纤维素乙醇是一种低碳清洁的绿色能源,可与传统石油基液体燃料混合使用,具备广阔的应用前景。纤维素乙醇的生产历经木质纤维素预处理、糖化和酿酒酵母发酵等工艺,而预处理过程会产生多种副产物,显著抑制酵母细胞的生长速率和发酵性能。因此,构建抑制剂耐受性酵母底盘细胞,有助于提高纤维素乙醇的生产效率,降低生产成本。针对抑制剂耐受性酵母底盘细胞的设计与构建开展综述,系统总结了抑制剂的作用机制、耐受性底盘细胞的强化手段、抑制剂耐受性基因挖掘方法,并探讨了人工基因组重排提升酵母耐受性的最新进展。
倍半萜是具有较强香气和优良生物活性的萜类化合物,能用于香料、燃料和药物的合成。目前,工业上获取倍半萜的常见方法主要是化学合成以及植物提取。由于常见方法存在产率低、成本高和污染大等不可避免的问题,科研人员开始关注微生物合成倍半萜的相关研究,并且以酿酒酵母为宿主采用代谢工程、酶工程和合成生物学等方法构建了生产各种倍半萜的微生物细胞工厂。介绍和解析了酿酒酵母倍半萜合成途径。围绕乙酰辅酶A的积累、甲羟戊酸途径的强化和改造以及底物竞争途径的抑制三个方面,综述了改造和强化倍半萜合成途径的具体策略和相关实例。概述了近年来关于倍半萜合成酶的挖掘和突变研究进展。最后,针对如何进一步提高酿酒酵母合成倍半萜的效率提出展望与建议。
酿酒酵母广泛应用于食品、酿造、化工、医药等领域。基于已建成投产或工业示范化生产的酿酒酵母生产线,回顾酵母生物质制造产业的发展历程和关键技术;综述酵母生物质在酿酒行业的应用,酵母生物质用于开发和制造功能性食品和食品添加剂的进展;总结酵母细胞工厂的发酵生产优势,介绍酿酒酵母制造大宗化学品、天然产物和生物燃料等产品的产业化进展;为生物制造从实验室走向工业化生产提供参考。
丁酸梭菌(Clostridium butyricum)是一种专性厌氧菌,可通过多基因过表达、同源重组、基于非复制型质粒和非复制型质粒的同源重组等多种遗传操作方式对其进行改造。丁酸是丁酸梭菌发酵的产物之一,丁酸用途广泛,用于饲料添加剂,可提高动物抵抗力,减少抗生素的使用。用丁酸梭菌发酵产丁酸,其产量仍然较低,不利于工业化生产,有必要通过代谢工程对丁酸梭菌产丁酸的途径进行优化。对丁酸梭菌的主要代谢途径、遗传操作体系及丁酸合成途径的优化等研究进展进行了综述。在此基础上,对丁酸梭菌进一步改造的思路和想法进行了展望。
黄原胶(xanthan gum)是由黄单胞菌属(Xanthomonas)产生的一种胞外多糖,其凭借优越的流变性和稳定性被广泛应用于食品、石油、农业等行业。目前黄原胶的合成途径已经被阐明,其研究主要集中在如何通过分子调控影响其合成及改性以适应于不同行业需求。通过对黄原胶的一级和二级结构、流变性及稳定性、生物合成途径的介绍,综述了黄单胞菌属黄原胶的生物合成分子调控研究进展。主要结论如下:现有的分子调控研究集中于对黄原胶合成途径中各阶段关键基因、信号分子及其他因子的调控;在黄原胶前体合成阶段,可针对葡萄糖转化为磷酸糖、磷酸糖前体转化为二磷酸核苷糖、细胞内碳水化合物利用及转运等过程的相关基因对黄原胶的合成进行调控;在黄原胶的组装及分泌阶段,主要可通过调节gum基因簇的结构蛋白及启动子调控因子等调控;信号分子调控与环二鸟苷酸(c-di-GMP)信号网络系统及群体感应(quorum sensing,QS)系统中的信号分子水平等相关;其他因子包括脂多糖改性O-抗原相关基因,蛋白质/金属转运和分泌相关基因,肽聚糖和聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)的底物竞争途径,以及血红蛋白基因等。未来应进一步挖掘新的黄原胶生物合成调控因子及完善分子调控机制。
