目的:新型冠状病毒(SARS-CoV-2)在宿主细胞内连续翻译病毒mRNA时可以通过程序性移码实现分阶段表达其功能蛋白,移码主要依赖基因组上一段特殊的RNA折叠结构假结(pseudoknot);假结序列在冠状病毒中高度保守,与滑动位点和连接区组成移码刺激元件(frameshift stimulation element,FSE);已有研究报道冠状病毒FSE在原核系统仍然可引起移码翻译,其有效长度仅需88个核苷酸(nucleotides,nt);FSE与相邻序列可互作形成多种二级结构,所以选取新冠FSE序列88 nt及其随后49 nt序列为研究对象,探究加长的新冠FSE(对应氨基酸序列称假结肽)在原核核糖体上移码翻译的效率以及移码翻译的条件依赖性。方法:通过构建由大肠杆菌表达编码红色荧光蛋白(red fluorescent protein,RFP)-假结肽-半乳糖苷酶α片段(lacZ')三联蛋白的嵌合基因,可以实现RFP与lacZ'由假结肽连接的串联表达,从而根据菌落颜色变化来指示FSE介导的移码翻译。结果:实验结果显示,菌落中嵌合蛋白表达呈不均匀状,特别是在荧光显微镜下观察时,RFP荧光信号分布差异巨大;SDS-PAGE蛋白电泳证实新冠FSE在大肠杆菌表达体系可以产生移码翻译。结论:通过构建多种新冠FSE突变体,验证了移码滑动序列以及连接区长度的重要性;进一步发现新冠FSE在原核系统中也存在非移码翻译与移码翻译的动态平衡,其发生受菌落密度、培养温度,甚至低浓度盐酸胍的影响;最后,使用该嵌合基因表达平台筛选出庆大霉素修饰物,该修饰物作为外源小分子影响新冠假结FSE移码效率。
目的:构建主动靶向的金属酶纳米平台Zn/Cu@CM,用于实现高效杀伤肿瘤细胞。方法:通过透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)、粒径和电位、X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)和十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PACE)等对制备的Zn/Cu NPs和Zn/Cu@CM进行表征;通过亚甲基蓝(methylene blue,MB)来探究Zn/Cu NPs催化生成羟基自由基(hydroxyl radical, ·OH)的能力;通过CCK-8实验验证Zn/Cu NPs的细胞杀伤性;通过细胞活性氧染色实验进一步探究催化生成·OH的能力;最后通过流式细胞术和细胞靶向实验探究细胞凋亡情况和主动靶向性。结果:制备出大小均一的球形Zn/Cu@CM纳米粒子,粒径在20~200 nm大小左右;亚甲基蓝实验证明Zn/Cu NPs在肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)下能够高效催化生成·OH;CCK-8实验表明,质量浓度为200 μg/mL的纳米粒子与正常小鼠成纤维细胞(L929)共培养后,细胞存活率仍然保持在82%以上,而与乳腺癌细胞(4T1)共培养后,细胞存活率不足25%;活性氧探针2', 7'-二氯二氢荧光素二乙酸酯(2', 7'-dichlorodihydrofluorescein diacetate,DCFH-DA)染色实验证明,Zn/Cu@CM在肿瘤细胞内产生大量ROS以杀伤肿瘤细胞;流式细胞术表明,当Zn/Cu@CM质量浓度为150 μg/mL时,细胞坏死和细胞凋亡分别占61.3%、0.349%,表明该复合纳米粒子可以高效产生ROS而导致细胞坏死,进而杀伤肿瘤细胞;细胞靶向实验证实Zn/Cu@CM具有良好的靶向性。结论:成功构建了主动靶向的Zn/Cu@CM复合纳米粒子,通过一系列表征和细胞实验证明其具有高效杀伤肿瘤细胞的能力,可为多功能纳米复合材料的抗肿瘤应用提供有价值的参考,并且为进一步双重杀伤肿瘤提供新思路。
