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2019年4月第一期 合成生物学进展

2019-04-12
2019年4月第一期 合成生物学进展

小编:最近发现关于合成生物学的好文章实在是太多了,我真是怕错过每一篇精彩的文章。以后,每1-2周,小编都将筛选我心目中具有突破性、或有趣、或具有启发意义的研究成果进行整理,每次估计10-20篇。每篇都由我进行一句话总结。

进展内容主要分为两大部分:观点综述前沿进展。前沿进展里面,我将进一步分类,分为环境检测与保护、产物合成、材料学、诊断治疗、基因线路、方法学、特殊应用等。有时候不好分,分得也不一定对,大家看看就好。如果有小伙伴想让我深度解读一下某一篇文章,可以后台留言。我将以我的最大所能解读此文章,不仅仅是对文章本身的解读,也尽量会搜索它的历史和预测它的未来。


观点综述

1. Curr Opin Biotechnol. 2019 Apr 4;58:137-145. doi: 10.1016/j.copbio.2019.03.003.

下一代人类遗传学:组织水平系统生物学。Next-generation human genetics for organism-level systems biology.

Ukai H(1), Sumiyama K(2), Ueda HR(3).

系统生物学方法,例如系统组成和网络的全面识别和分析,是了解人体生理和病理设计原理的必要手段。尽管之前已使用过小鼠模型的反向遗传学,但由于需要重复杂交来产生体内所有细胞都具有敲除或敲入突变的小鼠,因此这种方法的通量较低。此外,人类和老鼠之间的种间差异也常常会产生问题。为了克服这些问题,需要高通量的方法来生产敲除或敲入小鼠。在这篇综述中,我们描述了“下一代”人类遗传学,它可以被定义为高通量的哺乳动物遗传学,而不需要杂交来敲除人鼠同源基因或敲入人的基因。

小编一句话概括:快速、高通量构建人类遗传学模型小鼠的技术。

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2. Biotechnol Adv. 2019 Apr 3. pii: S0734-9750(19)30060-6. doi: 10.1016/j.biotechadv.2019.04.001.

基于系统生物学的非天然化学物质代谢工程。Systems biology based metabolic engineering for non-natural chemicals.

Biz A(1), Proulx S(1), Xu Z(1), Siddartha K(1), Indrayanti AM(1), Mahadevan R(2).

微生物中化学物质的生产不再局限于天然代谢潜能产生的产品。在这篇综述中,我们重点介绍了代谢工程的研究进展,从生产由生物质水解物发酵的天然化学品,到生产非天然化学品的微生物工程。合成生物学的进步正加速微生物细胞工厂的成功发展。在这里,我们概述了新的计算工具的出现,用于创建合成途径,为非天然反应设计人工酶,并重新调控宿主代谢,以增加代谢通量到产品。我们还强调了应用酶的定向进化、生长和生产的动态控制、生长耦合策略以及基于非天然化学物质的正交路径解耦策略的机会。

小编一句话概括:微生物中非天然化学品生产的综述,并介绍了各种新工具。


3. Biotechnol Adv. 2019 Apr 2. pii: S0734-9750(19)30061-8. doi: 10.1016/j.biotechadv.2019.04.002. [Epub ahead of print]

在工业微生物系统中,染色体整合基因和途径的合成生物学方法。Synthetic biology approaches for chromosomal integration of genes and pathways in industrial microbial systems.

Li L(1), Liu X(2), Wei K(3), Lu Y(4), Jiang W(5).

工业生物技术依赖于内源途径工程或引进外源途径,以实现目标产品的高效生物合成。染色体整合具有内在的遗传稳定性,是大规模、长期发酵过程中可靠表达同源或异源基因及通路必不可少的步骤。随着合成生物学和基于CRISPR的基因组编辑方法的进步,已开发出了多种新颖的使能技术,可以单步、无标记、多位点的基因组整合大型生化途径,这极大地促进了微生物对化学品、药物和其他增值生物分子的过度生产。值得注意的是,新发现的同源介导的末端连接策略可广泛应用于许多同源缺失重组微生物的高效基因组整合。本文综述了基因组整合的基本原理和特点,重点介绍了靶向整合方法在大肠杆菌、放线菌和酵母菌三种典型工业微生物系统中的发展和应用。

小编一句话概括:李雷夫妇新作,工业微生物生产产物的菌株改造,染色体整合基因和途径的合成生物学方法。


4. Nat Prod Rep. 2019 Apr 5. doi: 10.1039/c9np00008a. 

Soraphens的化学和生物学。The intriguing chemistry and biology of soraphens.

