目的: 探究电子传递链缺陷和乏氧等情况引起电子传递受阻时对肿瘤细胞内的嘧啶核苷酸从头合成的影响及其调控机制。方法: 通过免疫荧光、细胞活力分析和蛋白质免疫印迹(Western blot)确定线粒体定位对二氢乳清酸脱氢酶(dihydroorotate dehydrogenase,DHODH)催化产生嘧啶核苷酸的影响;通过细胞活力分析和Western blot分析嘧啶核苷酸对线粒体电子传递链组分缺陷的肿瘤细胞生长的影响;采用正常和乏氧(0.5% O2)条件培养不同的肿瘤细胞系,探究最终电子受体氧气匮乏时嘧啶核苷酸前体物质和嘧啶核苷酸的变化;通过Western blot和RNA测序检测嘧啶核苷酸合成受阻情况下肿瘤细胞内信号通路的改变。结果: DHODH催化产生嘧啶核苷酸依赖于其线粒体定位;嘧啶核苷酸对于复合体IV即细胞色素c氧化酶缺陷的肿瘤细胞生长是至关重要的;乏氧导致了多种肿瘤细胞系中嘧啶核苷酸前体物质的增加和嘧啶核苷酸的减少;嘧啶核苷酸的匮乏引起肿瘤细胞内的AMP依赖性蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)信号通路的激活。结论: 嘧啶核苷酸的合成与肿瘤细胞内电子传递链和能量的产生相偶联,从而影响肿瘤细胞内AMPK信号通路和肿瘤细胞生长。
目的:皮瓣移植术是外科组织缺损修复的重要手段,富含血小板血浆(platelet-rich plasma,PRP)作为含多种生长因子的生物活性制剂,可通过促进血管重建与组织修复显著改善皮瓣微循环。通过探究PRP干预对随意皮瓣存活的影响,分析自噬相关蛋白与炎症因子的表达,揭示PRP通过调控自噬-炎症网络促进血管重建与组织修复,为优化PRP临床治疗方案提供分子机制层面的理论依据。方法: 建立小鼠随意皮瓣模型,通过对随意皮瓣存活面积监测、组织学染色、Western blot和实时荧光定量聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)探究PRP对随意皮瓣修复的治疗效果。结果: PRP处理后能显著提高随意皮瓣的成活率,抑制炎症,促进组织血管重建。此外,PRP在缺血区域具有激活自噬的作用,而自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-methyladenine,3-MA)能够逆转PRP的效果。结论: PRP能调节皮瓣区自噬和炎症水平,3-MA显著降低皮瓣区PRP对皮瓣成活率的影响,从而使炎症因子水平升高。综上所述,PRP通过激活自噬,抑制炎症,促进血管重建,减少组织坏死,最终显著提高随意皮瓣的成活率。
目的: 5-羟基色氨酸(5-hydroxytryptophan,5-HTP)作为血清素(5-hydroxytryptamine,5-HT)的直接前体,在神经调节和药物开发中具有重要价值。由于关键酶色氨酸羟化酶活性和稳定性较差,5-HTP生物合成效率受限。研究提升色氨酸羟化酶(tryptophan hydroxylase,TPH)性能并构建辅因子供给体系,以提高5-HTP全细胞生物合成效率。方法: 在大肠杆菌中异源表达曼氏血吸虫来源的高热稳定性色氨酸羟化酶Schistosoma mansoni TPH(SmTPH),测定其比酶活与37℃条件下的半衰期;通过半理性设计获得SmTPH三联突变体M14(T270G/L267D/A140M),测定其酶活与催化效率(kcat/Km),并开展机制分析;随后在表达M14的细胞中构建四氢生物蝶呤(BH4)的合成与循环再生系统,在优化条件下进行摇瓶全细胞催化并测定5-HTP产量。结果: SmTPH比酶活达0.3 U/mg,37 ℃条件下半衰期为6.5 h,性能显著优于人源TPH2(tryptophan hydroxylase);获得突变体M14(T270G/L267D/A140M),其酶活较野生型提高182%,kcat/Km提升至6.05×10-3 L/(μmol·s);机制分析表明,突变体结构灵活性增强及底物结合适应性提升是M14活性增加的主要原因;引入BH4合成与循环再生系统后,在最优催化条件下,摇瓶全细胞催化5-HTP的产量达3.2 g/L。结论: 通过在大肠杆菌中表达SmTPH,获得高活性突变体M14并耦合BH4合成与再生系统,实现了5-HTP的高效全细胞生物合成,为工业化应用提供了技术支撑。
