药物靶标亲和力预测(DTA)是虚拟筛选中的关键步骤,能够显著加速药物研发。然而,现有基于深度学习的DTA方法通常依赖单一模态(如文本或图)的表征,难以全面揭示药物与靶标间的复杂相互作用。针对这一问题,提出了跨模态融合的CMF-DTA模型,将药物文本表达式和药物分子图、靶标蛋白质的氨基酸序列和蛋白质结构图分别进行了跨模态结合,增强了表征的多样性和表达能力。为解决传统图同构网络(GIN)邻域聚合范围的局限性导致结构信息表征不充分问题,设计了扩展二阶邻域的自注意力聚合策略,自适应捕捉一阶与二阶邻域特征,提升了模型对复杂结构信息的感知。此外,通过双引导注意力机制,实现了文本和图模态特征的高效交互与融合,充分挖掘跨模态信息互补性。实验结果表明,CMF-DTA在基准数据集上表现优异,展现出卓越的鲁棒性和泛化能力。

食一氧化碳梭菌(Clostridium carboxidivorans P7)能利用合成气为碳源和能量合成溶剂乙醇与丁醇,然而其关键醇合成基因功能尚未解析。经生物信息学分析,在基因组存在两个编码双功能醛醇脱氢酶的基因adhE1与adhE2(Ccar_07995与Ccar_08000),其氨基酸序列与来自模式大肠杆菌双功能醛醇脱氢酶的氨基酸序列一致性分别为63%和79%。通过体外与体内试验表征这两个AdhE。酶学特征分析证明AdhE1与AdhE2均有催化乙酰辅酶A与丁酰辅酶A合成醇的功能,AdhE1催化乙酰辅酶A到乙醇的酶活是0.40 U/mg,AdhE2的酶活是1.20 U/mg;AdhE1催化丁酰辅酶A到丁醇的酶活是0.26 U/mg,AdhE2的酶活是1.20 U/mg;AdhE2的催化活性显著大于AdhE1。体内研究,通过强启动子Pta分别将adhE1与adhE2过表达于模式合成气利用永达尔梭菌中,发现过表达菌株利用合成气合成乙醇的能力得到显著提升,其乙醇滴度分别提高了50%和75%。以上研究表明,adhE1与adhE2是C. carboxidivorans P7关键醇合成基因,为从分子水平上解析C. carboxidivorans P7利用合成气合成溶剂醇的关键机制提供重要证据。

RNA引导的成簇规律间隔短回文重复(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)及其相关蛋白Cas9系统是一种高效的基因组编辑工具,因缺乏安全、特异性的体内递送系统限制了其在临床上的广泛运用。开发一种兼具安全性和特异性的CRISPR/Cas系统靶向递送载体,是实现其在临床医学中组织特异性精准治疗的关键挑战之一。外泌体(exosomes)是一种生物纳米级囊泡,在细胞间通信和生物分子传递中发挥重要作用。基于此,研究设计并构建了一种具有肝细胞靶向功能的CRISPR/Cas9工程化外泌体递送系统。通过将Cas9蛋白与肝细胞靶向多肽SP94和外泌体膜蛋白Lamp2b联合,实现了Cas9/sgRNA核糖核蛋白(ribonucleoprotein, RNP)的内源性装载,成功制备了具有肝细胞靶向性的CRISPR/Cas9工程外泌体(Cas9/sgRNA@Exo)。透射电子显微镜(transmission electron microscopy, TEM)和动态光散射(dynamic light scattering, DLS)表征结果显示,Cas9/sgRNA@Exo的平均粒径为125 nm,呈茶托样形态。通过流式细胞术分析和T7核酸内切酶I(T7 endonuclease I, T7E1)酶切实验证实,Cas9/sgRNA@Exo能够有效编辑靶基因eGFP,且表现出良好的生物安全性。该工程化外泌体为肝脏特异性基因治疗提供了一种新型的递送策略。

