目的:发掘分枝杆菌噬菌体StarStuff来源的repressor-stoperator调控系统,并评估其作为可编程转录抑制元件的开发潜力。方法:基于同源位点筛选、序列保守性分析和AlphaFold2结构预测,获得StarStuff基因组中的候选Site区域;构建Site相关启动子-sfGFP报告系统,结合流式细胞术、定点突变和电泳迁移率变动实验分析其转录活性、阻遏响应和DNA识别特征;进一步在StarStuff repressor中插入烟草蚀纹病毒蛋白酶(tobacco etch virus protease,TEV protease)识别序列,构建蛋白酶响应型转录调控模块。结果:StarStuff基因组中共筛选获得24个候选Site区域,不同Site相关启动子驱动的基础表达水平差异显著,整体动态范围超过800倍;代表性Site在StarStuff repressor调控下表现出不同程度的抑制响应,其中部分位点呈现接近1阶的表观响应特征;定点突变和电泳迁移率变动实验(electrophoretic mobility shift assay,EMSA)结果表明,stoperator核心序列是StarStuff repressor特异性识别DNA的关键基础,邻近序列环境进一步影响基础活性和阻遏输出;TEV识别序列插入筛选结果显示,StarStuff-tevS(p.76)在较大程度上保留阻遏功能,并可在TEV存在条件下实现由阻遏态向解除阻遏态的转换。结论:StarStuff repressor-stoperator系统可形成一组具有分级输出和差异化响应特征的转录调控元件,并可通过蛋白工程进一步改造为蛋白酶响应型调控模块,为噬菌体来源可编程转录调控元件的开发提供了实验依据。

目的:当前全球抗生素耐药性形势日益严峻,羊毛硫肽(lanthipeptide)因独特的抗菌机制和优异的工程改造潜力,被视为应对耐药性挑战的重要候选药物。然而,在基于合成生物学“设计-构建-测试-学习”闭环对羊毛硫肽进行工程改造的过程中,突变文库表型测试环节所采用的琼脂扩散法,其抑菌圈读数仍需依赖人工逐孔测量,这一环节已成为制约文库筛选通量提升的瓶颈。针对这一技术难点,建立了一种基于级联视觉的96孔板抑菌圈自动定量算法,为羊毛硫肽的高通量筛选提供技术支撑。方法:以羊毛硫肽Halα(haloduracin α)突变文库的活性筛选为应用场景,构建由检测与标定、后处理定量和异步质控组成的三级级联视觉流程。L1利用Hough圆变换完成孔阵列几何标定,并由RF-DETR-Seg端到端实例分割模型检测抑菌圈并输出像素级掩膜;L2基于生物分子筛选协会(Society for Biomolecular Screening,SBS)标准96孔板9.0 mm孔心距实现免标尺像素-毫米换算,并通过距离变换分水岭切分重叠抑菌晕,输出等效直径等结构化定量结果与规则质控标记;L3由视觉语言模型GLM-5V对低置信度孔位执行异步质控。结果:构建22张96孔板抑菌圈图像数据集,其中11张彩色照片标注233个抑菌圈。模型检测精确率为97.3%,召回率为93.1%,F1值为95.2%,平均交并比为89.6%;等效直径测量平均绝对误差为0.23 mm,相对误差为3.08%,Pearson相关系数为0.973。单板推理耗时约4 s,效率较人工读板有大幅提升。结论:本算法可将固体平板抑菌表型转化为可追踪、可批量处理的结构化数字表型,在羊毛硫肽突变文库筛选场景中,该方法验证了自动读板替代人工逐孔测量的可行性。

基因密码子扩展(genetic code expansion,GCE)是化学生物学与合成生物学领域的重要前沿技术,可通过遗传编码方式将非天然氨基酸位点特异性引入蛋白质,突破20种天然氨基酸在侧链结构和化学反应性方面的限制,为生物大分子药物的精准构建和功能调控提供了新的合成生物学工具。围绕GCE在生物医药领域的应用进展,系统概述其通过遗传编码方式引入非天然氨基酸,实现蛋白质的精准修饰、功能拓展和可控调节。其代表性应用包括均一化药物偶联、长效化修饰、共价蛋白药物、病毒载体功能化、生物疫苗及工程细胞调控等,为新型药物开发、疫苗设计和细胞治疗提供了重要技术基础。最后,分析GCE在医学转化中面临的主要挑战,并展望其在正交翻译体系优化、基因组重编码和人工智能辅助设计推动下的发展潜力。

