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2019年5月 第四期 合成生物学进展汇总

2019-05-17
2019年5月 第四期 合成生物学进展汇总
综述观点

1. J Microbiol. 2019 May 11. doi: 10.1007/s12275-019-9105-8.

利用基因工程发展细菌作为诊断和治疗方法。Development of bacteria as diagnostics and therapeutics by genetic engineering.

Lim D(1), Song M(2).

细菌感知并对环境做出反应、交流,并不断地与周围环境互动,包括宿主之间。一个多世纪以来,工程师们一直试图利用细菌的天然能力作为治疗疾病的生物疗法。合成生物学的最新进展有助于扩大作为生物治疗框架的基因元件、工具和设备的储备。本文综述了在体外研究和临床研究中发现的针对特定疾病的细菌种类。在这里,我们通过对细菌进行编程来关注药物的传递,并讨论安全性和改进方面的挑战。

小编一句话总结:一篇关于利用基因工程发展细菌作为诊断和治疗方法的迷你综述。

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2. Nat Prod Rep. 2019 May 10. doi: 10.1039/c9np00016j.

利用细胞工厂生产天然异戊二烯的代谢工程策略的最新进展。Recent advances of metabolic engineering strategies in natural isoprenoid production using cell factories.

Li M(1), Hou F(1), Wu T(1), Jiang X(2), Li F(3), Liu H(4), Xian M(3), Zhang H(3).

作为丰富的天然产物,异戊二烯类化合物在制药、香料、食品添加剂、着色剂、橡胶和高级生物燃料的制造中有许多有用的工业应用。近年来,异戊二烯类化合物的微生物生产受到广泛关注。代谢工程方法和合成生物学已被用来重建和优化细胞工厂生产异戊二烯的代谢途径。本文综述了近年来利用微生物生产异戊二烯的研究进展,重点介绍了MEP和MVA途径工程、下游异戊二烯途径工程和微生物宿主工程,主要包括中心碳途径工程。最后,对异戊二烯生产的改进前景进行了展望。

小编一句话总结:利用细胞工厂生产天然异戊二烯的代谢工程策略的最新进展。

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3. J Biol Eng. 2019 May 3;13:39. doi: 10.1186/s13036-019-0170-7. eCollection 2019.

基因线路设计具有替代功能的组织。Genetic circuits to engineer tissues with alternative functions.

Healy CP(1), Deans TL(1).

在人类生理和病理方面不断出现的复杂问题导致了对治疗方法和工具的深入研究,这些治疗方法和工具可对病理条件作出更有针对性的结果和仿生反应。哺乳动物合成生物学的一个主要目标是建立基因线路,对下一代生物医学应用中的细胞行为进行精细控制。为了实现这一目标,合成生物学家们设计了一种带有传感器的基因线路的工程细胞,这种传感器能够对各种刺激做出反应,并对目标行为做出反应。在这里,我们着重介绍合成生物学方法如何被用于为治疗应用程序编写具有新功能的细胞程序,以及如何在干细胞中使用它们来改善分化结果。这些方法为工程合成组织应用个性化医疗和开发下一代生物医学疗法提供了可能性。

小编一句话总结:基因线路设计改造干细胞,使其分化为具有特殊功能的人体组织,用于治疗疾病。

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4. J Biol Eng. 2019 May 3;13:38. doi: 10.1186/s13036-019-0162-7. eCollection 2019.

利用工程生物系统储存电能。Electrical energy storage with engineered biological systems.

Salimijazi F(1), Parra E(2), Barstow B(1).