目的:观察UPF1在乳腺癌中的表达,对人乳腺癌细胞MDA-MB-231增殖、迁移和侵袭的影响,及其可能的作用机制。方法:使用生物信息学方法分析UPF1在乳腺癌组织中的表达及作用,构建UPF1小干扰RNA(siRNA)并转染乳腺癌MDA-MB-231和MCF-7细胞株,构建外源性的UPF1低表达的重组细胞,通过实时荧光定量PCR法和蛋白质印迹法检测重组细胞中UPF1的表达水平;CCK-8法检测细胞的增殖;划痕愈合实验及Transwell小室法分别检测细胞横向和纵向迁移以及侵袭能力;实时荧光定量PCR法检测基质金属蛋白酶9(matrix metalloproteinase,MMP9)以及上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)标志物E-钙黏着蛋白(E-cadherin)、波形蛋白(vimentin)mRNA表达量的变化;蛋白质印迹法检测MMP2、E-cadherin、Vimentin蛋白表达量的变化。结果:生物信息学分析表明UPF1在乳腺癌肿瘤组织中高表达,与免疫细胞浸润相关,并与抑癌基因表达呈正相关,mRNA水平进一步验证UPF1在乳腺癌细胞中高表达,敲低UPF1后,乳腺癌细胞MDA-MB-231和MCF-7中UPF1的mRNA和蛋白质表达水平均显著下降(P<0.05,P<0.05),MDA-MB-231和MCF-7 细胞的体外增殖能力显著增强(P<0.0001,P<0.05),迁移(P<0.05,P<0.001)与侵袭能力(P<0.01,P<0.01)也显著提升,实时荧光定量PCR、Western blot 结果显示UPF1可抑制 EMT 相关通路。结论:UPF1在乳腺癌中高表达,但是UPF1在乳腺癌中可能起抑癌作用,UPF1可能通过抑制 EMT 通路抑制乳腺癌 MDA-MB-231和MCF-7 细胞的增殖、迁移与侵袭。
目的:探讨miR-324-3p对前列腺癌(PCa)细胞铁死亡的影响及其分子作用机制。方法:通过qRT-PCR检测PCa组织、癌旁组织和细胞系中miR-324-3p和GPX4 mRNA的表达水平;采用Western blot检测PCa细胞系中谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)蛋白的表达水平;CCK-8检测PCa细胞增殖活力;运用谷胱甘肽(GSH)试剂盒检测PCa细胞中GSH水平,脂质过氧化(MDA)试剂盒检测PCa细胞脂质氧化水平,DCFH-DA荧光探针法检测PCa细胞中活性氧(ROS)水平;双萤光素酶报告基因验证miR-324-3p和GPX4的靶向关系。结果:PCa组织中miR-324-3p的表达水平低于对应的癌旁组织,且PCa细胞中miR-324-3p的表达水平低于正常前列腺上皮细胞;而PCa组织和细胞中GPX4的表达水平高于对应的癌旁组织和正常前列腺上皮细胞。双萤光素酶报告实验表明,miR-324-3p直接靶向负调控GPX4。过表达miR-324-3p可明显抑制PCa细胞增殖活力,降低了GSH水平,上调了脂质氧化水平和ROS水平;而铁死亡抑制剂Fer-1或GPX4可逆转miR-324-3p对PCa细胞铁死亡的促进作用。结论:miR-324-3p通过靶向负调控GPX4的表达促进PCa细胞铁死亡,进而在PCa发挥抗癌作用。
