2019年4月 第三期 合成生物学进展汇总

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1. Int J Mol Sci. 2019 Apr 19;20(8). pii: E1929. doi: 10.3390/ijms20081929.

氨基酰基tRNA合成酶和tRNA用于扩展的遗传密码:是什么使它们正交?Aminoacyl-tRNA Synthetases and tRNAs for an Expanded Genetic Code: What Makes them Orthogonal?

Melnikov SV(1), Söll D(2).

在过去的二十年中，tRNA分子及其相应的氨基酰基tRNA合成酶(aaRS)被广泛应用于合成生物学中，对翻译后修饰的非天然氨基酸进行基因编码。在这篇综述中，我们简要地研究了成功应用tRNA/aaRS对扩展遗传密码的一个基本要求。这一要求被称为“正交性”，即tRNA及其相应的aaRS在特定生物体中相互作用的能力，以避免与其他类型的tRNA和aaRSs发生交叉反应。

小编一句话总结：人工密码子研究领域中，关键问题——氨基酰基tRNA合成酶(aaRS)的正交性的综述。

2. J Med Chem. 2019 Apr 26. doi: 10.1021/acs.jmedchem.9b00246.

解决不可解决的问题:优化人药用天然产物的艺术。Fixing the Unfixable: The Art of Optimizing Natural Products for Human Medicine.

Yñigez-Gutierrez AE(1), Bachmann BO(1).

从细菌、真菌和植物等自然资源中分离出的化合物分子是一直以来的方法，并在今天继续增加我们的药物库。尽管复杂的天然产物在临床中具有强大的潜力和突出的地位，但它们往往有许多限制，这可能是当前天然产品发现、研究和开发的趋势下降的部分原因。然而，合成生物学和有机合成的进步激发了新一代的天然产物化学家来解决强大的未开发的化合物。在这个角度看，我们将举一些案例研究，展示历史和当前的重点目标，通过操纵生物合成基因簇改变天然产物结构，全合成、半合成、或这些方法的组合，增加活动、降低毒性、或改善化学和药理性质。

小编一句话总结：通过一些实际例子，综述了合成生物学和有机合成的进步为新时期的天然产物药物合成和研究提供新的机遇。

3. Curr Opin Syst Biol. 2019 Feb;13:59-67. doi: 10.1016/j.coisb.2018.10.001.

新陈代谢是一个电流系统？Interrogating metabolism as an electron flow system.

Zerfaß C(1)(2), Asally M(1)(2)(3), Soyer OS(1)(2)(3).

代谢通常被认为是一个整齐有序的模块途径系统，由细胞生长的进化形成。这一观点未能解释和预测一些有关新陈代谢结构和动力学的关键观察结果。我们以路径为中心的代谢观的这些局限性，并总结了一些研究。以第一原理为基础的代谢观，可以开辟代谢工程和治疗代谢疾病的新途径，并使人们对与代谢有关的无数生理过程有更好的了解。为了进一步发展这一观点，我们呼吁物理和生物学科之间联系更密切，并增加使用电化学和生物物理方法来研究细胞代谢及其存在的微环境。

小编一句话总结：一个新颖的观点，生物代谢是一种类似于电流的过程，而不是模块化的有序途径。

4. Science. 2019 Apr 18. pii: eaau8287. doi: 10.1126/science.aau8287.

利用协同调控组件在合成基因线路中进行复杂的信号处理。Complex signal processing in synthetic gene circuits using cooperative regulatory assemblies.

Bashor CJ(1), Patel N(2), Choubey S(3), Beyzavi A(4), Kondev J(3), Collins JJ(5)(6)(7), Khalil AS(8)(7).

真核基因受多价转录因子复合物调控。通过协同自组装，这些复合物在细胞决策和信号处理过程中执行非线性调控操作。在这里，我们将这一设计原理应用到合成网络中，测试工程协同装配是否能对酵母的非线性基因线路行为进行编程。使用模型引导的方法，我们证明了指定装配子单元的强度和数量能够预测调整线性和非线性调节响应之间的单输入和多输入电路。我们证明，组件可以调整控制线路动力学。我们利用这种能力来设计执行动态滤波的线路，从而在细胞群中实现频率相关的解码。可编程协同装配提供了一种通用的方法来调整网络连接的非线性，极大地扩展了合成线路的可工程性能。

小编一句话总结：Collins大神的新文章，在酵母中人工设计非线性基因线路。

5. ACS Synth Biol. 2019 Apr 22. doi: 10.1021/acssynbio.9b00055.

细胞穿透肽介导的大质粒DNA向大肠杆菌的转化。Cell-Penetrating Peptide-Mediated Transformation of Large Plasmid DNA into Escherichia coli.