Naini A(1), Sasse F(2), Brönstrup M(3).

Soraphens是一类聚酮类天然产物,发现自粘细菌菌株Sorangium cellulosum。这篇综述的目的是对soraphens的生物合成、化学和生物学特性进行概述,展示了天然产物作为破译细胞生物学工具的价值的一个例子,同时也为开辟新的治疗选择提供了机会。Soraphen A是乙酰辅酶A羧化酶(ACC1/2)的抑制剂,这种酶能将乙酰辅酶A转化为丙二酰辅酶A,从而控制脂肪生成和脂肪酸氧化等细胞代谢过程。Soraphens抑制靶点(ACC1/2),可能可以治疗各种病症:原本作为杀菌剂,,在过去的十年的努力,还可治疗各种人类疾病,包括糖尿病、肥胖、癌症、艾滋病毒、丙型肝炎和自身免疫性疾。我们总结soraphen A的结构类似物是如何通过广泛的分离工作、生物合成基因簇的遗传工程、半合成以及部分和全合成产生的。

小编一句话概括:聚酮类化合物Soraphen详细的生物、化学发现史和应用史。

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前沿进展

01

基因线路

5. iScience. 2019 Mar 22. pii: S2589-0042(19)30085-9. doi: 10.1016/j.isci.2019.03.019. 

两种新的质粒分离后杀伤机制用于大肠杆菌合成基因网络的实现。Two New Plasmid Post-segregational Killing Mechanisms for the Implementation of Synthetic Gene Networks in Escherichia coli.

Fedorec AJH(1), Ozdemir T(2), Doshi A(3), Ho YK(4), Rosa L(2), Rutter J(2), Velazquez O(3), Pinheiro VB(5), Danino T(6), Barnes CP(7).

质粒是工业生物技术和合成生物技术的主要工作部件,但如何确保它们留在细菌细胞中是一个挑战。在大多数实际应用中,抗生素选择不能用于稳定质粒,而将动态基因网络插入基因组仍然具有挑战性。质粒已经进化出几种稳定的机制,其中之一是分离后杀伤(PSK),这确保了没有质粒的细胞不能存活。在此,我们展示了axe/txe毒素抗毒素系统和microcin-V细菌素系统在益生菌Nissle 1917中的质粒稳定能力,并表明它们优于常用的hok/sok。利用质粒稳定性分析、自动流式细胞仪分析、数学模型和贝叶斯统计,我们在体外对质粒稳定性进行了定量。此外,我们使用体内小鼠癌症模型来证明质粒在真实治疗环境中的稳定性。这些新的PSK系统,加上开发的贝叶斯方法,将在临床和工业生物技术中具有广泛的适用性。

小编一句话概括:分离后杀伤(PSK)来维持质粒稳定性的新方法,临床和工业广泛适用。

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6. Methods. 2019 Apr 3. pii: S1046-2023(18)30327-X. doi: 10.1016/j.ymeth.2019.04.004.

基于RNA的Capture-SELEX方法用于小分子结合适配体的筛选。RNA-based Capture-SELEX for the selection of small molecule-binding aptamers.

Boussebayle A(1), Groher F(1), Suess B(2).

尽管小分子结合RNA适配体具有广泛的应用前景,但其高亲和力和特异性的选择仍然具有挑战性。结合和结构切换的RNA适配体尤其少见。在这里,我们提出了Capture-SELEX方法,该方法可体外选择小分子结合的适配体,这是合成核糖体开关和生物传感器设计过程中必不可少的基石。此外,我们提出的方法与其他体外选择方案的比较概述。最后,我们还提供了详细的注释,以指出未来应用的有用技巧。

小编一句话概括:一种体外筛选小分子和RNA适配体的新方法,称为Capture-SELEX。

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7. Front Microbiol. 2019 Mar 21;10:551. doi: 10.3389/fmicb.2019.00551. eCollection 2019.

采用茶碱反应性核糖体开关,对长链聚球菌PCC7942糖原代谢进行灵活调控和研究。Adopting a Theophylline-Responsive Riboswitch for Flexible Regulation and Understanding of Glycogen Metabolism in Synechococcus elongatus PCC7942.