目的:通过筛选不同来源的聚谷氨酸合成酶(poly-γ-glutamic acid synthase,PgsBCA)和降解酶(poly-γ-glutamic acid depolymerase,PgdS),在谷氨酸棒状杆菌中进行串联表达,进而通过启动子工程解决诱导剂添加问题并优化PgsBCA和PgdS的组合表达效率,以期得到高产低分子量聚谷氨酸重组菌株。 方法:选择3种不同来源的PgsBCA异源表达到谷氨酸棒状杆菌,通过发酵评价获得最适来源的PgsBCA。在此基础上串联表达3个不同来源的PgdS,进行发酵评价后筛选到最优PgsBCA-PgdS组合。通过筛选天然启动子并引入不同强度的组成型启动子,优化了转录调控,从而实现了在无须诱导剂的条件下高效表达PgsBCA和PgdS,促进了低分子量聚谷氨酸的高效生产。 结果:地衣芽孢杆菌来源的PgsBCA和斯皮宰曾氏芽孢杆菌来源的PgdS在谷氨酸棒状杆菌中成功串联表达,合成14.5 g/L γ-聚谷氨酸(γ-PGA)(M_w ≤200 kDa)。通过筛选天然启动子并引入3种不同强度的组成型启动子,获得最适启动子P_dep-A16替代原诱导型启动子P_tac,成功实现无须诱导剂合成低分子量聚谷氨酸。最后,在15 L发酵罐中进行连续补料发酵,实现了低分子量聚谷氨酸高效生产,产量达到37.42 g/L,生产强度为0.78 g/(L·h)。 结论:筛选并确定了最优来源的PgsBCA和PgdS,并成功在谷氨酸棒状杆菌中实现了其串联表达,通过启动子工程成功构建无须诱导剂添加的低分子量聚谷氨酸生产工艺。

蛋白质重组表达是生物工程研究与应用的一个关键环节,实现蛋白质高水平、高活性表达具有重要的理论价值与实践意义。长期以来,对蛋白质重组表达水平的优化大多聚焦于考察和优化重组表达体系构成、重组工程菌的培养条件及诱导条件等外部因素,对蛋白质编码序列、调控序列等内部因素的研究相对较少。随着生物信息学、计算生物学与人工智能技术的快速发展与深度融合,人们尝试利用机器学习方法构建蛋白质表达水平预测模型或蛋白质序列生成模型,再基于模型进行蛋白质序列的智能优化或从头设计。这种策略不仅能有效提升蛋白质重组表达序列优化的精准度和效率,还能为深入解析蛋白质表达水平调控机制提供新的研究视角,因而引起了众多研究者的关注和重视。总结了近年来机器学习在蛋白质重组表达序列优化与设计领域的最新研究进展,重点分析讨论了代表性机器学习模型的构建方法与序列优化策略,以及如何突破训练数据的局限性、提升模型可解释性等有待解决的关键问题。

靶向疗法为癌症治疗带来了革命性突破。该领域的核心问题是如何将药物靶向递送至癌组织并增强药物与其靶点的互作。尽管现在开发的各种纳米载体,已为不同类型药物的癌组织靶向递送带来了希望,但由于溶酶体陷阱的存在,许多药物难以与其胞内靶点高效作用。膜融合作为生命最基本的过程之一,有利于细胞膜脂更新及囊泡内容物递送。仿生膜融合过程,使靶向药物的癌组织靶向及其在癌细胞内与靶点高效互作成为可能。鉴于该研究最新进展及相关综述缺乏,从膜融合的原理、方法及赋能抗癌药物与其靶点互作展开,列举了与此相关的最新应用,并阐述了膜融合技术在癌症治疗领域所面临的挑战及其未来发展潜力。

基于糖类与蛋白质特异性亲和作用,糖类作为关键亲和配体已广泛用于构建糖基修饰功能化界面,因其来源广泛、生物相容性高以及对细胞表面受体特异性结合能力,近年来在生物医药、食品科学及环境科学领域备受瞩目。仿生构建功能化多价糖基修饰亲和界面能显著增强界面与受体的结合强度,克服因单价糖基结合力弱而引起的脱靶和非特异性吸附问题,在提高检测灵敏度、分离效率、实现药物精准递送等领域展现出优异的物理化学特性。依据糖基化修饰载体空间维度不同,介绍不同糖基载体的独特生化特性,概述不同糖基修饰功能化界面在药物靶向、病原检测、疾病诊断等领域的最新研究进展,并对其存在的缺陷以及发展前景进行展望,以期为研发新型糖基修饰功能界面提供数据支撑,为全面了解仿生功能化亲和界面在食品安全检测、环境监测、生物医药等领域的研究动态提供重要依据。

