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2019年4月 第二期 合成生物学进展汇总

2019-04-19
2019年4月 第二期 合成生物学进展汇总

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图片由maple绘制


综述观点

1. Small. 2019 Apr 11:e1900172. doi: 10.1002/smll.201900172.

核酸功能纳米材料作为先进的癌症治疗手段。Nucleic Acid-Based Functional Nanomaterials as Advanced Cancer Therapeutics.

Yuan Y(1), Gu Z(2), Yao C(1), Luo D(3)(4), Yang D(1).

核酸基功能纳米材料(NAFN)作为一种新型的药物载体在肿瘤治疗中得到了广泛的应用。大量的研究表明,NAFN可以有效地负载和保护治疗药物,特别是能够靶向地传递到肿瘤部位和微环境反应性释放。这些突出的性能是由于NAFN的独特性质,包括固有的生物功能和序列可编程性以及生物相容性和生物降解性。本文就NAFN作为一种先进的肿瘤治疗手段的研究进展作一综述。三种主要的癌症治疗方法包括化疗、免疫和基因治疗。举例说明NAFN是如何合理和精巧地设计来解决癌症治疗中的问题。并对NAFN在生物医学领域的应用前景进行了展望。

小编一句话总结:可编程设计的核酸基功能纳米材料(NAFN)用于靶向药物递送。

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2. J Orthop Res. 2019 Apr 12. doi: 10.1002/jor.24304. 

设计干细胞:基因组工程和下一代细胞疗法。Designer stem cells: Genome engineering and the next generation of cell-based therapies.

Guilak F(1)(2)(3), Pferdehirt L(1)(2)(3), Ross AK(1)(2)(3), Choi YR(1)(2)(4), Collins KH(1)(2), Nims RJ(1)(2), Katz DB(1)(2)(3), Klimak M(1)(2)(3), Tabbaa S(5), Pham CT(6).

干细胞为开发治疗肌肉骨骼疾病的新方法提供了巨大的希望。除了它们的多能性,某些类型的干细胞表现出免疫调节作用,可以减轻炎症和增强组织修复。然而,由于供体内和供体间的变异、移植、受体微环境和患者适应症的变异以及有限的治疗生物活性等方面的挑战,干细胞疗法很难转化为临床实践。在这方面,干细胞治疗的成功可能得益于细胞工程方法,以增强因素,如纯化、归巢和细胞存活、营养效应或免疫调节信号。通过结合基因编辑、合成生物学和组织工程学的最新进展,有可能创造出新型的“设计”细胞,这些“设计”细胞具有指定的细胞表面分子和受体,以及合成基因线路,提供自我调节的药物传递或增强组织修复。

小编一句话总结:关于干细胞设计和改造的综述,用于今后的细胞治疗。


3. Biotechnol Adv. 2019 Apr 9. pii: S0734-9750(19)30064-3. doi: 10.1016/j.biotechadv.2019.04.005.

蓝细菌糖原代谢工程研究进展及展望。Progress and perspective on cyanobacterial glycogen metabolism engineering.

Luan G(1), Zhang S(2), Wang M(3), Lu X(4).

蓝细菌作为一种重要的产氧自养生物,也被普遍认为是最有前途的光合生物制造的微生物底盘之一。已开发了多种合成生物学和代谢工程方法,以便在蓝细菌细胞工厂中有效地利用碳和能量流合成所需的代谢产物。糖原代谢是最重要的天然碳汇机制和储备碳源,从Calvin-Benson-Bassham (CBB)循环中储存了大量的碳和能量,传统上认为是优化蓝细菌细胞工厂效能的一个很有前途的工程目标。采用多种策略和方法对蓝细菌糖原代谢进行工程设计,成功调控了蓝细菌细胞糖原合成和糖原储存的含量。然而,糖原代谢紊乱导致细胞生理功能减弱,从而削弱了代谢的鲁棒性。此外,糖原去除作为一种促进光合生物合成的代谢工程策略的效果仍存在争议。本文综述了糖原代谢工程对蓝细菌底盘菌株和细胞工厂生理代谢的影响。本文所提供的观点和前景有望激发新的策略和工具,以实现对生物制造所需的碳和能量流的理想控制。

小编一句话总结:关于蓝细菌糖原代谢工程研究进展及展望的综述,以便更好地将蓝细菌作为细胞工厂。

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4. Cells. 2019 Apr 5;8(4). pii: E315. doi: 10.3390/cells8040315.

无细胞蛋白合成:最小底盘细胞。Cell-Free Protein Synthesis: Chassis toward the Minimal Cell.