Chi X(1)(2)(3), Zhang S(1)(2)(4), Sun H(1)(2)(4), Duan Y(1)(5), Qiao C(1)(2)(4), Luan G(1)(2), Lu X(1)(2)(6)(7).

蓝细菌被认为是很有前途的光合微生物平台,可以利用太阳能驱动的二氧化碳转化为生物质和生物制品。糖原合成是一种重要的天然碳汇机制,为光合作用储存了大量的能量和有机碳源。利用糖原代谢来调控和重组碳流是优化蓝细菌平台效能的重要策略。ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(GlgC)催化糖原合成的限速步骤。然而,敲除glgC并不能促进蓝细菌的细胞生长或光合生产,相反,缺乏glgC会损害细胞的适应性和鲁棒性。本研究采用茶碱反应核糖体开关技术,对长链锁球菌PCC7942中glgC的表达进行工程调控,实现了对细胞内glgC丰度和糖原储存的灵活调控。利用该方法,PCC7942细胞的糖原合成和糖原含量可在野生型水平的40 ~ 300%左右进行调控。此外,结果支持糖原代谢在蓝细菌细胞鲁棒性的积极作用。当糖原储存减少时,细胞在标准条件下的生理和生长没有受到损害,而细胞对环境压力的耐受性减弱。而当糖原合成增强时,PCC7942细胞表现出较好的细胞鲁棒性。我们的研究结果强调糖原代谢对蓝细菌生理的重要性,以及对工程和理解细胞生理和代谢的灵活方法的重要性。

小编一句话概括:蓝细菌中,利用核糖体开关,控制glgC表达,增加糖原储存。

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8. Nat Commun. 2019 Apr 2;10(1):1501. doi: 10.1038/s41467-019-09493-3.

PreQ1核糖体的合成配体。Synthetic ligands for PreQ1 riboswitches provide structural and mechanistic insights into targeting RNA tertiary structure.

Connelly CM(1), Numata T(2)(3), Boer RE(1), Moon MH(1), Sinniah RS(1), Barchi JJ(1), Ferré-D'Amaré AR(2), Schneekloth JS Jr(4).

核糖体是天然存在的RNA适配体,通过与特定的小分子结合来调控基因表达。核糖体控制着必需细菌基因的表达,是RNA小分子识别的重要模型。在这里,我们报告了一类合成小分子,这些小分子与PreQ1核糖开关适配体结合。这些分子特异性地可逆地与亲和度高的适配体结合,引起构象的改变。此外,配体通过转录终止调节核糖开关活性,尽管与同源配体没有明显的化学相似性。X射线晶体学研究表明,配体与同源配体共用一个结合位点,但接触方式不同。最后,配体化学结构的改变导致RNA结合方式的改变,影响调控功能。因此,基于靶标和结构的方法可以用来识别和理解合成配体与复杂的折叠RNA结合和调控的机制。

小编一句话概括:深入研究了PreQ1核糖开关适配体的结构与机制。

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02

环境检测与保护

9. Appl Environ Microbiol. 2019 Apr 5. pii: AEM.00694-19. doi: 10.1128/AEM.00694-19. 

一种灵敏、特异的砷检测全细胞生物传感器。Development of a sensitive and specific whole-cell biosensor for arsenic detection.

Jia X(1)(2)(3), Bu R(4), Zhao T(4), Wu K(5).

全细胞生物传感器(WCBs)被设计用于检测砷As(III),但大多数都存在敏感性和特异性较差的问题。在本文中,我们开发了一个砷WCB大肠杆菌DH5α正反馈放大器。正反馈放大器显著增强了报告mCherry的输出信号。当使用半饱和As(III)浓度进行评价时,有正反馈的WCB的灵敏度比没有正反馈的高一个数量级。最低检出限As(III)降低了一个数量级,至0.1 μM,低于世界卫生组织饮用水中砷水平标准,0.01 mg/L或0.13 μM。由于输出信号的放大,WCB能够在较短的时间内给出可检测的信号,快速响应是现场操作的关键。此外,与其他金属离子相比,带正反馈放大器的WCB对As(III)具有极高的特异性。所设计的正反馈放大器WCB总体上满足了As(III)检测的要求,具有较高的灵敏度和特异性。该工作也说明了基因线路工程在WCBs设计中的重要性,利用遗传正反馈放大器是提高WCBs性能的一个很好的策略。砷中毒是一个严重的公共卫生问题。饮用水中砷浓度的灵敏、特异监测需要快速、简便的方法。在本研究中,我们设计了一种带正反馈放大器的砷WCB。它是高度敏感的,能够检测砷低于世界卫生组织的限制水平。此外,它还显著提高了生物传感器对砷的特异性,对As(III)的响应信号比其他金属强10-20倍。这项工作不仅提供了简单而有效的砷生物传感器,而且证明了基因工程的重要性,特别是使用正反馈放大器,在设计WCBs。