基于工程化微生物的活体生物药(live biotherapeutic products,LBPs)正引领下一代疾病治疗模式的变革。LBPs有望在体内实现病灶靶向定植、病理信号感知及治疗载荷的持续精准释放,从而有效克服传统药物半衰期短、系统毒性大以及组织穿透性差等关键瓶颈。聚焦实体肿瘤、肠道黏膜、外周天然屏障(包括皮肤及五官)三大核心干预场景,系统梳理了当前活体药物微生物底盘的理性选择策略与工程化设计进展。由于体内不同生理部位微环境差异显著,活菌药物底盘已从简单套用模式菌株转向由微环境驱动的定制化设计。在此基础上,进一步展望了下一代底盘将向动态生物安全控制、多菌株协同的合成菌群体系和智能计算能力的方向发展,以加速推动LBPs在精准医学中的转化应用。

以机体能量代谢失衡为核心特征的2型糖尿病、肥胖和高尿酸血症等代谢性疾病,目前已成为全球范围内日益严峻的公共卫生挑战。传统代谢病治疗多采用固定剂量、固定给药时间的药物干预模式,难以有效应对疾病进程中由多因素共同驱动的动态代谢波动。合成生物学的发展为代谢性疾病的精准治疗提供了新的思路,通过构建具有“感知-处理-响应”功能的人工基因环路,工程化细胞能够实时感知外部信号或内源生理病理信号,并精确调控治疗分子的表达与释放。在此基础上,依托工程化细胞或微生物开发的智能活体药物,不仅能够在体内长期定植并持续发挥治疗作用,还能与宿主代谢网络及肠道微生态相互作用,实现对代谢性疾病的动态、自适应干预。综述智能活体药物在代谢性疾病治疗领域的最新研究进展,重点阐述基因环路驱动的可编程调控策略,并围绕当前该领域面临的关键挑战展开讨论,同时对未来的发展方向进行展望。

微生物细胞疗法作为继抗体药物之后的“第四代生物医药”,正通过与合成生物学的深度融合,迈向智能化、精准化医疗的新阶段。合成生物学通过微生物底盘细胞筛选开发、精准基因组编辑、智能基因回路设计等核心技术,构建了高度可控的治疗型基因工程菌株体系。目前,应用于微生物细胞疗法的基因工程菌已在肿瘤靶向治疗、免疫调节及代谢疾病等领域取得了临床前显著突破,可实现原位药物合成与微环境精准调控。系统综述微生物细胞疗法在基因工程菌株智能设计、高效改造及疾病治疗应用方面的研究进展,重点分析基因工程菌在体内定植、生物安全防控及临床转化监管中存在的核心瓶颈。基于现有研究进展与挑战,提出未来发展可重点围绕非模式微生物底盘挖掘、多菌协同体系构建、多重生物安全防控策略开发,以及适配新型监管框架的产业化质控标准建立等方向展开。

传统的抗感染策略长期聚焦于消灭单一病原体,对由微生物群落主导的社会性防御机制关注不足。微生物协同抗性并非孤立的单细胞遗传突变,而是通过公共物品共享、三维空间隔离、群体通讯调度以及跨物种庇护共同构筑的生态防御网络。随着合成生物学的发展,抗感染方式正从单一的化学/物理杀伤向微生态网络干预转变。系统梳理了利用合成生物学策略干预协同抗性的研究进展:包括利用群体猝灭系统实施信号阻断;借助表达解聚酶的工程化噬菌体降解作为空间屏障的生物膜;通过序列特异性CRISPR-Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated systems)抗菌剂特异性清除耐药克隆;引入工程化活体生物药实施生态位替代。此外,进一步分析了工程化制剂在临床转化中面临的体内递送屏障与生物安全风险等问题,并基于“红皇后假说”探讨了致病群落引起的“抗-抗性”自适应演化博弈。未来的干预策略需关注动态自适应的微生态稳态重塑,以期为多重耐药慢性感染的治疗提供工程学解决方案。