目的:构建pCDH-Flag-NGFP-TERT、pCDH-Myc-TPP1-CGFP基因的真核表达载体,验证TPP1-CGFP蛋白能募集到端粒区,并通过GFP蛋白自发重建检测TERT与TPP1的相互作用。方法:以相应质粒为模板,采用聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)技术扩增出NGFP、CGFP、TPP1的CDS区编码序列。通过酶切、重组将NGFP插入到pCDH-Flag-TERT载体上,将TPP1-CGFP插入到pCDH-Myc-POT1-v5tag载体上。经菌液PCR、载体酶切及测序验证后转染到293T细胞中,采用蛋白质印迹法检测其表达,免疫荧光和端粒Fish验证TPP1-CGFP能募集到端粒区,将TPP1-CGFP与NGFP-TERT共转重新组装成GFP蛋白验证其相互作用。结果:双酶切结果显示载体构建成功;Western blot结果显示蛋白质成功表达;免疫荧光及端粒Fish显示TPP1-CGFP能募集到端粒区,质粒共转能重新组装成GFP蛋白说明两者有相互作用。结论:真核表达载体构建成功,并证明TPP1-CGFP能募集到端粒区,且拆分后的GFP蛋白能由连接蛋白的相互作用而重新组装并发绿色荧光,为研究端粒酶与TPP1蛋白及端粒的相互作用提供了可视化的细胞模型。
前期研究在毕赤酵母中分泌表达了犬α干扰素(CaIFN),其活性较高但产量未达到理想水平。目前工作的重点是提高重组蛋白产量。构建含有1、2、4、6、8拷贝CaIFN基因的酵母转化子,其中KM-6CaIFN产量最高,与KM-1CaIFN相比提高了200.6%。共表达8种分子伴侣,其中Hac蛋白能够提高KM-6CaIFN和KM-8CaIFN的目的蛋白产量,提高幅度分别为32.1%和113.1%。在此基础上继续增加CaIFN拷贝数,可观察到KM-12CaIFN-Hac的产量最高,是KM-8CaIFN-Hac的1.33倍,同时是KM-1CaIFN的5.61倍。通过与梯度稀释的BSA进行蛋白质条带比较,评估KM-12CaIFN-Hac的靶蛋白产量约为581 mg/L,为目前报道中酵母产犬α干扰素最高值。
7-氨基头孢烷酸(7-ACA)是合成头孢菌素类抗生素的重要中间体,工业上通常采用头孢菌素C酰化酶一步水解头孢菌素C制备,但在该反应产物中存在一个主要杂质3-去乙酰基-7-氨基头孢烷酸(D-7-ACA),该杂质的产生是由大肠杆菌中内源基因aes编码的头孢菌素C乙酰酯酶水解头孢菌素C或7-ACA引起的。为了防止D-7-ACA的形成,获得高品质7-ACA,减少下游精制成本,采用大肠杆菌双质粒pTargetF/pCas敲除系统,设计相应的gRNA以及同源修复供体DNA,对大肠杆菌BL21(DE3) 中的aes进行敲除,从而获得了Aes缺陷型菌株BL21(DE3)△aes。将携带头孢菌素C酰化酶(CPCacy)表达质粒pET30-CPCacy的重组工程菌BL21(DE3)/pET30-CPCacy和BL21(DE3)△aes/pET30-CPCacy所诱导表达的孢菌素C酰化酶细胞破碎上清液进行7-ACA的生产对比试验,结果表明,敲除菌BL21(DE3)△aes/pET30-CPCacy对头孢菌素C的转化率为98.8%而原始菌为98.5%,同时7-ACA的产率为80.7%而原始菌株为80.2%,杂质D-7-ACA的产率仅为0.1%,为原始菌的25%,这些工作为进一步生产高品质的7-ACA奠定了基础。
经典的Wnt/β-catenin信号通路参与调控机体的多种生物学功能,包括干细胞自我更新,细胞的增殖、分化、凋亡以及胚胎早期发育和组织再生等,与癌症发生发展紧密相关。此外,该信号通路在胸腺T细胞的发育和分化过程中发挥重要作用,影响抗肿瘤免疫效应的多个环节。异常激活的Wnt/β-catenin信号通路可诱导恶性肿瘤的形成并介导肿瘤免疫逃逸。详细阐述了Wnt/β-catenin信号通路与癌症发生发展及抗肿瘤免疫治疗的相关性,讨论了靶向Wnt/β-catenin信号通路药物的临床研究进展及其应用于疾病治疗领域所要面临的挑战和局限性。