小编一句话概括:对砷As(III)的信号响应的全细胞生物传感器(WCB),应用正反馈放大器提高了灵敏性。


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03

产物合成

10. Metab Eng. 2019 Apr 3. pii: S1096-7176(19)30030-8. doi: 10.1016/j.ymben.2019.03.010. [Epub ahead of print]

利用自主进化突变系统启动进化效率。Kick-starting evolution efficiency with an autonomous evolution mutation system. 

自适应进化是获得性能优良的工业菌株的有效策略,但该方法耗时长、效率低。为了解决这些问题,我们构建了一个自主进化突变系统(AEMS)来促进突变的发生,该系统基于高保真度模块和诱变模块之间的层次动态控制。将AEMS技术应用于枯草芽胞杆菌中,筛选乙酰丙酮耐药表型和高产菌株。乙偶姻(acetoin)的最小抑制浓度表现出从40到60g/L,与生产乙偶姻的枯草芽胞杆菌相比增加了42.8%。扩大生产乙偶姻定向进化株,枯草芽胞杆菌HS019,30升的发酵罐产生82.5g/L乙偶姻。这些结果表明,AEMS可以提高进化效率,为获得耐药表型和高产菌株提供了一种有效的方法。

小编一句话概括:利用自主进化突变系统,提高了枯草芽胞杆菌对乙偶姻的耐受与产量。

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04

材料学

11. Small. 2019 Apr 5:e1805312. doi: 10.1002/smll.201805312.

细菌生产的,以钠激发的复合材料。Bacterially Produced, Nacre-Inspired Composite Materials.

Spiesz EM(1), Schmieden DT(1), Grande AM(2), Liang K(1), Schwiedrzik J(3), Natalio F(4), Michler J(3), Garcia SJ(5), Aubin-Tam ME(1), Meyer AS(6).

天然复合材料,如珍珠层,其源于其多尺度层次结构令人印象深刻的力学性能,从纳米尺度到宏观尺度,并产生有效的能量耗散。虽然一些合成生物材料已经达到了天然珍珠层的韧性,但目前的生产方法是复杂的,通常涉及有毒化学物质、极端温度和/或高压。在这里,我们介绍了细菌的独特用途,以生产钠激发的层状碳酸钙-聚谷氨酸复合材料,达到并超过天然珍珠层的韧性,同时还表现出高延展性和保持高刚度。细菌代谢能力的广泛多样性和基因工程的可能性允许创建一个由细菌生产的、具有低成本的、生态友好的复合材料的库。

小编一句话概括:微生物辅助材料制备,更便宜、强度更高、更环保。

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05

诊断医疗

12. Elife. 2019 Apr 5;8. pii: e42475. doi: 10.7554/eLife.42475. 

光控:动态校对调节T细胞受体的活性。Optogenetic control shows that kinetic proofreading regulates the activity of the T cell receptor.

Yousefi OS(1), Günther M(2), Hörner M(1), Chalupsky J(1), Wess M(1), Brandl SM(1), Smith RW(3), Fleck C(3), Kunkel T(4), Zurbriggen MD(1), Höfer T(2), Weber W(1), Schamel WW(1).

免疫系统区分自体抗原和外来抗原。动态校对(KPR)模型提出,T细胞通过与T细胞受体(TCR)结合的配体半衰期不同,将自身与外来配体区分开来。由于现有的实验系统仅改变结合半衰期和保持相互作用的其他参数不变,对KPR的测试具有一定的挑战性。我们利用植物光感受器植物色素B (PhyB)作为配体设计了一个光发生系统,通过光选择性地控制配体与TCR结合的动力学。这种光配体-TCR系统结合了PhyB独特的特性,在红光照射下在结合态和非结合态之间不断循环,光强决定了循环速率,从而决定了结合持续时间。我们的实验数据集的数学模型表明,配体与TCR相互作用的半衰期确实是激活下游TCR信号的决定性因素,证实了KPR。

小编一句话概括:用植物光感受器植物色素B (PhyB)改造T细胞,使其感应红光调控。

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