Yue K(1), Zhu Y(2), Kai L(3)(4).

对最小细胞的探索不仅揭示了生命的基本原理,而且在相关的应用领域,如生物技术,也带来了巨大的进步。最小的细胞工程来自于对生命起源的合理路线的研究。后来,研究范围扩大,也涉及到人造细胞的构建,甚至更广泛,如体外合成生物学。无细胞蛋白合成(CFPS)技术利用了在开放环境中转录/翻译的中心细胞活动,为多个细胞过程的组装提供了框架。因此,CFPS系统已成为构建最小单元的首选。在这篇综述中,我们重点介绍了CFPS定量分析的最新进展,以及它在解决最小单元的自底向上组装方面的优势,并说明了系统底盘行为的重要性,例如在划分的微环境下的随机性。

小编一句话总结:无细胞蛋白合成(CFPS)技术对最小底盘细胞的探究。

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前沿进展
基因线路

5. Nucleic Acids Res. 2019 Apr 15. pii: gkz271. doi: 10.1093/nar/gkz271.

细胞特异性CRISPR-Cas9被microRNA依赖的抗CRISPR蛋白的表达激活。Cell-specific CRISPR-Cas9 activation by microRNA-dependent expression of anti-CRISPR proteins.

Hoffmann MD(1)(2), Aschenbrenner S(1)(2), Grosse S(1), Rapti K(3)(4), Domenger C(3)(4), Fakhiri J(3)(4), Mastel M(1), Börner K(3)(4)(5), Eils R(6)(7), Grimm D(3)(4)(5), Niopek D(1).

CRISPR-Cas技术的快速发展,使得针对遗传疾病的个性化和靶向治疗更近一步。为了使基于CRISPR的治疗更加精确和安全,我们迫切需要将Cas9的活性限制在特定的细胞和组织中。在此,我们开发了一种基于miRNA调控的抗CRISPR (Acr)蛋白表达的细胞类型特异性Cas-ON开关。我们将miR-122或miR-1的靶位点分别插入Acr转基因的3’utr中,miR-122和miR-1分别在肝脏和心肌细胞中表达丰富。与Cas9和sgRNAs共同表达这些蛋白可导致Acr的下调,并仅在肝细胞或心肌细胞中释放Cas9活性,而在非靶细胞中Cas9被有效抑制。我们证明了使用mir依赖的AcrIIA4结合不同的脓链球菌Cas9变体(全长Cas9、分开两部分的Cas9、dCas9-VP64)控制基因组编辑和基因激活。最后,为了展示其模块性,我们将Cas-ON系统应用于更小、更具有靶点特异性的脑膜炎奈瑟菌(Nme)Cas9同源物及其同源抑制剂AcrIIC1和AcrIIC3。

小编一句话概括:用基于miRNA调控的抗CRISPR (Acr)蛋白进行Cas9活性的调控,使得能够在特定细胞中进行Cas9的编辑等功能。

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材料

6. Microb Biotechnol. 2019 Apr 13. doi: 10.1111/1751-7915.13403.

枯草芽胞杆菌的代谢工程生产对氨基苯甲酸-碳源是空间应用的优势。Metabolic engineering of Bacillus subtilis for production of para-aminobenzoic acid - unexpected importance of carbon source is an advantage for space application.

Averesch NJH(1)(2), Rothschild LJ(2).

芳纶纤维等高强聚合物是空间技术中的重要材料。要在火星等遥远的地方获得这些材料,生物生产是很有意义的通过。对枯草芽胞杆菌的代谢工程,可以从莽草酸途径中提取芳香聚合物前体对氨基苯甲酸(pABA)。我们的工程策略包括修复缺陷吲哚-3-甘油磷酸合成酶(trpC),敲除一个chorismate mutase同工酶(aroH),以及分别过表达pabAB和pabC(来源于棒状杆菌 (Corynebacterium callunae)和bovienii Xenorhabdus)。此外,还建立了一种融合蛋白酶(pabABC)来引导碳通量。利用自适应进化技术,建立了具有木糖代谢功能的生产菌株突变体,并对不同碳源的pABA生产能力进行了研究和比较。与底物的效率或生化途径的性能相比,与pH值密切相关的产品毒性似乎是整体的限制因素,而不是底物的效率或生化途径的性能。摇瓶的最高滴度为3.22 g/L,氨基糖的碳产率为12.4%。这保证了该系统在空间生物技术中就地资源利用(ISRU)。

小编一句话概括:通过对枯草芽胞杆菌的代谢工程,提高芳香聚合物前体对氨基苯甲酸(pABA)的产量,这是重要的空间技术材料。

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计算与AI

7. mSystems. 2019 Apr 9;4(2). pii: e00263-18. doi: 10.1128/mSystems.00263-18. eCollection 2019 Mar-Apr.