相比于2D细胞模型和动物模型,类器官更能够重现来源器官的关键结构和功能特征,在生物医学领域得到了广泛的研究和运用。类器官芯片结合了类器官培养腔、微流控等多种功能单元,不仅可以根据研究者对靶器官的认知来设计仿生结构,模拟人体靶器官的复杂性;而且能控制并检测类器官所处微环境的变化,具有高通量和高灵敏度的特点。对类器官芯片的组成元件以及类器官芯片在医学研究中的应用,包括生物发育模型及疾病模型构建、药物研发、免疫评价等方面进行概述,并根据类器官芯片在目前研究应用中的不足进行讨论及展望,旨在为研究疾病或生物发育机理以及临床前研究提供有力的策略。
低温能降低生物体内生化反应速率,延长生物活性时间。为了避免传统常压冷冻保存过程中冰晶的产生对生物组织造成的破坏,Dr. Rubinsky提出2种在定容条件下对生物体进行低温保存的方法。一种方法是isochoric freezing(译作“定容冷冻”或“等容冷冻”),通过利用等容腔体内部分液体发生凝固,产生的冰膨胀所带来的压力来降低剩余液体的凝固点温度,而生物材料以过冷态保存在剩余液体内,不存在冰晶损伤。另一种方法是定容过冷保存,通过利用整个等容腔体内部系统处于过冷态,从而使生物材料处于过冷态也不存在冰晶损伤。主要对定容冷冻和定容过冷两种保存方法的原理、应用和研究进展进行综述,并展望了定容低温保存技术未来的研究方向。
高通量组学技术为人们研究生命系统组件提供了细节数据,通过对基因组、转录组、蛋白质组及代谢组等不同生命层级间相互作用的研究,推动了生化反应网络的重建——基因组规模代谢网络模型(genome scale of metabolic network model, GSMM)。GSMM作为系统生物学领域中研究生命系统的基本手段,表现出与传统还原论相反的整体化思想,它允许将细胞复杂的生命过程作为一个完整的系统来研究。通量平衡分析(flux balance analysis, FBA)作为GSMM的主流方法,因其自身依赖的约束有限,通常难以得到唯一的最优解。而热力学与生物代谢密不可分,目前除将多组学数据作为附加约束引入GSMM模型外,添加热力学约束也已成为有效减小解空间的手段。首先对热力学约束引入GSMM模型的方法及各种方法的优势与不足进行了综述,然后对获得相关热力学参数的方法和工具进行了梳理汇总。最后,介绍了整合多组学及热力学综合约束的GSMM模型以及基于热力学原理约束的模型在实际中的应用,并对如何应用热力学约束提高GSMM模型模拟准确性进行了展望。
噬菌体在自然界中分布广泛,是一类感染细菌的病毒总称。同时噬菌体繁殖迅速,对宿主的选择具有非常高的特异性,当其作为细菌感染的抗生素替代疗法时不易让宿主菌形成耐药性。因其严格寄生,其增殖过程除受环境因素(pH、离子强度、温度)影响外,往往还受宿主代谢水平的影响。在外部环境因素中,温度对噬菌体的影响尤为突出,其对噬菌体的活性、稳定性、保藏和进化等都有重要影响。对噬菌体在温度适应性机制研究方面的研究进展进行了总结,重点对噬菌体在温度胁迫下的适应性进化研究进行了整理和归纳,以期为进一步开展噬菌体研究提供帮助。
