使科学家探索我们内部生态系统中复杂的微生物相互作用。

小编一句话总结：工程化肠道细菌不仅可以提供治疗，还可以监测和响应体内状况，看好将来的这一应用。

5. Nat Chem. 2020 Feb 3. doi: 10.1038/s41557-019-0411-x. 

伪天然产物的原理和设计。Principle and design of pseudo-natural products.

Karageorgis G(1)(2), Foley DJ(1)(3), Laraia L(1)(4), Waldmann H(5)(6).

天然产物（NPs）是发现基于新型分子支架的新型生物活性化合物的重要来源。但是，目前只有少数指导性合成策略可用于产生新型的NP支架，从而限制了可及化合物的数量和类型。在此论文中，我们讨论了一种制备生物学上相关的小分子文库的设计方法，利用了NP衍生片段的前所未有的组合作为合成新生物活性化合物的总体策略。这些新颖的“伪天然产物”类别保留了NP的生物学相关性，但仍显示出自然界或通过使用现有设计策略无法获得的结构和生物活性。我们还使用化学信息学工具分析了选定的伪NP库，以评估其分子形状多样性和特性。为了促进对生物相关化学空间的探索，我们确定了设计原则和连接模式，这些设计原理和连接模式将提供对空前的伪NP类的访问，从而为生物活性小分子发现提供了新的机会。

小编一句话总结：伪天然产物，拓展了生物产物库。

6. Trends Biotechnol. 2020 Jan 28. pii: S0167-7799(20)30001-9. doi: 10.1016/j.tibtech.2020.01.001.

工业生物技术中的高通量筛选技术。High-Throughput Screening Technology in Industrial Biotechnology.

Zeng W(1), Guo L(2), Xu S(2), Chen J(2), Zhou J(3).

基于自动设备和快速测定方法的发展，已经建立了各种用于提高工业微生物性能的高通量筛选（HTS）策略。 我们讨论了可以提高HTS效率的最重要因素，包括构建具有高度多样性的筛选库以及使用新的检测方法来扩大搜索范围并突出显示目标化合物。 我们还总结了高通量筛选在增强工业微生物性能方面的应用。 在合成生物学，纳米技术和人工智能的快速发展背景下，讨论了工业生物技术中HTS的当前挑战和潜在改进。合理的整合将是构建更有效的工业微生物并在生物技术中广泛应用的重要动力。

小编一句话总结：高通量筛选技术在工业生物技术中提供微生物性能的重要性。

7. Nat Rev Microbiol. 2020 Jan 28. doi: 10.1038/s41579-019-0313-3.

细菌生物聚合物：从致病菌到先进材料。Bacterial biopolymers: from pathogenesis to advanced materials.

Moradali MF(1), Rehm BHA(2).

细菌是原始细胞工厂，可以有效地将碳和氮源转化为多种细胞内和细胞外生物聚合物，例如多糖，聚酰胺，聚酯，聚磷酸盐，细胞外DNA和蛋白质成分。细菌聚合物在致病性中起着重要的作用，其不同的化学和材料特性使其适用于医学和工业应用。由致病菌生产的相同生物聚合物起主要毒力因子的作用，而由非致病菌生产的生物聚合物则成为食品成分或生物材料。跨学科研究揭示了细菌聚合物合成的分子机制，确定了抗菌药物的新靶标，并为设计和制造创新材料提供了合成生物学方法。这篇综述总结了细菌聚合物在发病机理，它们的合成及其材料特性中的作用，以及设计用于生产适合高价值应用的量身定制的生物基材料的细胞工厂的方法。

小编一句话总结： 危害健康的致病菌，经过研究改造让其生产医学和工业应用的生物材料，厉害了。

8. Trends Biotechnol. 2020 Jan 23. pii: S0167-7799(19)30319-1. doi: 10.1016/j.tibtech.2019.12.024.

合成生物化学：以生物为启发的无细胞方法进行化学品生产。Synthetic Biochemistry: The Bio-inspired Cell-Free Approach to Commodity Chemical Production.

Bowie JU(1), Sherkhanov S(2), Korman TP(3), Valliere MA(2), Opgenorth PH(4), Liu H(2).

利用生命有机体生产天然产物和其他有用化学物质的代谢工程工作面临着困难，这因为生命过程的自身平衡常常与我们最大化重要生产指标的愿望背道而驰。这些挑战对于成本至关重要的商品化学制造尤其成问题。通过在细胞外混合所需的酶活性来建立生化途径的无细胞方法可以避免与基于细胞的方法相关的问题。然而，要取代基于细胞的化学生产方法，就需要建立一种自我维持的，连续不断的操作系统，在该系统中，输入的生物质能以高产量，高生产率和高滴度转化为所需的产品。我们称其为设计和实施可靠，高效的酶系统的领域，该酶系统可替代细胞代谢，合成生物化学。

小编一句话总结：无细胞酶反应体系制造化学品。

9. Curr Opin Biotechnol. 2020 Jan 8;64:101-109. doi: 10.1016/j.copbio.2019.12.007.

用于先进生物制造宿主的系统和合成生物学工具。Systems and synthetic biology tools for advanced bioproduction hosts.