光遗传学作为融合工程学思维、光学技术与遗传学原理的新型交叉技术,通过响应特定波长的光来调控生物过程,在合成生物学中已有广泛的应用。在过去二十多年的研究中,已经开发出针对不同场景的光遗传学系统,这些系统具备非侵入性、毫秒级响应速度、亚微米级空间分辨率及多波长正交调控等独特优势,为基因表达的精准调控提供了新型解决方案。然而,不同场景下对光遗传学工具的要求可能大相径庭:有的场景需要光诱导系统具有支持复杂逻辑编程的能力,而有的场景则需要更简单的遗传操作与更大的调控范围。这两类场景应用中的光诱导系统,在光受体的种类与系统结构上存在很大差异。综述光遗传学工具的发展历程、单双组分系统的分类、工作原理、最新进展及其在合成生物学中的应用,探讨光遗传学存在的挑战与未来可能的发展方向,为进一步加速其在基础研究和产业实践中的应用提供思路。
蛋白质是构成细胞的基本有机物,也是生命活动的主要承担者。生命活动大多通过蛋白质复合物完成,蛋白质-蛋白质相互作用在调节细胞功能和信号传导等方面起着至关重要的作用。依赖荧光蛋白拆分片段重构的双分子荧光互补系统能够准确可靠地监测活细胞和活体内的蛋白质相互作用,有助于理解蛋白质互作的潜在分子机制。讨论双分子荧光互补系统在检测蛋白质互作方面的最新进展,旨在为蛋白质互作的研究提供参考,并助力研究者根据实验需求选择适合的双分子荧光互补系统。
丝状真菌是一类广泛存在于自然界、具有分枝菌丝体结构的真核微生物,在工业生物技术中具有重要应用潜力。然而,其复杂的遗传背景制约了菌株改良与基因组编辑技术的进一步发展。CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)作为一种高效的基因编辑工具,能够实现基因的精准切割与修饰。该系统在丝状真菌中的应用显著提升了基因改造效率,为代谢工程及功能基因研究提供了重要技术支撑。围绕丝状真菌CRISPR/Cas(CRISPR associate system)系统的原理、技术开发和技术应用,综述CRISPR/Cas系统在丝状真菌中的研究进展,并对丝状真菌中的CRISPR/Cas系统面临的挑战和发展前景进行了展望。
吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone,PQQ)作为一种多肽修饰的天然产物,是继烟酰胺和核黄素之后发现的第三类辅酶。PQQ分子中的吡咯喹啉环结构赋予其独特氧化还原特性,进而使其具备抗氧化、抗衰老、提高免疫力等多种重要生理功能,在医药、保健等领域展现出广阔的应用前景。PQQ大规模制备仍面临多重难题:化学合成步骤繁琐且成本高;天然提取原料有限,得率偏低;微生物发酵效率不足。这些瓶颈严重制约了PQQ在相关领域的推广应用。综述PQQ的生物合成途径及其在微生物体内的代谢调控机制,总结不同微生物菌株的PQQ合成研究进展,并重点探讨通过诱变选育、代谢工程改造以及发酵过程调控等策略提升PQQ合成性能的方法,进一步提出构建高效PQQ生物合成微生物细胞工厂的潜在策略,并对未来研究方向进行展望。
氮氮键(N-N键)作为一类特殊的化学键,广泛存在于天然产物和合成药物中,是众多生物活性分子的核心结构单元。含有氮氮键的化合物展现出抗菌、抗病毒和抗肿瘤等多种药理活性,在医药领域具有重要应用价值。然而,氮氮键的生物合成面临特殊的化学挑战。在生物体系中,氮原子通常呈现亲核性,两个氮原子的直接耦合成键在热力学和动力学上均存在较大障碍。近年来,随着结构生物学、计算化学和合成生物学等学科的交叉融合,酶促氮氮键合成的催化机制研究取得了重要突破。综述不同氧化态氮元素参与的酶促氮氮键合成反应,重点探讨血红素依赖酶、非血红素金属酶及含Cupin结构域蛋白的催化机制,并展望该领域在药物开发、合成生物学和环境应用等方面的前景,为设计新型生物催化剂和应用开发提供理论参考。