目的:分离气单胞菌噬菌体并研究其特性,为气单胞菌的噬菌体防治提供理论基础。方法:以嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)A050为宿主菌筛选噬菌体,利用双层平板法研究噬菌体一步生长曲线、最佳感染复数和稳定性等生物学特征;通过电镜观察噬菌体形态;利用Illumina Hiseq平台进行噬菌体基因组测序,利用在线工具Blastn、CGView、VipTree、VIRIDIC和Mauve软件进行生信分析。结果:分离得到一株新种噬菌体phiA050,其噬菌斑透明、无晕圈,直径为(0.10±0.02)cm;电镜观察显示,phiA050头部为正廿面体,直径为(70.8±2.7)nm,尾长为(71.3±3.7)nm;宿主谱检测结果显示,phiA050可裂解68株气单胞菌中的19株;phiA050对宿主气单胞菌A050的最佳感染复数为0.001,一步生长曲线显示其潜伏期为30 min,裂解量为158 PFU/cell;phiA050耐受的pH范围在4~10之间,耐受温度可达50℃(1 h),60℃时只有少量存活;phiA050基因组全长53 322 bp,GC含量为44.75%,注释出61个开放阅读框(open reading frame,ORFs);Blastn序列比对发现,phiA050与最近源的欧文氏菌噬菌体Faunus总相似度仅为36.30%,根据国际病毒分类委员会(International Committee on Taxonomy of Viruses,ICTV)最新的病毒分类标准,噬菌体phiA050应归于新属新种。结论:分离得到一株新种噬菌体phiA050,该噬菌体与现有数据库中噬菌体相似性低,具有独特的研究价值和应用前景。
环介导等温扩增技术(loop-mediated isothermal amplification,LAMP)反应速度较快、特异性良好、硬件需求低,常作为核酸扩增的核心方法用于核酸分子的即时检测(point-of-care testing,POCT)产品中。等温扩增分子POCT产品按检测流程通常分为样品前处理、核酸分子扩增和产物检测三个核心单元,每个单元环环相扣,决定产品性能及临床应用中的表现。在新冠疫情期间,LAMP及其衍生技术从实验室到临床得到快速发展,涌现了大量的分子POCT产品,从解决方案、成本和效益等方面加速了核酸检测技术的发展,推动了该技术在居家、社区、海关、野外等场景下的应用。综述等温扩增分子POCT产品三个核心单元的技术发展以及2019年以来用于新冠病毒及其他病原体检测的等温扩增分子POCT产品的原理、组成、产品性能和应用成效,探讨LAMP与微流控、免疫侧向流层析、成簇规律间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)等技术的结合及未来产品开发趋势。
金属硫蛋白(metallothioneins,MTs)是一类低分子量、富含半胱氨酸残基且广泛分布于各类生物体的非酶金属结合蛋白,具有调控金属稳态、抵御氧化应激、屏蔽重金属等多种生物学功能,在食品、医药、环境、化妆品等领域具有广泛应用。关于MTs的基因发现、表达调控、结构表征、功能鉴定以及应用范围拓展等方面已有大量研究,但因其种类、结构和功能的多样性和复杂性,导致MTs还远未被完全了解。通过对全球范围内金属硫蛋白的相关研究文献进行分析,综述了金属硫蛋白领域的研究现状和动态热点,主要包括以下五个方面:金属硫蛋白的种类和结构;基因表达及其调控;锌稳态和铜稳态的调控等重要生物学功能;在生物医学领域中的角色和作用;在重金属污染生物治理领域的应用。未来金属硫蛋白研究趋向于:微生物源金属硫蛋白的开发;金属硫蛋白的高效表达及制备;建立或发展新的高分辨率的金属硫蛋白表征方法;探讨金属生物动力学与金属硫蛋白诱导表达之间的相关性以及金属硫蛋白的应用拓展。
mRNA药物有巨大的临床应用潜力,目前mRNA药物研究面临的主要挑战是开发安全、高效且不激活免疫系统的递送方法。改变mRNA结构可以增强其稳定性,利用核苷酸修饰能够降低mRNA的药物免疫原性,促进抗原递呈的全身耐受性,但是裸mRNA递送效率低下,抗原蛋白表达水平低。使用脂质纳米颗粒促进mRNA递送并保护其免受胞外降解是mRNA药物开发的重要里程碑。个性化癌症疫苗、新冠mRNA疫苗等为治疗方向的mRNA药物积累了大量技术储备。综述mRNA药物的合成、修饰、不同的递送系统以及mRNA药物在传染病方向的临床研究进展,探讨mRNA药物的研究前景、市场趋势及未来应用。
微藻作为一种可再生的生物资源,在现代农业中展现出广泛的应用潜力,不仅为养殖业提供高价值饵料与饲料添加剂,还为种植业提供生物肥料、生物刺激剂与生物防治剂,同时在农业废水处理和土壤改良修复方面也展现出一定的优势。综述近年来微藻在养殖业、种植业和农业环境保护等领域中的多样化应用研究进展,分析当前微藻在农业应用中面临的技术挑战和认知局限,提出推进微藻生产技术改进、提高微藻利用效率和在循环农业中的应用等未来研究方向,以期为微藻在现代农业中的全面推广提供技术支撑,进一步促进现代农业的可持续发展。
