药物研发长期以来面临周期长(10~15年)、成本高(约26亿美元)且成功率低(临床成功率不足10%)的挑战。近年来,以深度学习、自然语言处理和大语言模型为代表的人工智能(AI)技术,正通过数据驱动-基于模型-计算密集的“科学智能(AI4Science)”范式,重塑药物研发全流程,推动AI辅助药物设计(AIDD)的快速发展。总结了AI变革药物设计的关键技术、核心应用、挑战与限制,展望了AI负责药物设计的未来方向与机遇。
目的: 探讨通用转录因子II H亚基2(GTF2H2)调控受体型蛋白酪氨酸磷酸酶O(PTPRO)参与肝细胞癌(HCC)的性别差异。方法: 免疫组织化学法检测HCC组织芯片中GTF2H2的表达,分析其与肿瘤恶性程度的相关性。采用蛋白质印迹法检测雌激素受体(ERα)表达对GTF2H2的调控作用,不同浓度β-雌二醇(estradiol)处理的HCC细胞系中PTPRO的表达。观察雄鼠和雌鼠自发性肝癌模型中瘤体数量,并检测PTPRO的表达差异。构建GTF2H2敲低的HCC细胞模型,分析GTF2H2在estradiol调控PTPRO中的作用。通过构建GTF2H2稳定表达的HCC细胞模型,采用蛋白质印迹法和免疫荧光法观察PTPRO的表达和定位。结果: HCC组织芯片中显示HCC组织中GTF2H2的表达低于癌旁组织,并且与肿瘤恶性程度成反比。体外试验显示ERα的表达上调了GTF2H2水平。Estradiol呈梯度式上调HCC细胞中PTPRO的表达。在自发性肝癌小鼠模型中,雄性小鼠的瘤体数量相比雌性小鼠增多,且PTPRO表达相对降低。而estradiol对PTPRO的上调作用在GTF2H2敲低的细胞中被显著抑制。体外过表达GTF2H2上调了PTPRO的表达,并增加了其细胞膜定位。结论: GTF2H2通过介导PTPRO的表达上调参与了HCC的性别差异。
目的: 疫苗接种是防控甲型流感病毒(influenza A virus)最为经济有效的策略,旨在通过保守表位构建多表位疫苗,协同激活体液免疫与细胞免疫。方法: 使用生物信息学预测工具对抗原表位进行筛选,构建多表位抗原(Flu A),并融合鞭毛蛋白佐剂形成融合蛋白(Flu A-ND);通过ELISA、脾淋巴细胞增殖、细胞因子检测及流式细胞术对多表位抗原的免疫效果进行评价。结果: 生物信息学筛选HA2(12~53、76~130、113~131)、M2e(1~24)及NP(5~47、304~320、392~407、418~426)表位构建多表位抗原Flu A;Flu A-ND组血清IgG效价达1∶256 000(较Flu A组1∶128 000提升2倍),IgA水平显著增强;细胞免疫方面,Flu A-ND组Th1型细胞因子分泌量显著提升,CD4+、CD8+T细胞比例较Flu A组均有显著提升,佐剂显著增强T细胞活化。结论: 成功制备了多表位抗原,免疫效果评价显示能诱导小鼠产生高水平的体液免疫及细胞免疫反应,鞭毛蛋白作为分子内佐剂能有效提升多表位抗原的免疫效果,为开发安全高效的甲型流感病毒多表位疫苗提供实验依据。
目的: 为解决游离环氧水解酶或全细胞在催化过程中稳定性差、分离回收困难等痛点问题,开发高稳定性、可重复使用的催化微球,并通过手性拆分法制备(S)-环氧苯乙烷。方法: 首先从5种不同海藻酸钠基包埋载体中筛选出最优材料并以单因素实验优化固定化条件,扫描电镜观察微球结构、测定热稳定性,其次拆分高浓度外消旋环氧苯乙烷,最后测定重复使用性。结果: 选择海藻酸钠作为固定化载体,单因素实验所得最佳条件为:钙化时间8 h、氯化钙浓度20 mg/mL、菌体浓度60 mg/mL、海藻酸钠浓度20 mg/mL。微球的比酶活为24.59 U/g菌体,在40℃下的半衰期达到3.80 h,是游离细胞的1.73倍。在正辛烷/水双相体系中水解拆分500 mmol/L外消旋环氧苯乙烷,6 h内得到(S)-环氧苯乙烷,其对映体过剩率(ee)>99.5%、空时产率(STY)2.146 g/(L·h)。在6个循环后仍保持在初始活性的80.60%。结论: 成功开发了一种基于海藻酸钠固定化重组大肠杆菌E. coli/sfeh3全细胞的催化体系,实现了高浓度外消旋环氧苯乙烷的高效手性拆分,为手性环氧化物的制备提供了绿色、经济的生物催化策略。
目的: 提高L-精氨酸高产菌株的葡萄糖消耗能力,并探索经济高效的混合糖利用策略。方法: 通过强化PTS和IPGS提升菌株糖耗;以葡萄糖及蔗糖混合糖为碳源,优化碳源利用效率,并引入外源果糖激酶,提高混合糖代谢效率。结果: 与起始菌株相比,进行糖转运系统改造及优化碳源利用的菌株精氨酸产量提高了31.80%。结论: 优化糖转运途径及采用混合糖策略,显著提高了L-精氨酸的产量,为工业菌株的改造和应用提供了参考。