食用菌多糖因具有抗氧化、免疫调节、抗肿瘤、降血糖、降血脂等生物活性而备受关注。食用菌多糖的结构影响其生物活性,具有(1→3)、(1→4)、(1→6)及混合糖苷键的β-D-葡聚糖是高活性食用菌多糖的结构特征之一,展现出提高抗氧化酶活性、促进分泌抗癌因子、刺激脾脏和胸腺细胞增殖等不同功能。酸碱、超声波及微波、Sevag法、树脂法、亲和层析等不同提取纯化方法会影响食用菌多糖得率,同时会改变食用菌多糖结构,影响其生物活性。详述食用菌多糖的提取纯化方法及其对结构与活性的影响,食用菌多糖的组成结构和构效关系,以及食用菌多糖在抗氧化、抗肿瘤、免疫调节、降血糖和降血脂等方面的功能、结构特征及生物活性,并提出了食用菌多糖形成的分子机制、多糖活性位点修饰、多糖代谢动力学等未来研究方向。
碳中和是指CO2“零排放”,在一段时间内通过节能减排、增加碳汇等途径,抵消各类活动所产生的CO2的排放。微藻是含有叶绿素a的原生生物,可以利用太阳能通过浓缩机制(CCM)进行光合作用高效固定CO2、通过异养同化作用转化固定有机碳。微藻生物质可转化为生物燃料、生物材料及生物肥料等,实现对传统化石燃料、塑料及化肥等的替代。生物技术应用涵盖了从上游的藻种选育、生长代谢过程的多组学调控、培养条件及光生物反应器的优化设计到下游的采收提取纯化及应用等微藻的全生命周期。以碳的收支为主线综述了微藻生物技术在碳中和领域的应用研究现状,讨论了其价值、意义及应用中存在的问题及改进方向。针对关键节点改善碳足迹,以实现微藻在碳中和领域更多应用。
硅纳米线(SiNW)作为一种新型一维纳米材料,具有高比表面积、高稳定性等特点,在传感器领域得到了重视和研究。随着硅纳米线制备工艺优化、修饰方式多样化,以硅纳米线为载体的生物传感器被应用到了金属离子检测、蛋白质检测等诸多领域,较为优良的生物兼容性为生物学研究中的单细胞动态、实时监测提供了途径,电学、光学等不同检测手段也促进了硅纳米线生物传感器的机制研究。在生物化学物质传感检测中,传感器的敏感性、专一性和稳定性是衡量其性能的重要指标。硅纳米线化学性质稳定,为传感器的制备提供了良好的平台,在不同的应用场景中,传感器对硅纳米线的表面修饰提出了较高的要求。为此,研究人员提出了不同的传感机制。在电学信号传感方式中,硅纳米线场效应管(SiNW-FET)通过测量硅纳米线表面电荷变化引发的电导率变化,实现了对目标物质的超灵敏检测。在光学信号传感方式中,荧光分子识别应用较广,当目标物质与受体结合后通过荧光的增强、猝灭,波长的移动等多种方式传递信号,响应较快、检测手段较为便捷。对硅纳米线场效应管生物传感器和硅纳米线荧光传感器的机制与应用进行了概述,对今后硅纳米线在生物传感领域的发展提出了展望。
细菌进化的本质是碱基突变、基因重排或水平基因转移,在适应性进化过程中,主要受生物和非生物因素的影响,其中重金属胁迫也是细菌适应性进化的主要因素之一。重金属胁迫促使细菌适应性地强化与金属输入和转化有关的代谢途径,而过量的金属则诱导金属积累和外排过程。在重金属胁迫下,基于重金属抗性(HMR)基因和酶蛋白的适应,细菌抗性机制亦发生适应性进化,整理和总结了包括隔离机制适应、金属调控蛋白调控机制适应及酶解毒机制适应方面的研究。目前,重金属离子已对环境造成严重污染,威胁人类健康和生态系统的稳定,因此,阐明重金属胁迫下的细菌适应性进化,不仅丰富了细菌进化研究的内容,而且为在复杂环境条件下实现重金属离子污染的微生物的修复提供了理论基础。
基于国内转让/许可专利库数据,全面系统地对我国生物医学领域专利成果转化进行梳理分析。研究表明,虽然目前我国生物医学专利转化率偏低,且部分领域转化明显滞后,但在2015年国家修订《促进科技成果转化法》后,各方积极探索成果转化新模式,转化成绩显著,转化的技术趋势也与生物医学产业发展趋势基本符合,表明政策有效驱动转化工作开展。建议相关部门继续完善政策,建立转化生态圈,并在疫情防控中发挥生物医学专利成果转化更大作用。