Chen Y(1), Banerjee D(2), Mukhopadhyay A(3), Petzold CJ(4).

基因组革命开创了一种发现和表征新型生物酶的时代，这种酶推动了微生物工程技术的发展，以生产商品和高价值化合物。在过去的十年中，近年来合成生物学工具的进步为代谢工程学的发展做出了巨大的贡献，以生产生物燃料和生物产品，从而将几种此类相关物品推向市场。这些成功代表着蓬勃发展的生物经济。但是，从概念验证到市场推广的过程仍然需要大量的资源和时间。为了充分发挥这种潜力，以全面，系统和高通量的方式检查生物系统的方法至关重要。合成生物学的最新成功与系统生物学和分析方法的发展相吻合，这些方法与技术发展保持同步并不断扩大。在这里，我们回顾了系统生物学方法的选择及其在微生物生物技术平台的合成生物学方法中的用途。

小编一句话总结：无细胞酶反应体系制造化学品。

10. Biotechnol Adv. 2020 Jan 22:107520. doi: 10.1016/j.biotechadv.2020.107520.

酶彻底改变了附加值化合物的生物生产：从酶发现到特殊应用。Enzymes revolutionize the bioproduction of value-added compounds: From enzyme discovery to special applications.

Wiltschi B(1), Cernava T(2), Dennig A(3), Galindo M(4), Geier M(4), Gruber S(5), Haberbauer M(4), Heidinger P(5), Acero EH(6), Kratzer R(7), Luley-Goedl C(3), Müller CA(8), Pitzer J(4), Ribitsch D(9), Sauer M(10), Schmölzer K(3), Schnitzhofer W(9), Sensen CW(11), Soh J(11), Steiner K(4), Winkler CK(12), Winkler M(13), Wriessnegger T(4).

工业上可持续的竞争性生产需要新的更好的生物催化剂，优化的生物工艺和具有成本效益的产品回收。我们的综述阐明了朝着实现这些目标的各个步骤所取得的进展，从发现新酶及其相应基因开始。随后对酶进行了工程改造以提高其性能，将其组合在反应级联中以扩大反应范围，并整合到整个细胞中，从而为生物转化提供了最佳环境。使用合成生物学方法进行的菌株工程可以优化宿主的生产，反应设计可以优化反应条件，下游工艺可确保有效回收商业上可行的产品。一些例子说明了修饰的酶如何能够革新面向未来的应用，从大宗，特种和精细化学品，活性药物成分和碳水化合物的生物生产到温室气体CO₂转化为有价值的产品以及农业的生物防治，再到合成聚合物的回收和贵金属的回收。

小编一句话总结： 非常详细的一篇介绍酶的发现到生物生产应用的文章。

最新进展

基因线路

11. Mol Cell. 2020 Jan 30. pii: S1097-2765(20)30037-X. doi: 10.1016/j.molcel.2020.01.016. 

使用拆分式Cas12a系统的多输入感测和信号集成。Multiple Input Sensing and Signal Integration Using a Split Cas12a System.

Kempton HR(1), Goudy LE(1), Love KS(1), Qi LS(2).

整合生物信号并执行功能响应的能力对于使用合成生物学进行复杂细胞工程至关重要。尽管CRISPR-Cas系统已被用于基因组的合成操作，但尚未完全用于复杂的环境信号传感，整合和激活。在这里，我们开发了一个拆分的dCas12a平台，并表明它可在哺乳动物细胞中构建多输入多输出逻辑线路。该系统具有高度可编程性，可以生成带有两个，三个和四个输入的可扩展AND门。通过使用抗CRISPR蛋白作为OFF开关，它也可以整合NOT逻辑。通过将拆分的dCas12a设计与多个肿瘤相关启动子偶联，我们提供了概念证明，该系统可以实施逻辑门控以特异性检测乳腺癌细胞并执行治疗性免疫调节反应。

小编一句话总结：拆分蛋白+自然合并可功能恢复已在不少种类的蛋白上实现。这里的dCas12a拆分加基因线路实现了特异性检测乳腺癌细胞并执行治疗性免疫调节反应。

11. Nat Commun. 2020 Feb 5;11(1):714. doi: 10.1038/s41467-020-14491-x.

通过人类细胞中无条形码的扩增子测序对合成核糖开关进行高通量鉴定。High-throughput identification of synthetic riboswitches by barcode-free amplicon-sequencing in human cells.

Strobel B(1), Spöring M(2)(3), Klein H(4), Blazevic D(1), Rust W(4), Sayols S(4), Hartig JS(2)(3), Kreuz S(5).