设计微生物群落的代谢分工。Designing Metabolic Division of Labor in Microbial Communities.

Thommes M(#)(1)(2), Wang T(#)(3), Zhao Q(3), Paschalidis IC(1)(4)(3), Segrè D(1)(2)(5)(6)(7).

微生物面临着代谢独立依赖邻近生物提供某些必需代谢物之间的权衡。这种相反策略的平衡影响微生物群落结构和动力学,对微生物组研究和合成生态学具有重要意义。一项研究 “格丹肯(gedanken)”(思想)实验是调查这种平衡,监测微生物相互依赖的上升,因为单个生物体中代谢反应的数量日益减少。我们的期望是,在一定数量的反应下,没有个体有机体能够独立生长,互养共生和分工的关系会出现。我们在计算机基因组模型中实现了这个理想化的实验。特别地,我们使用混合整数线性规划来确定大肠杆菌菌株群落的权衡解决方案。我们发现的策略揭示了在精细而非直觉的代谢分工中存在着巨大的机会,包括,例如,将三羧酸(TCA)循环分成两半。系统地计算了1-、2-和3-应变联合体的劳动分工可能的解决方案,形成了丰富而复杂的视图。这一视图显示出非线性边界,表明细胞内反应的损失不一定由单一的输入代谢物来补偿。该视图的不同区域与特定的溶液和交换代谢物的模式有关。了解微生物如何组合成群落是生物学中一个基本的开放性问题,与人类健康、代谢工程和环境可持续性有关。微生物相互作用的一种可能机制是通过互养共生,即小分子的交换。这些代谢交换可以让不同的微生物专注于不同的任务,并进化出分工。为了系统地探索可能的分工策略空间,我们将先进的优化算法应用到细胞代谢的计算模型中。具体来说,我们寻找的是能够在个体物种无法承受的限制条件下生存的群落(例如有限数量的反应)。除了帮助了解自然微生物群落的多样性,我们的方法还可以帮助合成菌群的设计。

小编一句话概括:用计算机模型设计和预测微生物群落的代谢分工。

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8. Mol Syst Biol. 2019 Apr 8;15(4):e8462. doi: 10.15252/msb.20188462.

酶的多功能性形成了对新的生长底物的适应性。Enzyme promiscuity shapes adaptation to novel growth substrates.

Guzmán GI(1), Sandberg TE(1), LaCroix RA(1), Nyerges Á(2), Papp H(3), de Raad M(4), King ZA(1), Hefner Y(1), Northen TR(4), Notebaart RA(5), Pál C(2), Palsson BO(1)(6)(7), Papp B(2), Feist AM(8)(6).

有证据表明,新的酶功能是从祖先酶中低级别的多功能活性进化而来的。然而,这种活性如何促进系统级适应的进化动力学和生理机制尚未得到很好的描述。此外,关于有机体多功能反应集或代谢的知识是否有助于预测代谢适应的遗传基础,还有待检验。在此,我们利用代谢和实验室进化实验的计算模型,研究了酶多功能性在大肠杆菌K-12 MG1655中获取和优化非天然底物生长中的作用。经过大约20代之后,进化的种群反复获得了生长在5种预测的非原生基质上的能力——d -lyxose、d -2-脱氧核糖、d -阿拉伯糖、m-酒石酸盐和琥珀酸单甲基酯。改变的多功能活性被证明直接参与建立高效的途径。结构突变使酶底物的周转率向新的底物转移,同时保留了对原底物的偏好。最后,利用基因组规模的代谢模型模拟酶的多功能活性,准确预测了表型背后的基因。

小编一句话概括:酶的多功能性(Enzyme promiscuity)的计算机模拟预测和实验测试的研究。

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诊断治疗

9. Sci Rep. 2019 Apr 12;9(1):5969. doi: 10.1038/s41598-019-42046-8.

在人类细胞合成3-ketosteroidΔ1-dehydrogenase新分解代谢途径,使胆固醇降解。Development of a Synthetic 3-ketosteroid Δ1-dehydrogenase for the Generation of a Novel Catabolic Pathway Enabling Cholesterol Degradation in Human Cells.

D'Arcy BM(1)(2), Swingle MR(1), Schambeau L(2), Pannell L(2), Prakash A(2), Honkanen RE(3)(4).