骨缺损(bone defect)是指因外伤、骨肿瘤切除、感染或其他病因导致的骨组织部分或全部缺失的复杂病理变化。随着材料科学和生物技术的发展,生物材料被广泛用于骨组织工程以修复骨缺损。多孔生物支架是生物材料中的一个重要分支,其在骨缺损修复中的应用已经成为再生医学的重要研究方向之一。成骨-成血管耦联(osteogenesis - angiogenesis coupling)是指骨生成与血管新生之间存在相互作用和协同过程,这对骨正常发育、再生和修复至关重要。基于此理论设计的多孔生物支架的孔隙允许血管内皮细胞进入并生成新血管,同时其材料可以释放生长因子等,增强血管内皮细胞和成骨细胞之间的协同作用,这种耦联机制能确保新骨组织在支架内获得充足的营养和氧气,加速骨再生并提升修复效果。然而,目前多孔生物支架存在分类模糊、筛选材料耗时费力、临床医生难以精准挑选适配支架用于患者治疗等问题,通过归纳基于成骨-成血管耦联机制的多孔生物支架在骨修复中的应用,旨在更好帮助研究人员和临床医生理解不同类型支架的设计原则及适用场景,进而在临床实现更高效、更稳定的骨缺损修复。

生防菌是指可应用于植物病害防治的有益微生物,其在农业防治中的应用日益广泛,为低成本、高效进行植病绿色防控提供了新思路。然而,与传统化学农药相比,生防菌的防治效果仍有差距,且很少实现大规模商业化量产。此外,缺乏系统、全面的综述无法使研究者直观了解最新研究热点。结合近10年内重要数据库,对生防菌发酵的研究与应用现状进行了综述,梳理了发酵工艺类型及相关重要参数,列举了常见的优化方法,并从基因角度阐述了高产量生防工程菌构建的策略及其现实应用。同时,探讨了生物农药目前存在的问题,并提出了可能的解决方案。最后,从宏观发酵工艺优化和分子调控构建工程菌两方面展望了生防菌的应用前景及后续发展面临的挑战。

泛酸合成酶(PS)作为辅酶A生物合成通路中的关键酶类,在多种生命过程中起着不可或缺的作用。PS参与调控诸如蛋白质泛素化、脂质代谢及细胞能量产生等基础生理活动。尽管PS在生物界分布广泛,但有趣的是,原核生物与真核生物来源的PS在序列上表现出显著差异,同源性通常不超过20%。更为重要的是,细菌的正常生长高度依赖于PS介导的泛酸合成,这一特性使得PS成为开发新型抗菌药物极具吸引力的靶点。全面梳理PS相关研究的最新进展,重点关注以下几个方面:探讨PS的结构特征及其与功能的关联;深入分析PS的催化作用机制;总结PS在蛋白质工程领域的定向进化研究成果;概述PS的抑制剂开发现状。在此基础上,对PS未来的研究方向和潜在应用进行展望,以期为该领域研究人员提供有价值的参考信息和启发。

雌马酚是黄豆苷元经肠道微生物一系列酶代谢生成的产物,具有雌激素样、抗氧化和抗癌等多种生物学活性,在多种疾病的预防和治疗中具有重要研究价值。生物合成是雌马酚制备最具前景的方法。综述了雌马酚生物合成途径中4个关键酶的研究现状,它们分别是黄豆苷元还原酶(DZNR)、二氢黄豆苷元还原酶(DHDR)、四氢黄豆苷元还原酶(THDR)和二氢黄豆苷元消旋酶(DDRC),通过深入探究这些关键酶的作用机制,能够为雌马酚的生物合成以及产量提升提供关键的理论支撑和实践指导,从而促进雌马酚在各个相关领域的广泛应用。

合成生物学作为21世纪的前沿学科,正以其革命性的技术手段重塑生命科学研究范式。作为模式植物和重要的工业原料,烟草因其完整的次级代谢网络和独特的生物合成能力,已成为合成生物学研究的重要平台。深入挖掘烟草的生物合成潜力,对于开发新型药物、改良作物性状以及实现可持续生产具有重要的理论和应用价值。系统综述了烟草合成生物学的最新研究进展,重点阐述了烟草生物反应器的构建与应用、烟碱代谢调控的分子机制、萜类生物合成的关键酶研究、内生真菌活性代谢产物的发现及其在紫杉醇等药用成分合成中的应用前景。通过对这些研究的梳理,可以清晰地看到合成生物学正推动烟草从传统农作物向多功能生物工厂转变,这一转变将为人类健康和可持续发展做出重要贡献。