由于可再生能源技术的日益成熟,全球可再生能源技术的可用性正在急剧增加。然而,为了提高可再生能源对电网的渗透,大规模的电能储存和回收几乎肯定是必要的。目前还没有一种储能技术能够将高功率和能量密度、低财务和环境成本、无场地限制、周期和寿命长、材料易得、响应时间快等优点完美结合。工程电活性微生物可以通过重新布线固碳来解决当前能源存储技术的许多限制,这一过程可以在空间上分离通常在光合细胞中一起进行的反应,并用非生物等效物取代效率最低的反应。如果成功,这将可通过电化学或酶固定二氧化碳储存可再生电力,并随后以碳基储能分子(包括碳氢化合物和非挥发性聚合物)的形式高效储存。在这篇文章中,我们综述了生物和非生物元件选择的性能数据,重新布线固碳系统,并评述了研究和工程挑战。

小编一句话总结:合成生物学改造光合细胞,使得可用于储存电能。

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5. Curr Opin Microbiol. 2019 May 6;51:22-29. doi: 10.1016/j.mib.2019.03.002.

真菌的化学多样性及其药物发现的前景。Unearthing fungal chemodiversity and prospects for drug discovery.

Greco C(1), Keller NP(2), Rokas A(3).

天然产物通过提供一个极好的来源来对抗癌症、病原体和心血管疾病,极大地改善了我们的生活。真菌是多种天然产物的多产生产者,最近在合成生物学、遗传学、生物信息学和天然产物化学方面的一些进展大大增强了我们有效挖掘真菌基因组以发现新药物的能力。本文综述了用于真菌次生代谢物靶向生产的改良的异种表达平台,化学和生物信息学的研究进展,以及发现参与特定生物活性代谢物生产的生物合成基因的新生物信息学平台。这些进展,再加上真菌基因组中存在大量的生物合成基因簇,而这些基因簇的天然产物仍不为人所知,为挖掘真菌宝藏的努力注入了新的活力,并重新燃起了发现新药的希望。

小编一句话总结:综述了挖掘真菌天然产物的最新方法和进展。

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6. Trends Biotechnol. 2019 May 1. pii: S0167-7799(19)30078-2. doi: 10.1016/j.tibtech.2019.04.002.

可持续工业生物技术的重大研究挑战。Grand Research Challenges for Sustainable Industrial Biotechnology.

未来的制造将集中于新的、改进的产品以及新的和改进的生产方法。最近的生物技术和科学进步,如CRISPR/Cas和各种基因组技术,为令人兴奋的新型生物技术研究、开发和新可持续产品的商业化铺平了道路。严格的微生物细胞及其组合的数学描述将使更深入的生物学理解,并导致强大的计算细胞模型。生物工程,即基于模型的设计与合成生物学相结合,将加快微生物的鲁棒性和高性能的建设。利用这些生物体,以及在生物过程工程中实现零排放和资源过剩的零概念的雄心,工业生物技术有望高度集成到可持续发展的几代技术系统中。

小编一句话总结:新技术、新发展方向在可持续工业生物技术上的进展。

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7. Biotechnol Adv. 2019 Apr 30. pii: S0734-9750(19)30074-6. doi: 10.1016/j.biotechadv.2019.04.015.

用于可编程生物功能的合成基因线路。Synthetic genetic circuits for programmable biological functionalities.

Xia PF(1), Ling H(1), Foo JL(2), Chang MW(3).

生物进化出复杂的遗传网络来与环境相互作用。由于合成生物学的迅速发展,从这些网络中已经识别出各种模块化的基因元件和单元。它们已被用于构建合成基因线路,包括拨动开关、振荡器、反馈回路和布尔逻辑门。在这些电路的基础上,可以创造出具有可编程决策能力的复杂遗传机器。因此,这些成就带来了新的应用,如代谢网络的动态和自主调节、生物单位的定向进化、远程和靶向诊断和治疗,以及防止工程微生物和遗传材料释放的生物遏制方法。在这里,我们概述了基因线路设计的原则,这开启了一个新的篇章,将概念转化为现实的应用。讨论了模块化模块和电路结构的特点,这些特点有利于实现各种新型应用电路。此外,重点介绍了利用基因线路赋予微生物独特和可编程功能方面的最新进展和挑战。我们期望这篇综述能对合成基因线路的设计提供新的见解,并为在生物技术和生物工程的各个方面实现不同的基因线路提供指导。

小编一句话总结:基因线路设计原则的指导性文章。


8. Biotechnol J. 2019 May 9:e1800439. doi: 10.1002/biot.201800439.

在细菌细胞工厂中设计工业相关表型的进化方法。Evolutionary approaches for engineering industrially-relevant phenotypes in bacterial cell factories.