胆固醇是细胞膜的重要组成部分,细胞通过受体介导的脂蛋白内吞作用或从头合成获得胆固醇。在特殊的细胞中,合成代谢酶代谢胆固醇,产生类固醇激素或胆汁酸。然而,由于缺乏能够降解胆甾烷环的酶,多余的胆固醇无法被分解。在心血管疾病的发展和进展过程中,胆固醇/胆固醇酯在巨噬细胞中的积累会引起免疫反应,导致动脉粥样硬化的发展和进展。放线菌中胆固醇分解代谢途径的发现,使我们有了这样的假设:如果能够通过基因工程将促进胆固醇分解代谢的酶引入人类细胞,那么动脉粥样硬化的过程可能得到预防或逆转。比较细菌酶降解胆固醇获得碳产生能量和人体酶的作用显示,人类缺乏3-ketosteroidΔ1-dehydrogenase(Δ1-KstD)。在这里,我们Hep3B和U- 937细胞中构建并异源表达合成人源化的Δ1-KstD表达,证明了胆固醇环打开所需要的三种关键酶中的一种可以在人体细胞中功能表达。

小编一句话概括:将放线菌来源的分解胆固醇的酶,构建到人类细胞中,实现降解胆固醇的功能。

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10. Nature. 2019 Apr 10. doi: 10.1038/s41586-019-1103-9.

使用CRISPR-Cas9筛选癌症治疗靶点。Prioritization of cancer therapeutic targets using CRISPR-Cas9 screens.

Behan FM(1)(2), Iorio F(1)(2)(3), Picco G(1), Gonçalves E(1), Beaver CM(1), Migliardi G(4)(5), Santos R(6), Rao Y(7), Sassi F(4), Pinnelli M(4)(5), Ansari R(1), Harper S(1), Jackson DA(1), McRae R(1), Pooley R(1), Wilkinson P(1), van der Meer D(1), Dow D(2)(6), Buser-Doepner C(2)(7), Bertotti A(4)(5), Trusolino L(4)(5), Stronach EA(2)(6), Saez-Rodriguez J(2)(3)(8)(9)(10), Yusa K(11)(12)(13), Garnett MJ(14)(15).

功能基因组学方法可以克服阻碍癌症药物开发的局限性,如缺乏确定可靠的靶点和临床疗效差。在这里,我们对来自30种癌症类型的324个人类癌细胞系进行了基因组规模的CRISPR-Cas9筛选,并开发了一个数据驱动框架,以优先选择癌症治疗方案。我们将细胞适应度效应与基因组生物标志物和药物开发的靶标易用性结合起来,系统地优先考虑已定义的组织和基因型中的新靶标。我们证实了我们最有希望的依赖之一,沃纳综合征atp依赖解旋酶,作为一个合成的致命目标,从多个癌症类型与微卫星不稳定。我们的分析提供了癌症依赖关系的资源,构建一个框架来优先考虑癌症药物目标,并提出了具体的新目标。本研究中描述的原则可以为药物开发的初始阶段提供信息,为新的、多样化和更有效的癌症药物靶标组合做出贡献。

小编一句话总结:基因组规模的CRISPR-Cas9筛选,找癌症药物靶点。

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11. ACS Synth Biol. 2019 Apr 10. doi: 10.1021/acssynbio.9b00076. 

构建具有非天然氨基酸活性转运系统的细菌细胞。Construction of bacterial cells with an active transport system for unnatural amino acids.

Ko W, Kumar R, Kim S, Lee HS.

具有扩展遗传密码的工程生物在化学和合成生物学研究中引起了广泛的关注。本工作通过筛选细胞质周结合蛋白(PBP)突变体,建立了具有增强非天然氨基酸(UAA)摄取能力的工程菌。采用荧光光谱法从37个突变体中分离出具有良好结合亲和力(Kd≈500 nM)的突变体PBP (LBP-AEL)。表达LBP-AEL的细菌细胞对UAAs的吸收增加了5倍,这是通过将UAAs基因结合到绿色荧光蛋白中,并测量细胞裂解物中UAA的浓度来确定的。据我们所知,这项工作是关于UAAs工程细胞吸收的第一个报告,它可以为设计具有扩展遗传密码的高级非天然生物提供动力,其功能效率可与天然生物相媲美。该系统将有助于从较低浓度的UAAs中提高突变蛋白产量,用于工业和大规模应用。此外,本报告中使用的传感器设计和细胞裂解液中UAA浓度的测量等技术也可用于其他生化应用。

小编一句话总结:构建了具有增强非天然氨基酸(UAA)摄取能力的工程菌

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