Islam MM(1), Odahara M(1), Yoshizumi T(1), Oikawa K(1), Kimura M(1), Su'etsugu M(2), Numata K(1).

细胞的高效遗传转化是合成生物学过程中必不可少的，特别是对于大型基因簇的转化。本文介绍了一种新型的细胞穿透肽(CPP)介导的大肠杆菌大型质粒DNA转化系统。将一个大的质粒(pMSR227, 205 kb)与含有CPP基序的阳离子多肽络合，成功转化到大肠杆菌细胞。含有质粒DNA的转化子显示了编码红色荧光蛋白的报告基因的表达。转化效率明显高于热休克法，与电穿孔法相近。该技术可作为大型DNA分子在温和条件下进行简单高效转化的平台，且不会对DNA造成重大损伤，加速了工业用基因工程微生物设计的合成生物学研究。

小编一句话总结：开发了一种新型的细胞穿透肽(CPP)介导的大肠杆菌大型质粒DNA转化系统。附：小编也做过大片段的操作，常规的酶切、DNA连接、质粒提取、回收DNA等操作都变得困难。

6. Synth Biol (Oxf). 2019;4(1):ysz008. doi: 10.1093/synbio/ysz008. Epub 2019 Mar 15.

基于CRISPR的细菌移动基因元件的调控。CRISPR-interference-based modulation of mobile genetic elements in bacteria.

Nyerges Á(1), Bálint B(1)(2), Cseklye J(2), Nagy I(1)(2), Pál C(1), Fehér T(1).

由移动遗传元件引发的合成遗传结构突变，常常导致工程菌功能的快速丧失。以前的努力来减少这种突变极耗时，需完全删除插入序列(ISes)。为此，我们开发了一种基于单质粒系统(pCRIS)，该系统利用CRISPR -抑制细菌ISes的转位。在大肠杆菌的38个染色体位点上，pCRIS表达多个gRNA和失活的Cas9 (dCas9)，同时沉默IS1、IS3、IS5和IS150。因此，在染色体和外显子靶标上，所有四个靶向的ISes的转位率都下降到可以忽略的水平。我们的IS沉默系统的可塑性和鲁棒性使其成为一个有希望的工具，稳定细菌基因组的合成生物学和工业生物技术应用。

小编一句话总结：用dCas9抑制移动元件（IS）的转位率，为获得稳定的遗传工程菌提供了一个较为简便的方法。

7. BMC Bioinformatics. 2019 Apr 25;20(1):209. doi: 10.1186/s12859-019-2784-7.

多个靶RNA的设计。Fixed-parameter tractable sampling for RNA design with multiple target structures.

Hammer S(1)(2)(3), Wang W(4), Will S(5)(6), Ponty Y(7).

背景：多稳定RNA分子的设计在生物学、医学和生物技术领域有着重要的应用。合成设计方法从有效的硅基方法中获利，这大大减少了昂贵的湿实验的需要。结果:我们设计了一种新的方法来解决大多数硅基设计方法的核心问题:生成可以折叠成多个目标结构的序列。基于约束网络，我们的方法支持一般的玻尔兹曼加权采样，这使得RNA序列具有特定的自由能。此外，我们对我们的方法的一般性质进行了实证研究，并为一个已建立的设计基准生成生物学相关的多目标玻尔兹曼加权设计。我们的结果证明了该方法在实践中的有效性和可行性，以及玻尔兹曼抽样相对于以往最佳的多目标抽样策略的优点，在实证研究的基础上，基于多稳态RNA设计的一个基本理论结果，即设计计数的p -hard，我们最终证明了算法的细节。结论:提出了一种新颖、灵活、有效的多靶RNA设计方法，具有广泛的适用性和可扩展性。

小编一句话总结：开发了一种基于计算机，新的多稳定RNA设计方法。

8. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2019 Jun 10;374(1774):20180382. doi: 10.1098/rstb.2018.0382.

细菌群落中类脑电信号的代谢基础。Metabolic basis of brain-like electrical signalling in bacterial communities.

Martinez-Corral R(1), Liu J(2), Prindle A(3)(4), Süel GM(5), Garcia-Ojalvo J(1).