Fernández-Cabezón L(1), Cros A(1), Nikel PI(1).

背景:利用细菌平台以生物为基础生产附加值化合物(应用于制药、生物燃料、食品配料和建筑材料)是一项成熟的工业活动。然而,具有鲁棒和稳定的工业相关表型的微生物细胞工厂(MCFs)的设计和构建仍然是当代生物技术面临的最大挑战之一。目的和范围:在这篇综述中,我们基于自然进化(即基因变异和选择)的工程原理,讨论了传统的和前沿的方法来优化工业生物过程中MCFs的性能。摘要:我们提供了最先进的技术来控制和增加细菌种群的遗传变异,并构建菌株的组合文库,包括全局(即基因组水平)和本地(即单个基因或通路,以及细菌基因组的整个部分和基因簇)。此外,还讨论了用于分离表现增强表型的MCFs的前沿筛选和选择技术。结束语:我们将通过介绍新一代MCFs的设计和建设的未来趋势来结束这篇综述文章,这将有助于从石化行业向真正可持续的生物产业的长期追求的转型。

小编一句话总结:利用进化的方式人工改造细菌细胞,使得这些细胞在工业生产中的性能更优。


9. Front Bioeng Biotechnol. 2019 Apr 24;7:86. doi: 10.3389/fbioe.2019.00086. eCollection 2019.

下一步是获取安全的 DNA合成。Next Steps for Access to Safe, Secure DNA Synthesis.

Diggans J(1), Leproust E(1).

自基因长度合成技术发明以来,DNA合成行业一直在积极努力,以确保合成的安全性和安全性。在美国政府的指导下,这些公司中有几家在过去十年中进行了合作,为客户和生产前的序列筛选提供了一套最佳实践。这些实践确保了合成DNA被用于推进旨在造福公众的研究。随着行业规模的扩大和合成生物学工具集能力的扩大,有必要重新审视当前的做法,以评估额外的措施,以确保DNA合成的持续安全和广泛可用性。在此,我们鼓励部分源自网络安全领域成功的具体步骤,确保综合筛选系统远远领先于新出现的挑战,继续推动负责任的研究进展。基因合成公司、科学技术资助者、决策者和科学界作为一个整体,有共同的责任继续将风险降到最低,并最大限度地提高DNA合成的安全性,以进一步推动先进生物制造、农业、药物开发、医疗保健和能源领域改变世界的发展。

小编一句话总结:一篇讨论DNA合成对人类安全的文章。



前沿进展

基因线路

10. J Am Chem Soc. 2019 May 10. doi: 10.1021/jacs.8b12298.

基于合成开关模块的通用蛋白质生物传感器。Generalizable Protein Biosensors Based on Synthetic Switch Modules.

Guo Z(1), Johnston WA(1), Whitfield J(2), Walden P(1), Cui Z(1), Wijker E(3), Edwardraja S(4), Retamal Lantadilla I(4), Ely F(4), Vickers C(2)(5), Ungerer JPJ(6)(7), Alexandrov K(1)(5).

变构蛋白开关是生物体信息和能量处理的关键控制器,是合成系统中理想的工程控制工具。在这里,我们提出了一个普遍适用的策略,以建设具有选择的输入和输出变构信号系统。我们证明了通过将钙调蛋白结构域插入到合理选择的位点,变构活性酶在开关上转化为肽操作的合成变构。基于EGFP、葡萄糖脱氢酶、纳米芥酸酶和脱氢叶酸还原酶的开关需要最小的优化,并显示出动态响应范围从前者的1.8倍到后者的200倍以上。所创建的生物传感器用于测量血浆、唾液和尿液中与临床相关的药物和生物标志物的浓度,其准确度可与目前使用的临床诊断检测方法相媲美。所提出的方法是可推广的,因为它可快速构建有效的蛋白质开关,将广泛分析物的结合转化为可选择的生化活性,从而构建可能具有无限复杂性的人工信号和代谢回路。