目的: 通过微生物细胞工厂将CO2衍生的底物转化为有价值的化学品为生物炼制提供一条可行的碳中和途径。乙醇可从厌氧合成气发酵和电催化CO2固定中获得,而衣康酸作为重要的化学品又可通过乙醇代谢合成。因此,首次通过工程大肠杆菌以乙醇为唯一碳源生产衣康酸,为探究利用CO2衍生的第三代生物炼制底物生产衣康酸提供技术参考。方法: 主要研究方法包括以下几个方面:(1)在大肠杆菌中表达内源性乙醇脱氢酶突变体AdhEA267T/E568K(AdhE*),使大肠杆菌能以乙醇为唯一碳源生长;(2)通过3种强度的启动子表达顺乌头酸脱羧酶(cis-aconitate decarboxylase,CAD),使大肠杆菌能代谢乙醇合成衣康酸;(3)降低副产物乙酸和乳酸的合成,提高衣康酸生产水平;(4)通过分批补料发酵进一步提高衣康酸产量。结果: 通过表达AdhE*和顺乌头酸脱羧酶、降低副产物乙酸和乳酸的合成,构建了高效生产衣康酸的工程大肠杆菌,其产量达4.2 g/L。结论: 通过工程大肠杆菌实现以乙醇为唯一碳源高效生产衣康酸,为利用CO2来源的第三代生物炼制底物生产衣康酸提供技术参考。
阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是常见的神经退行性疾病,其典型病理标志为β淀粉样蛋白(amyloid beta protein,Aβ)沉积和tau蛋白异常磷酸化,而载脂蛋白E(apolipoprotein E, APOE)基因是AD最强的遗传风险因素,其中APOE4显著增加发病风险。诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)技术通过将患者体细胞重编程为多能干细胞并定向分化为神经元和胶质细胞,克服了传统动物模型的局限性,能够保留患者的遗传背景并模拟复杂的细胞间互作,在探究APOE4在AD的病理机制中显示出巨大潜力。iPSCs技术在APOE4相关AD研究中的最新进展受到关注,其在解析APOE4致病机制中的应用价值较高。利用iPSC衍生的神经元和胶质细胞模型,相关研究揭示了APOE4在Aβ代谢、tau病理及神经炎症中的多重作用机制,并通过CRISPR基因编辑技术验证了靶向APOE4的治疗潜力。此外,多细胞互作模型为解析APOE4在细胞间动态互作中的作用提供了突破性平台,揭示了神经元-胶质细胞之间的病理放大效应。尽管iPSC模型在模拟疾病复杂性和病理机制方面仍面临挑战,但持续优化有望使其成为研究APOE4在AD中作用机制更精准的工具。通过总结iPSC技术的优势与局限,展望了未来研究方向,为深入理解APOE4在AD中的作用机制及推动治疗策略开发提供新思路。
动物病原体的快速精准检测对维护动物健康、预防疫病传播及保障食品安全具有重要意义。作为新兴的生物分析技术,电化学免疫分析(electrochemical immunoassay,ECIA)技术结合了免疫学抗原-抗体特异性识别与电化学高灵敏信号转导的双重优势,在动物病原检测领域表现出显著的应用潜力。系统梳理了ECIA的技术原理、方法学分类及信号放大策略,重点评述了其在动物疫病检测中的最新研究进展,并对ECIA的发展前景进行了展望,以期为构建高效、便携、低成本的下一代动物疫病监测平台提供理论和技术参考。
法尼烯(farnesene)作为重要的无环倍半萜类化合物,在生物燃料、医药及材料科学领域具有广泛应用,其需求激增与生产模式革新紧密关联。传统植物提取法受限于原料含量低与季节性供应,而化学合成依赖石油基异戊二烯,面临副产物复杂性与环境争议,难以满足市场需求。合成生物学通过基因线路设计构建微生物细胞工厂,为实现目标产物的定向合成提供了革新性策略。早期研究验证了微生物合成法尼烯的可行性,但产量不足10 g/L,揭示了前体供应不足、代谢分流与酶催化效率低等瓶颈。近年来,为了更加全面地解析法尼烯合成代谢网络,研究人员采取多尺度工程策略(宿主-途径-酶协同优化)使法尼烯产量得到了显著提升。这些方案不仅为工业化生产提供理论支撑,更标志着萜类生物合成从经验试错向计算驱动的智能设计范式转型,对推进绿色生物制造技术迭代具有重要指导价值。对近年来微生物合成法尼烯策略的进展进行整理和综述,并对其未来发展提出展望。
非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptide synthetase, NRPS)具有特殊的模块化、线性化结构,生产了众多结构复杂、功能多样的多肽类天然产物。其中,腺苷化结构域(A结构域)作为每个模块中的“启动开关”,是底物识别与活化的核心单元,因此针对A结构域的构效关系调控及工程化改造是拓展非核糖体肽化学多样性的关键。综述了A结构域的动态催化理论及对不同底物的特异性识别机制,总结了现有的工程化改造策略,如定点突变、子域替换和插入、整体重排等。这些策略显著拓展了非天然肽的合成能力,有望进一步解决天然A结构域底物范围受限的问题,但仍面临模块兼容性不足等挑战。综述为NRPS的理性设计与人工改造提供了理论参考与实践路径。