哺乳动物大脑的信息处理依赖于其组成神经元的膜电位动力学的精细调控，膜电位动力学通过电子信号在神经元组织中传播。我们最近报道了在一种简单得多的生物体——枯草芽胞杆菌中存在电子信号。在被称为生物膜的密集细菌群落中，菌落内部缺乏营养的枯草杆菌细胞利用电子通讯将应激信号传递到外围，从而干扰外围细胞的生长，降低营养消耗，从而减轻了来自内部的应激。在这里，我们通过引入一个空间扩展的数学模型，明确地解决了细菌生物膜中代谢和电生理之间的相互作用，该模型将该现象的代谢和电成分结合在一个离散的反应扩散方案中。该模型经环境和遗传扰动的实验验证，证实代谢压力通过钾波在细菌种群中传播。有趣的是，这种行为让人想起大脑皮层扩散性抑郁症，其特征是钾离子扩散介导的一波电活动，这种电活动与各种神经系统疾病有关，这要求未来研究这两种现象之间的进化联系。本文是“液态大脑，固态大脑:分布式认知结构如何处理信息”主题的一部分。

小编一句话总结：计算机模拟发现，枯草芽胞杆菌群落之间的信号与脑部神经系统的传递是类似的。

9. ACS Synth Biol. 2019 Apr 17. doi: 10.1021/acssynbio.9b00061.

快速、启发式地发现和设计用于工业应用的非模式微生物启动子集合。Rapid, Heuristic Discovery and Design of Promoter Collections in Non-Model Microbes for Industrial Applications.

Gilman J, Singleton C, Tennant RK, James PBC, Howard T, Lux T, Parker D, Love J.

用于合成生物学应用的特征良好的启动子集合并不总是在与工业相关的宿主中可用。我们开发了一种广泛应用于非典型微生物宿主启动子识别的方法，不需要对顺式调控元件结构的先验理解。这种新方法结合了生物信息过滤和快速的经验特征来扩展启动子工具箱，并使用机器学习来提高对DNA序列和功能之间关系的理解。在此，我们将该方法应用于嗜热性微生物热葡糖苷土杆菌中，它具有很高的工业应用合成生物学基础的潜力。生物信息学筛选嗜考氏杆菌、嗜硬脂酸杆菌、嗜热脱氮杆菌和嗜热葡萄糖苷杆菌，鉴定出636100 bp的推测启动子。其中80个序列在体内进行了特征描述，其活性覆盖了2 log范围的可预测表达水平。结果表明，无论下游编码序列如何，7个序列的功能是一致的。然而，由于训练数据集相对于模型设计空间的大小相对较小，这些模型还不够普遍，无法预测体内的启动子活性。

小编一句话总结：计算机预测，用于工业的非模式微生物启动子集合。

10. Nat Biomed Eng. 2018 Jan;2(1):27-37. doi: 10.1038/s41551-017-0181-y. Epub 2018 Jan 10.

设计用于饮食介导的结肠直肠癌化学预防的微生物。Engineered commensal microbes for diet-mediated colorectal-cancer chemoprevention.

Ho CL(1)(2), Tan HQ(3), Chua KJ(1)(2), Kang A(1)(2), Lim KH(4), Ling KL(3), Yew WS(1)(2), Lee YS(2)(5), Thiery JP(1)(2), Chang MW(6)(7).

化学预防——使用药物来预防癌症，可以通过食用富含天然代谢物的农产品来加强。然而，化学预防代谢物通常是不活跃的，具有低生物利用度和较差的宿主吸收。在这里，我们表明，通过十字花科蔬菜饮食，工程共生微生物可以预防癌症的发生，并促进结肠直肠癌的消退。工程菌大肠杆菌与结直肠癌细胞上的硫酸肝素蛋白聚糖特异性结合，分泌芥子酶，将宿主摄取的十字花科植物的天然成分葡萄糖甙转化为已知具有抗癌活性的有机小分子硫拉芬。工程菌与硫代葡萄糖苷类化合物在体外对小鼠、人及结直肠腺癌细胞株的增殖抑制率达95%。我们还发现，用工程微生物和十字花科植物饲料喂养的结直肠癌小鼠模型显示出明显的肿瘤消退和肿瘤发生率降低。

小编一句话总结：通过十字花科蔬菜饮食，工程共生微生物可预防癌症的发生，并促进结肠直肠癌的消退。

11. Nat Biomed Eng. 2018 Feb;2(2):114-123. doi: 10.1038/s41551-018-0192-3. Epub 2018 Feb 6.

用薄荷芳香疗法控制的设计细胞治疗慢性疼痛。Treatment of chronic pain by designer cells controlled by spearmint aromatherapy.