小编一句话总结:基于合成开关模块的通用蛋白质生物传感器,原理是基于目标化合物可以使得特定蛋白质改变构像,从而产生可检测的活性。

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合成生命

11. Metab Eng. 2019 May 7. pii: S1096-7176(19)30040-0. doi: 10.1016/j.ymben.2019.04.011.

一种设计的细菌微室外壳,具有可调的成分和精确的货物装载。A designed bacterial microcompartment shell with tunable composition and precision cargo loading.

Ferlez B(1), Sutter M(2), Kerfeld CA(3).

微生物通常通过有条件地构建蛋白质细胞器来增强它们的新陈代谢,这些细胞器被称为细菌微室(BMCs),它们封装酶来降解有机化合物或吸收二氧化碳。BMCs自组装,并由六聚体、三聚体和五聚体壳蛋白组成的半透性壳层在空间上分隔。生物工程师的目标是通过重新设计外壳,结合来自生物技术相关途径的非天然酶,来提高这些复杂生物结构的组织和效率。为了迎接这一挑战,需要一套多样化的合成生物学工具,包括操纵外壳特性以及目标和组织货物封装的方法。我们设计并确定了一种合成壳蛋白构建块的晶体结构,其N-端和C-端残基相对于其天然对应物的倒侧性;该倒置的目标是基因融合的蛋白质货物到壳腔。此外,采用该策略包裹的荧光蛋白货物的效价可由诱导的四环素启动子控制。这些结果为基于生物膜的纳米反应器的精密工程提供了一套可用的构建模块,并与正交法兼容,这将有助于多酶途径的安装和组织。

小编一句话总结:利用设计的细菌微室外壳,将目标反应的相关酶靶向到微室中,从而有助于多酶途径的组织。

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12. ACS Nano. 2019 May 10. doi: 10.1021/acsnano.9b00220.

人工细胞的形状和大小控制。Shape and Size Control of Artificial Cells for Bottom-Up Biology.

Fanalista F, Birnie A, Maan R, Burla F, Charles K, Pawlik G, Deshpande S, Koenderink GH, Dogterom M, Dekker C.

自下向上生物学是一个不断扩展的研究领域,其目的是通过在体外合成细胞中组装生物过程的基本成分来了解生物过程背后的机制。由于这些元素的封装和控制操作是重新创建此类细胞状物体的关键步骤,微流体技术越来越多地用于生产最小的人工容器,如单乳滴、双乳滴和脂质体。尽管细胞形态对细胞动力学具有重要意义,但目前的合成细胞研究主要使用球形容器,缺乏对球形容器进行主动形状调控的方法。在本文中,我们描述一个微流体平台变形形状的人造细胞成各种形状(棒和光盘)可调节细胞样的维度低于5µm,从而模仿现实的细胞形态。为了说明我们的方法的潜力,我们在杆状容器中重建了三个生物学相关的蛋白系统(FtsZ、微管、胶原蛋白),并研究了这些合成容器中蛋白网络的排列,这些合成容器具有与活细胞相似的生理学相关的形态学。

小编一句话总结:对细胞生命形态的合成和探索,模拟不同形状的细胞形态。

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计算与AI

13. ACS Synth Biol. 2019 May 9. doi: 10.1021/acssynbio.9b00020.

在机器学习的辅助下,大肠杆菌生产十二烷醇。Lessons from two Design-Build-Test-Learn cycles of dodecanol production in Escherichia coli aided by machine learning.

Opgenorth P, Costello Z, Okada T, Goyal G, Chen Y, Gin J, Benites VT, Raad M, Northen TR, Deng K, Deutsch S, Baidoo EEK, Petzold CJ, Hillson NJ, Garcia Martin H, Beller HR.