塑料废弃物的有效处理,已成为全球环境治理面临的一项重大挑战。塑料降解酶的发现为塑料废弃物的生物降解与循环利用技术奠定了科学基础。降低塑料降解酶的生产成本是实现该技术规模化应用与经济可行性的关键。系统总结两类代表性细菌来源聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)塑料降解酶LCC(leaf-branch compost cutinase)和IsPETase(Ideonella sakaiensis PET hydrolase)及其突变体重组表达的研究进展。根据重组表达产物所处的细胞空间位置,对胞内表达、分泌表达和表面展示(全细胞催化剂)等三种PET塑料降解酶的重组表达策略的技术特点和局限性进行分析,探讨每种表达方式的优化策略并展望未来的主要研究方向,以期为塑料降解酶的高效制备提供理论参考和技术支持。
CRISPR/Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR associate system)基因编辑技术作为生物育种新兴核心技术,是我国实现突破种源“卡脖子”困境的重要引擎。为了全面了解全球作物CRISPR/Cas基因编辑技术竞争格局,洞察我国技术发展差距,为我国制定基因编辑产业发展战略提供数据支撑与智库建议,通过专利计量分析从宏观视域梳理作物CRISPR/Cas基因编辑技术的地域布局、研发主体、技术分布等发展概况,采用社会网络分析和文本挖掘方法从技术网络、技术主题等细粒度视角对比分析我国与国际的技术发展差异,从数量和质量维度构建技术差距评估指标,明晰我国与国际的技术发展差距,剖析我国CRISPR/Cas基因编辑技术创新与产业化发展中存在的不足。结果表明,我国是作物CRISPR/Cas基因编辑技术第二大专利申请国,研发热度较高,技术保护倾向“重内轻外”,技术研发主体以高校或科研院所为主,技术成果转化和产业化应用不足;整体技术数量优势和技术质量优势均不显著,技术研发主要围绕CRISPR/Cas9技术开展,技术广度和技术交叉性不及美国,应用研究占比较高,CRISPR系统底层优化尚有差距。基于以上问题,提出我国CRISPR/Cas基因编辑技术创新与产业发展的建议。
通过政策战略导向分析与典型案例研究,系统梳理了人工智能(artificial intelligence,AI)在生物制造领域的应用进展,重点聚焦于五个关键技术方向:细胞系统设计与控制、蛋白质结构预测与功能设计、DNA合成优化与智能基因编辑、自动化细胞制造与智能执行平台,以及器官芯片与生物传感技术的智能融合。研究表明,AI技术在提升生物制造设计效率、增强系统稳定性、推动流程智能化方面展现出显著优势,正加速生物制造由经验驱动向数据驱动与模型预测并重的智能范式转变。然而,该领域仍面临数据异质性、模型可解释性差、系统集成复杂及伦理风险等挑战。未来应加强高质量生物数据资源建设,发展多模态建模方法,完善跨尺度集成框架,并建立健全的伦理审查与监管机制,以推动AI与生物制造的可持续融合与实践落地。
细胞和基因治疗(cell and gene therapy,CGT)已成为目前生物医药领域具有潜力和创新性的研究和转化方向之一,有望满足使用传统药物治疗无效的部分危重疾病、基因突变相关罕见病患者的临床需求,具有巨大的发展潜力和市场前景。近年来,我国CGT发展取得显著进步,技术创新层出不穷,产业化进程不断加速,但仍存在“根基不牢”“转化不利”“机制不畅”等挑战。应进一步聚焦产业链重点环节、构建全链条创新体系,破解发展痛点难点、优化产业政策协同,加强产业聚集布局、鼓励行业开放竞争,以构建一个更加有利于CGT创新发展与临床转化的政策环境。