Wang H(1), Xie M(1), Charpin-El Hamri G(2), Ye H(3), Fussenegger M(4)(5).

目前治疗慢性疼痛的方法往往与剂量限制毒性有关，或导致药物耐受或成瘾。在这里,我们描述一个疼痛治疗策略、基于细胞工程原理和合成生物学的启发,包括微胶囊设计细胞产生huwentoxin-IV(安全、有效的镇痛肽选择性地抑制引起疼痛的电压门控钠离子通道NaV1.7)在慢性炎症和神经性疼痛模型中，携带设计细胞的小鼠在口服或吸入薄荷精油时表现出与疼痛相关的行为减少，并且没有心血管、免疫原性和行为副作用。我们的原则证明发现表明，基于工程细胞的治疗方法可以为慢性疼痛的长期管理实现鲁棒的、可调的和按需止痛。

小编一句话总结：叶海峰老师和Martin Fussenegger的新文章，工程化细胞用于治疗慢性疼痛。

12. Metab Eng. 2019 Apr 19. pii: S1096-7176(19)30015-1. doi: 10.1016/j.ymben.2019.04.005.

线性糖酵解法在真假单胞菌糖分解代谢中的功能实现。Functional implementation of a linear glycolysis for sugar catabolism in Pseudomonas putida.

Sánchez-Pascuala A(1), Fernández-Cabezón L(2), de Lorenzo V(3), Nikel PI(4).

土壤细菌puomonas putida KT2440葡萄糖同化的核心代谢已从原生的、循环操作的Entner-Doudoroff (ED)途径重塑为线性embd-meyerhof-parnas (EMP)糖酵解。为获得合成EMP途径的合适宿主而采用的遗传策略不仅包括消除ED途径的酶活性，还包括消除葡萄糖氧化的外围反应，这些葡萄糖氧化将碳骨架转移到细胞质中形成有机酸。从大肠杆菌中提取的外源糖酵解酶，通过基因敲入突变株，填补代谢缺口，通过合成EMP途径完成葡萄糖到丙酮酸的代谢。一系列基因、生理和生物化学测试表明，以葡萄糖为唯一碳和能量来源的重组P. putida菌株通过合成分解代谢取代了天然的糖代谢。进一步设计了携带合成糖酵解的菌株以葡萄糖为原料合成类胡萝卜素，表明与天然己糖分解代谢的菌株相比，植入EMP路线能够提高类胡萝卜素的生物量和产量。综上所述，我们的研究结果强调了如何合理地重塑平台菌中保守的代谢特性，以增强感兴趣的生理特性。

13. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Apr 18. pii: 201901788. doi: 10.1073/pnas.1901788116.

电诱导的细菌膜电位动力学与细胞增殖能力有关。Electrically induced bacterial membrane-potential dynamics correspond to cellular proliferation capacity.

Stratford JP(1)(2), Edwards CLA(1), Ghanshyam MJ(1), Malyshev D(1), Delise MA(1), Hayashi Y(3), Asally M(4)(2)(5).

膜电位动力学在细胞内和细胞间水平上介导细菌的电信号传递。膜电位也是细胞增殖的核心。目前还不清楚细胞对外界电刺激的反应是否受细胞增殖能力的影响。一种能够同时监测单细胞膜电位动态的电刺激细菌的新策略将填补这一知识空白，并进一步将电生理学研究扩展到微生物学领域。在这里，我们报告一个相同的电刺激可以引起相反的极化动力学取决于细胞增殖能力。这是通过两个模型生物体，即枯草芽胞杆菌和大肠杆菌，并通过开发一个设备，使外源性电刺激和单细胞延时显微镜证明。使用这个定制的仪器，我们表明2.5秒的电刺激会导致未受干扰细胞的超极化。细胞内K+和K+通道缺失的测量表明，超极化反应是由K+通过通道的流出引起的。当细胞预先暴露在400±8nm波长的光下，同样的电刺激使细胞去极化，而不是引起超极化。由FitzHugh-Nagumo神经元模型扩展而来的数学模型表明，与之相反的响应动力学是由静止膜电位的变化引起的。正如模型所预测的，电刺激只在细胞被抗生素、原细胞或酒精治疗时才会引起去极化。因此，电诱导膜电位动力学为快速检测增殖细菌并在单细胞水平上测定其对抗菌药物的敏感性提供了一种可靠的方法。

小编一句话总结：将电学的方法应用到合成生物学中，并发现了电诱导的细菌膜电位动力学与细胞增殖能力有关。