介导配体依赖性RNA切割或剪接调节的合成核糖开关代表了在各种应用中控制基因表达的精美工具，包括下一代基因治疗。然而，由于对上下文相关的结构-功能关系的了解有限，功能核糖开关的鉴定需要对适体效应子域设计进行大规模筛选，但由于缺乏合适的细胞高通量方法而受到阻碍。在这里，我们描述了一种快速且广泛适用的方法，可在瞬时转染和刺激的人类细胞中通过cDNA-amplicon测序功能筛选复杂的核糖开关文库（〜1.8×10⁴个构建体）。每个构建体的自条形码性质使得无需额外的预选择或cDNA操作步骤即可定量分析不同的mRNA水平。我们将这种方法应用于基于锤头，肝炎三角洲病毒和Twister核酶以及U1-snRNP多腺苷酸依赖性RNA设备的四环素和鸟嘌呤响应的ON和OFF开关。总而言之，我们的方法能够快速有效地鉴定高通量核糖开关，从而克服了在治疗级联的基因开关开发中的主要障碍。

小编一句话总结：核糖开关是合成生物学中经典又火热的研究领域，筛选高效、特异的非常重要。

12. Nucleic Acids Res. 2020 Jan 28. pii: gkaa044. doi: 10.1093/nar/gkaa044. 

单组分光传感器系统允许高度可调和直接激活细菌细胞中的基因表达。A single-component light sensor system allows highly tunable and direct activation of gene expression in bacterial cells.

Li X(1)(2), Zhang C(1)(2), Xu X(1)(2), Miao J(1)(2), Yao J(1)(2), Liu R(1)(2), Zhao Y(1)(2), Chen X(1)(2)(3), Yang Y(1)(2)(3).

光调节模块提供了前所未有的新方法来以精确的空间和时间分辨率控制细胞行为。在各种细菌光可切换基因表达系统中，由于速度，简单性和多功能性的优点，由单个转录因子组成的单组分系统将更加有用。在本研究中，我们基于球形球形红细菌（RsLOV）的新型LOV域开发了单组分光激活细菌基因表达系统（eLightOn）。与现有的单组分细菌光激活表达系统相比，eLightOn系统显示出显着改进，其优势包括> 500倍的高ON/OFF比，高激活水平，快速激活动力学和/或良好的适应性。此外，通过调节LexRO的表达水平，可以高度调节诱导特性，包括调节窗，激活动力学和光敏性。我们分别通过控制FtsZ和CheZ基因的表达，以及使用光和阿拉伯糖作为两个输入构建合成布尔逻辑门，证明了eLightOn系统在调节细胞分裂和游泳中的有用性。综上所述，我们的数据表明eLightOn系统是用于定量和时空控制细菌基因表达的强大且高度可调的工具。

小编一句话总结：又一篇杨老师的好文章，新的光响应应用系统。

合成生物学与材料学

13. Nat Commun. 2020 Feb 4;11(1):563. doi: 10.1038/s41467-020-14371-4.

在水凝胶中对微生物进行分区和共培养，以按需进行生物生产和保存。Compartmentalized microbes and co-cultures in hydrogels for on-demand bioproduction and preservation.

Johnston TG(1), Yuan SF(2), Wagner JM(3), Yi X(2), Saha A(1), Smith P(1), Nelson A(4), Alper HS(5)(6).

大多数单培养和共培养生物工艺应用都依赖于大规模的悬浮发酵技术，这些技术不易携带，不可重复使用或不适合按需生产。在这里，我们描述了一种水凝胶系统，该系统利用嵌入式微生物的生物活性来满足微生物单培养和联合体中按需生产的小分子和多肽的生产。该平台通过利用温度响应型，剪切稀化型水凝胶将生物体划分为可控制最终财团的组成和动力学的聚合物水凝胶，而无需对合成进行综合控制，从而绕过了工程化多生物体的挑战。我们证明，这些水凝胶可提供保护作用，使其免受保存技术（包括冻干）的影响，并且可以在超过1年的重复使用中维持其代谢功能。通过使用单培养或共培养，该方法可用于生产四种化合物，一种肽类抗生素和碳水化合物分解代谢。印刷的载有微生物的水凝胶在重复生产阶段（保存前和保存后）的效率均优于液体培养。

小编一句话总结：用水凝胶进行微生物培养的新培养方式。

14. ACS Synth Biol. 2020 Feb 3. doi: 10.1021/acssynbio.9b00415. 

设计一种基于DNAzyme的操纵子系统，用于在活细菌中生产DNA纳米支架。Engineering a DNAzyme-Based Operon System for the Production of DNA Nanoscaffolds in Living Bacteria.

Alon DM(1), Voigt CA(2), Elbaz J(1).

使用DNA在活细胞内创建纳米支架的能力有可能成为合成生物学的强大工具。然而，迄今为止，由于缺乏可在单个细菌中产生多个ssDNA的基因元件，基因编码的DNA纳米结构仅限于简单的结构。在这里，我们开发了一种系统，该系统通过使用模拟操纵子的单个寡核苷酸基因克服了这一挑战。这是通过使用R3-DNAzymes（基于DNAzyme的操纵子）将非编码RNA转换成长ssDNA并自动切割成多个ssDNA来实现的。我们展示了应用基于DNAzyme的操纵子产生四ssDNA交叉纳米结构（25 nm）的能力，该结构在正确组装时会募集分裂的YFP。该系统能够在体内形成更复杂的DNA纳米结构，从而为将DNA纳米技术领域进一步整合到活细菌中铺平了道路，用于基础生物学，生物工程和医学应用。

小编一句话总结：体内实现ssDNA的纳米结构，相信将会有更广阔的用途。