目前,厨余垃圾、园林废弃物、农畜废弃物、污水污泥等有机废弃物的无规则排放导致环境污染日益严重,寻找一种有机废弃物的绿色处理方法已经成为研究热点。厌氧消化作为处理有机废弃物常用的手段已被广泛使用。然而,有机废弃物中的微塑料胁迫会使厌氧消化效率降低,从而降低废弃物利用率。分析导电材料缓解微塑料对有机废弃物中厌氧消化的抑制以及群体感应和种间电子转移对功能微生物的影响,探讨导电材料提高含有微塑料的有机废弃物厌氧消化效率的机制,为微塑料污染物所造成的有机废弃物处理提供解决方案。
生物半导体是生物与信息融合发展的新兴前沿方向,有可能从根本上重新定义半导体设计与构建路线,打破生物系统的技术瓶颈。通过文献调研、文本挖掘和文献计量方法,基于论文和专利等数据对生物半导体领域的研究布局和研发态势进行分析,以期呈现全球生物半导体的发展现状和趋势。研究结果表明,国际上,美国和欧盟积极布局DNA数据存储、生物计算等生物半导体重点方向,美国、德国和韩国研发实力较强;我国在生物半导体领域论文产出量排名全球第二,专利申请量排名全球第一。当前,生物半导体领域的研究进入快速发展期,半导体生物传感器、生物芯片和生物计算等方向研究热度较高。
国家前瞻探索性项目布局对于科技战略导向和重大科技创新突破具有重要意义。基于美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)资助的早期概念探索性项目(early-concept grants for exploratory research,EAGER),从多维度对生物科学领域的研究布局和探索性研究方向进行分析,旨在为我国科研项目布局和科研方向提供借鉴。结果显示,NSF在2014-2023年期间共资助了507项生物科学领域早期概念探索性项目,并且呈现逐年减少趋势,受资助项目的主要特点为: 资助时长多为2~3年,占总资助项目的42.2%,其中将近3/4的项目获得了延续资助;累计资助总额约1.2亿美元,平均每项投入约23.5万美元;资助学科来自生物基础设施、环境生物学、新兴前沿、整合与系统生物学以及分子和细胞生物学,其中环境生物学资助数量最多,占比33.9%,整合与系统生物学资助金额最高,约4 424.8万美元;资助方向包括交叉生物学行为、种群与群落生态学、植物基因组研究、遗传机制以及系统和合成生物学,其中以植物基因组研究资助密度最高,资助方向重点集中在种群与群落生态学、遗传机制和分子生物物理学;2021-2023年新增项目方向包括全球风险投资基金、创新-生物信息学、生命系统物理学,其中神经科学教育、量子生物学、遗传模型的资助金额超过30万美元。从早期概念探索性项目的管理机制、资助领域和研究布局、学科交叉合作方式等方面,提出我国在科研资助方面可借鉴的经验。
随着全球对可持续能源和化学品的需求日益增长,利用非粮生物质资源替代传统化石能源,生产高附加值的化学品,已成为科学研究和产业发展的重要方向。全球主要经济体如美国、欧盟、英国和日本等,纷纷在国家战略层面强调生物质能源和化学品的开发,旨在支持实现碳中和目标,并应对自然资源的有限性。近年来,非粮生物质转化研究取得重要突破,研究者不断优化预处理工艺及设备,深入挖掘生物转化微生物资源和酶系,设计更高效的催化剂和催化过程,攻克木质素转化难题,并拓展生物质转化的应用领域。产业实践方面,如巴西的Raízen、芬兰的UPM和中国的丰原生物等企业通过创新技术和商业模式,推动了生物质资源的高值化利用,为全球生物质产业的发展树立了标杆。未来,我国在非粮生物质转化领域的发展需依赖于技术创新、产业政策支持、产业链协同、市场导向及国际合作的共同推动。
作为我国疫苗行业发展面临的“卡脖子”技术,佐剂研究已被我国《“十四五”医药工业发展规划》列为医药产业化技术攻关工程之一。依托Patsnap全球专利数据库,检索并分析了11 356件疫苗佐剂相关专利,通过对专利申请趋势、技术生命周期、技术来源国和地区、创新主体、市场布局及主流佐剂研发态势等多维度进行统计分析,揭示了全球疫苗佐剂领域的研究现状与发展趋势。结果显示,全球疫苗佐剂专利主要申请人以企业为主,并且在全球范围内进行了广泛布局,而我国专利申请人在疫苗佐剂领域的专利布局相对局限,多集中在国内。在技术构成上,疫苗佐剂主要分为铝盐佐剂、乳剂佐剂、免疫增强剂和纳米佐剂四大类。在研发热点方面,铝盐佐剂仍占据主导地位,纳米佐剂作为新型佐剂发展迅速,有望成为未来研发热点。我国在免疫增强剂领域积累薄弱,但在纳米佐剂领域表现突出,有望成为我国突破疫苗佐剂技术瓶颈的关键点。