设计-建造-测试-学习(DBTL)循环由合成生物学能力的指数级提高推动,是一种日益被采用的代谢工程框架,它代表了一种比生物燃料和基于生物的产品的历史努力更为系统和有效的菌株开发方法。在此,我们报告了利用60株工程大肠杆菌MG1655菌株,利用两个DBTL循环优化葡萄糖生产1-十二醇。我们使用在第一个DBTL循环中产生的数据来训练几种机器学习算法,并为第二个DBTL循环提供可以提高产量的蛋白质配置文件。这些策略使第2周期的十二醇滴度增加了21%(高达0.83 g/L,比之前报道的最小培养基批处理值高出6倍以上)。超越具体的经验教训对优化十二烷醇浓度测定在大肠杆菌中,本研究发现了更广泛的合成生物学应用程序之间的相关性,如在生产菌株的质粒测序检查的重要性以及克隆株,关键需要更精确的蛋白质表达的预测工具。

小编一句话总结:用机器学习算法指导,优化改造大肠杆菌生产十二烷醇,从而提高产量。

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方法

14. ACS Synth Biol. 2019 May 9. doi: 10.1021/acssynbio.8b00521.

一种用于增强细菌基因表达的RNA到RNA直接复制系统。A Direct RNA-to-RNA Replication System for Enhanced Gene Expression in Bacteria.

Yao Y(1), Zhang W(1), Zhang M(1), Jin S(1), Guo Y(1)(2)(3), Zu Y(1), Ren K(1), Wang K(1), Chen G(2)(3)(4), Lou C(5)(6), Wu Q(1)(3).

代谢工程的一个长期目标是外源增加目标基因的表达。在本研究中,我们提出了以DNA为模板的永久性RNA复制系统来存储细菌的遗传信息。我们选择Qβ噬菌体的RNA复制原型和上作了许多改进,以达到目标基因表达增强直接通过增加mRNA丰富。首先,我们鉴定了内源性基因Rnc,敲除后RNA复制效率显著提高。其次,我们阐明了RNA复制的基本要素,并对系统进行了优化,使其更易于应用。结合宿主细胞和系统自身的优化,我们开发了一种稳定的RNA-to-RNA复制工具,可以直接增加靶mRNA的丰度,进而增加靶蛋白的丰度。此外,它被证明在增强特定蛋白的表达方面是有效的,并被证明在代谢工程中是适用的。我们的系统有潜力与任何现有的增加基因表达的方法相结合。

小编一句话总结:增强RNA直接复制RNA的工具效率。

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15. ACS Synth Biol. 2019 May 6. doi: 10.1021/acssynbio.8b00501.

利用从头合成的蛋白-蛋白界面指导细胞内的生物分子相互作用。Guiding biomolecular interactions in cells using de novo protein-protein interfaces.

Smith AJ, Thomas F, Shoemark D, Woolfson DN, Savery NJ.

在活细胞中指导和控制生物分子相互作用的能力的提高将对合成生物学产生影响。一个关键的问题是需要引入与内源性蛋白体和互动子相互作用的相互作用成分。在此,我们证明了在大肠杆菌中,低复杂度、从头设计的蛋白-蛋白-相互作用(PPI)域可以替代天然的PPIs,并指导工程蛋白- DNA相互作用。具体地说,我们使用从头合成的单体和异二聚体螺旋线圈来重建细胞质分裂腺苷酸环化酶;向启动子募集RNA聚合酶,激活基因表达;并使天然和设计的DNA结合域寡聚以抑制转录。此外,通过合理的设计可以调节异二聚体螺旋线圈的稳定性,从而调节基因在体内的激活和抑制水平。这些实验证明了利用设计的蛋白质和蛋白质相互作用来控制生物分子系统,如细胞中的酶级联和回路的可能性。

小编一句话总结:利用设计的蛋白质和蛋白质相互作用来控制生物分子系统。

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