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2019年8月 第七期 合成生物学进展汇总

2019-08-28
2019年8月 第七期 合成生物学进展汇总
小编:这一期的合成生物学的重大进展有明显的趋势:计算机的介入越来越重要。不论是DNA/RNA序列的设计、调控的分析,或是基因线路的设计,都离不开计算机的加持!合成生物学需要工程学思维,而其复杂度的体现又不得不依赖计算机。


01
综述与观点

1. Biotechnol Adv. 2019 Aug 19:107433. doi: 10.1016/j.biotechadv.2019.107433.   

建立新型微生物底盘的质粒工具的最新进展(Recent advances in plasmid-based tools for establishing novel microbial chassis.)

Nora LC(1), Westmann CA(1), Guazzaroni ME(2), Siddaiah C(3), Gupta VK(4), Silva-Rocha R(5).

培养具有生物技术潜力的可替代微生物的关键挑战在于创新技术的发展。在这个框架内,大量的基因工具蓬勃发展,使得复杂合成线路和基因组的设计和操作成为许多实验室的普遍规则。近年来,随着DNA自动合成/测序等新技术和强大的计算工具的发展,分子生物学进入了合成生物学时代。这些技术最初大多是在传统的微生物模型(合成生物学框架中称为底盘)中建立的,如大肠杆菌和酿酒酵母,使该领域得到了快速的发展,并验证了概念的基本证明。然而,尽管这些生物体对许多基因工具的原型非常有用,但由于其分子/生理特性的内在限制,它们并不适合广泛的生物技术任务。在过去的十年中,研究人员一直面临着巨大的挑战,即从这些模型系统转向具有处理特定任务内在能力的非传统底盘。解决这些问题的关键包括产生窄和宽的基于宿主质粒的分子工具,以及通过同源重组系统、CRISPR/Cas9和其他替代方法开发新的工程基因组方法。在这里,我们将介绍用于构建新型细胞工厂的基于质粒的工具的最新进展。

小编一句话总结:微生物质粒工具的新进展综述


2. Trends Biotechnol. 2019 Aug 17. pii: S0167-7799(19)30176-3. doi: 10.1016/j.tibtech.2019.07.007.

利用机器学习设计真核基因表达调控(Designing Eukaryotic Gene Expression Regulation Using Machine Learning.)

de Jongh RPH(1), van Dijk ADJ(2), Julsing MK(3), Schaap PJ(4), de Ridder D(5).

控制基因的表达是合成生物学的关键挑战之一。直到最近,由于基因调控的复杂性,微调控制一直是遥不可及的,特别是在真核生物中。随着机器学习(ML)的进步,特别是随着数据集规模的增加,现在可以成功地构建从调控序列预测基因表达水平的模型。这些模型构成了算法的基石,允许用户设计调控区域来实现特定的基因表达水平。在这篇综述中,我们讨论了数据收集、数据编码、ML实践、设计算法选择以及模型解释的策略。最终,这些进展将为合成生物学家提供高度特异性的基因构建块,以合理地设计复杂的通路和回路。

小编一句话总结:一篇讲述了,将机器学习、自动化用于真核表达调控设计的综述。

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3. Biol Direct. 2019 Aug 20;14(1):14. doi: 10.1186/s13062-019-0247-8.

合成生物学在减缓气候变化中的作用。(The role of synthetic biology in climate change mitigation.)

DeLisi C(1).

越来越多的人同意,《联合国气候变化框架公约》(United Nations Framework Convention on Climate Change)的目标是避免对气候系统造成危险的人为干扰,如果不包括实际消除大气碳的方法,就不太可能实现这一目标。已经提出了一些方法,但是社区似乎对本世纪最具革命性的技术之一系统和合成生物学(SSB)的潜力保持沉默。SSB调节快速碳循环、从而缓解气候变化的潜力本身是巨大的,但如果基因组学的历史是一种衡量标准,那么期望任何投资都能获得可观的经济回报也是合理的。更普遍地说,气候控制的方法严重失衡。过去三十年来,国际社会对排放控制给予了高度关注,但没有类似的计划来测试、衡量和实施碳减排技术,包括关注其经济、法律和伦理影响。

小编一句话总结:合成生物学可用于气候变化,啊,又一个意想不到的应用。

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4. Trends Microbiol. 2019 Aug 15. pii: S0966-842X(19)30186-6. doi: 10.1016/j.tim.2019.07.005

基因线路辅助智能微生物工程(Genetic Circuit-Assisted Smart Microbial Engineering.)

Gao C(1), Xu P(2), Ye C(1), Chen X(1), Liu L(3).

DNA合成、基因操作和生物传感器的迅速发展极大地提高了对具有复杂功能的微生物进行工程处理的能力。通过精确集成高质量的生物传感器和复杂的基因线路,最近出现的智能微生物为剖析复杂的信号网络和在没有人工干预的情况下做出反应提供了令人兴奋的机会。然而,由于缺乏设计原则,开发这种智能微生物仍然具有挑战性。在这篇综述中,我们提出了智能微生物工程(SME)的概念,并描述了基本SME的一般特征,包括线路结构、组件和设计过程。我们还总结了中小企业在这一不断发展的领域中取得的最新成就、面临的挑战以及可能的解决方案。

小编一句话总结:提出智能微生物工程的新概念,具有响应信号、处理信号、改变行为的微生物

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5. Trends Biotechnol. 2019 Aug 14. pii: S0167-7799(19)30177-5. doi: 10.1016/j.tibtech.2019.07.008.

转轮再造:用于哺乳动物细胞工程的合成环状RNA。(Reinventing the Wheel: Synthetic Circular RNAs for Mammalian Cell Engineering.)

Costello A(1), Lao NT(2), Barron N(3), Clynes M(4).

环状RNA的复兴正在向我们走来。最近的报道证实了合成环状RNA分子在基因治疗和基于细胞表达系统的生物制剂生产中的应用。环状RNA是通过前mRNA的非共线剪接而自然形成的共价闭环RNA。虽然环装RNA曾被认为是剪接错误的非编码产物,但现在人们普遍认为,在真核生物中,环状RNA数量丰富,在基因调控和蛋白质编码方面具有多种功能。关于环状RNA在各种疾病中的应用已有大量报道,但合成环状RNA在重组蛋白生产和基于RNA的治疗方面的应用前景才刚刚成为人们关注的焦点。

小编一句话总结:本文综述了合成环状RNA的应用,并介绍了合成环状RNA的方法。

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02
最新进展
计算机设计与生物学

6. Science. 2019 Aug 9;365(6453):595-598. doi: 10.1126/science.aav5477.

合成序列缠绕增强了细胞内遗传信息的稳定性和包容性。(Synthetic sequence entanglement augments stability and containment of genetic information in cells.)

Blazejewski T(1)(2), Ho HI(1), Wang HH(3)(4).

在合成生物学中,为了应对自然突变积累和普遍的基因横向流动,有必要采用稳定基因工程功能和将重组DNA限制在预期宿主上的方法。我们提出了一种通过重叠基因的计算设计来保存和约束遗传信息的通用策略。与一个基本基因重叠的序列改变了它的适应度,并产生了一个受限的进化路径,即使是同义突变。在感兴趣的基因中嵌入毒素基因限制了其水平传播。我们进一步演示了一种构建和测试>7500重叠序列设计的多路复用和可伸缩的方法,产生了与自然同源性高度不同的功能性变体。这项工作使我们能够更深入地探索自然和工程重叠基因,并在新兴的应用中促进增强遗传稳定性和生物包容性。

小编一句话总结:一个令人耳目一新的策略,却又如此实用且重要。

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7. Nat Nanotechnol. 2019 Aug 19. doi: 10.1038/s41565-019-0517-8.  

三维RNA结构与功能的计算设计(Computational design of three-dimensional RNA structure and function. )

Yesselman JD(1), Eiler D(2), Carlson ED(3)(4)(5), Gotrik MR(1), d'Aquino AE(3)(5)(6), Ooms AN(7), Kladwang W(1), Carlson PD(8), Shi X(1), Costantino DA(2), Herschlag D(1)(9)(10), Lucks JB(3)(4)(5)(6), Jewett MC(3)(4)(5)(6), Kieft  JS(2), Das R(11)(12).

RNA纳米技术试图通过重新利用自然RNA模块来制造纳米级机器。在三维结构设计中,由于目前对人类直觉的需要,这一领域发展缓慢。在这里,我们证明了RNA纳米技术中的三个不同的问题可以归结为一个寻路问题,并通过一个名为RNAMake的算法自动解决。首先,RNAMake通过化学制图、凝胶电泳、溶液x射线散射和晶体学的实验验证,以2.55 a的分辨率,发现了高度稳定的单链解决方案,解决了传统的对齐四聚体及其序列远端受体的问题。其次,RNAMake会自动生成结构链,将16S和23S核糖体RNA整合到单链核糖体RNA中,而单链核糖体RNA不会被核糖核酸酶裂解,并组装到信使RNA上。第三,RNAMake能够实现小分子结合RNA的自动稳定,通过设计的三级结构接触,提高ATP适配体的结合亲和力,提高细胞提取物和活大肠杆菌细胞中Spinach RNA的荧光和稳定性。

小编一句话总结:RNAMakeRNA三级构建的计算机设计。

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底盘细胞

8. ACS Synth Biol. 2019 Aug 16. doi: 10.1021/acssynbio.9b00176.

合成生物学工具为快速生长的海洋细菌钠原弧菌。(Synthetic Biology Tools for the Fast-Growing Marine Bacterium Vibrio natriegens.)

Tschirhart T, Shukla V, Kelly EE, Schultzhaus Z, NewRingeisen E, Erickson JS, Wang Z, Garcia W, Curl E, Egbert RG, Yeung E, Vora GJ.

近年来,作为分子生物学和生物技术应用的宿主,快速生长的非模式海洋细菌钠源弧菌(V. natriegens)引起了人们的广泛关注。为了进一步提高其作为合成生物学基础的能力,我们已经鉴定了广泛的基因元件和用于V. natriegens的工具。这些部分包括许多常用的耐药标记、启动子、核糖体结合位点、报告子、终止子、降解标记、复制起始位点和质粒骨架。我们对这些部分在不同组合中的行为进行了表征,并比较了它们在钠原菌和大肠杆菌中的功能。此外,还对质粒随时间的稳定性、质粒拷贝数和细胞上的生产负荷进行了评估。此外,我们测试了化学和光发生诱导结构,并表征了钠原菌的基本工程电路行为。结果表明,虽然两种生物的大部分组成和结构相似,但也有一些明显差异。总的来说,这些结果将作为任何对工程V. natriegens感兴趣的人的入门,并将有助于为这种非模型底盘开发更鲁棒的合成生物学原理和方法。

小编一句话总结:底盘细胞的开发是必要的,大肠杆菌和酵母不是万能的!

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合成生物学与材料

9. Mikrochim Acta. 2019 Aug 23;186(9):642. doi: 10.1007/s00604-019-3748-3.

利用纸条对细菌DNA进行可视化检测(Visual detection of bacterial DNA using activated paper stripe.)

Song Y(1), Gyarmati P(2).

快速准确地检测病原体对床边或现场诊断至关重要。滤纸是一种理想的诊断工具,它不需要任何设备,具有高的表面面积体积比和高容量的毛细管力。采用戊二酸酐、N-羟基琥珀酰亚胺和N,N'-二环己基碳二亚胺对纤维素滤纸表面进行功能化。活化的表面系统使胺化DNA固定在滤纸表面。成功地检测到金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和空肠弯曲杆菌的合成寡核苷酸和细菌基因组DNA。该系统在1-5分钟内产生清晰、一致和高度可见的棕色信号。由于磁珠的存在,图像呈现出棕色,因此也可以对数字图像进行定量分析。采用16S rDNA探针在活化纸表面进行细菌DNA检测,实现细菌的普遍诊断。该方法稳定,重复性好。它可以检测到至少0.5 pmol的120碱基合成寡核苷酸和5-10 ng的细菌DNA。

小编一句话总结:基于纸的微生物DNA检测,采用的是16s rDNA探针,当然了,这里还是需要扩增富集DNA

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10. Science. 2019 Aug 23;365(6455):780-785. doi: 10.1126/science.aaw5122.

可编程的CRISPR响应智能材料(Programmable CRISPR-responsive smart materials.)

English MA(#)(1)(2), Soenksen LR(#)(2)(3)(4), Gayet RV(#)(1)(2)(5), de Puig H(#)(2)(4), Angenent-Mari NM(#)(1)(2)(4), Mao AS(#)(2)(4)(6), Nguyen PQ(4)(6), Collins JJ(7)(2)(4)(8)(9)(10).

生物信号激活的刺激-响应材料在生物技术应用中发挥着越来越重要的作用。我们利用CRISPR相关核酸酶的可编程性来驱动含有DNA的水凝胶,将其作为结构元素或作为悬垂基团的锚。Cas12a通过引导RNA定义的输入激活后,在凝胶中裂解DNA,从而将生物信息转化为材料性质的变化。我们报告四个应用:(i)支化聚(乙二醇)水凝胶释放DNA-结合化合物,(ii)降解聚丙烯酰胺-DNA水凝胶纳米颗粒封装和活细胞,(3)导电carbon-black-DNA水凝胶作为降解电气保险丝,及(iv) 聚丙烯酰胺-DNA水凝胶作为射流阀操作电气远程信号读出。这些材料可在组织工程、生物电子学和体外诊断的应用。

小编一句话总结:Cas12a的trans切割新应用,与材料学的结合!(是的,第一篇参考文献是我的文章,Collins大佬没忽略)

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基因线路

11. Mol Cell. 2019 Aug 22;75(4):769-780.e4. doi: 10.1016/j.molcel.2019.07.011.

活细胞的单核苷酸分辨率计算和记忆。(Single-Nucleotide-Resolution Computing and Memory in Living Cells.)

Farzadfard F(1), Gharaei N(2), Higashikuni Y(3), Jung G(4), Cao J(3), Lu TK(5).

在活细胞中处理和存储信息的能力对于开发下一代疗法和就地研究生物学是至关重要的。然而,现有的记录能力有限,规模难以扩大。为了克服这些限制,我们开发了DOMINO,这是一个鲁棒的平台,用于在细菌和真核细胞中编码逻辑和内存。DOMINO使用高效的单核苷酸分辨率读写头进行DNA操作,将活细胞的DNA转换为可寻址、可读和可写的计算和存储介质。DOMINO操作符支持模拟和数字分子记录,用于长期监视信号动力学和细胞事件。此外,多个操作符可以分层并相互连接,以编码独立于顺序、顺序和时间的逻辑,允许记录和控制细胞中分子事件的组合、顺序和时间。我们设想DOMINO将为为众多生物技术和生物医学应用构建鲁棒而复杂的计算和内存基因线路奠定基础。

小编一句话总结:DOMINO技术:分子记录,计算,数字逻辑,非破坏性DNA状态报告。

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12. Nat Chem Biol. 2019 Sep;15(9):925-931. doi: 10.1038/s41589-019-0340-4.

诱导不对称细胞分裂和细胞分化的细菌。(Inducible asymmetric cell division and cell differentiation in a bacterium.)

Mushnikov NV(1), Fomicheva A(1), Gomelsky M(1), Bowman GR(2).

多细胞生物通过产生不同细胞类型的细胞分裂来实现更大的复杂性。我们设计了一个简单的基因线路,诱导不对称细胞分裂和随后的细胞分化大肠杆菌。该线路包括一个支架蛋白PopZ,它稳定地维持在一个单细胞极上的多个不对称细胞分裂。PopZ被功能化以降解信号分子c-di-GMP。通过小分子或光调控功能化PopZ的合成,我们可以通过化学或光学控制两种不同细胞类型的相对丰度,其特征是低或高c-di-GMP水平。c-di-GMP水平的差异可以转化为蛋白复合物组装或基因表达的基因可编程差异,从而产生不同的行为或生物合成活动。本研究从一个简单的基因线路中显示出复杂的生物现象,并将可编程的细菌细胞分化添加到合成生物学和生物技术的遗传工具箱中。

小编一句话总结:把原本高等生物的特征“分化”设计改造到大肠杆菌中。

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13. Nat Chem Biol. 2019 Sep;15(9):917-924. doi: 10.1038/s41589-019-0339-x

大肠杆菌不对称细胞分裂的合成体系。(A synthetic system for asymmetric cell division in Escherichia coli.)

Molinari S(1)(2), Shis DL(1), Bhakta SP(1)(2), Chappell J(1)(2), Igoshin OA(1)(3)(4), Bennett MR(5)(6)(7).

我们描述了一种控制大肠杆菌细胞不对称分裂的合成基因线路,其中一个祖细胞在保持其原始表型的同时创造了一个分化的子细胞。具体来说,我们设计了一个诱导系统,可以将质粒DNA结合并分离到细胞中的一个位置。在细胞分裂时,共域质粒仅由一个子细胞保存。另一个子细胞不接受质粒DNA,并且与它的同胞细胞不可逆地分化。这样,我们通过不对称质粒的划分实现了细胞的不对称分裂。然后,我们使用这个系统,通过将运动与分化联系起来,实现了基因不同细胞的物理分离。最后,我们描述了一个正交诱导线路,使两个质粒同时不对称分配,导致细胞有四个不同的分化状态。这些结果为从原核宿主构建多细胞系统指明了方向。

小编一句话总结:又一篇大肠杆菌分化的研究,期待后续对这一领域的应用。

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