随着合成生物学的研究从原核生物向复杂真核系统跨越,传统的依赖DNA序列改变的基因工程策略逐渐难以满足生物制造与精准医学对复杂调控的需求。真核生物基因组的功能高度依赖由组蛋白翻译后修饰及染色质空间结构介导的表观遗传调控。这种调控具有组合性、时空层级性与可逆性遗传特征,不仅决定了基因表达状态,还可通过复制过程中亲本组蛋白的再利用实现表观遗传信息的稳定传递。然而,由于表观遗传调控网络的高度复杂性,目前对其工程化的设计原则仍缺乏系统认知,这在一定程度上限制了真核生物的工程化改造。在此背景下,合成表观遗传学作为一种自下而上的研究范式逐渐兴起,该领域融合合成生物学与表观遗传学理念,通过表观基因组编辑及人工染色质系统构建,实现对染色质状态的可编程操控,不仅为解析表观遗传信息产生与维持机制提供新的实验框架,还为表观遗传编辑和干预技术提供新的策略和靶点。这有望推动生命工程由序列编辑迈向染色质状态编程,为精准医疗与复杂生命系统的理性设计提供新的理论基础与技术路线。系统综述合成表观遗传学在内源表观修饰编辑、工程化染色质高级结构以及从头合成表观调控系统方面的研究进展,并进一步讨论其在大尺度基因调控、表观驱动进化及工程化生物制造底盘中的潜在应用。

近年来,肿瘤治疗正由传统细胞杀伤模式向精准调控与免疫重塑转变,但仍受到靶向毒性、免疫逃逸及缺乏时空控制等因素制约。光遗传学通过将光敏蛋白与功能模块耦联,将外部光信号转化为细胞内可编程响应,为实现高分辨率的肿瘤调控提供了新的技术路径。系统综述光遗传学在肿瘤治疗中的研究进展,从光响应模块及调控策略出发,重点总结其在肿瘤细胞内在调控与免疫系统外源调控中的应用。在肿瘤细胞层面,光遗传系统可通过诱导凋亡、焦亡、坏死性凋亡等程序性细胞死亡,实现对肿瘤细胞命运的精准控制;在免疫调控层面,光遗传学能够动态调节T细胞激活、胞内信号转导及工程化免疫细胞功能,并进一步改善免疫细胞迁移与局部浸润行为。此外,进一步讨论了光信号传输及递送策略等体内应用相关因素。总体而言,光遗传学以光作为外部可编程输入,为肿瘤细胞与免疫系统的协同调控提供了新的研究范式,并在精准与局部治疗领域展现出重要的转化潜力。

线粒体是真核细胞的能量代谢核心,在细胞代谢、生长发育与衰老死亡过程中发挥着重要作用。线粒体具有独立于细胞核的基因组,编码部分呼吸链复合物亚基。线粒体蛋白主要受核基因编码调控,当线粒体DNA或核DNA编码的线粒体蛋白的基因发生突变,会导致能量代谢障碍,进而引发线粒体功能紊乱,诱发线粒体疾病。传统治疗方法以缓解症状为主,无法从根本上纠正线粒体DNA突变,疗效有限。基因治疗方法通过导入正常线粒体DNA替代突变线粒体DNA,但存在安全性和有效性问题。线粒体基因编辑是一种潜在的治疗策略,但存在脱靶、效率低及靶点受限等缺陷,难以真正用于线粒体疾病治疗。相比之下,线粒体移植作为一种补充功能性线粒体的新兴策略,能够降低突变型线粒体DNA比例,具有从根源上治愈线粒体疾病的潜力。从线粒体移植的供体来源、移植方式,以及在心肌病、脑肌病等典型线粒体疾病中的临床应用等方面进行系统综述,旨在梳理该领域近年来的研究进展,为线粒体移植技术在线粒体疾病治疗中的应用提供理论参考。

衰老是由基因组不稳定、表观遗传改变、代谢失衡及慢性炎症等多种因素共同驱动的复杂系统性生物学过程,也是多种年龄相关疾病的重要基础。传统抗衰老研究主要依赖单一靶点或经验性药物筛选,但其在动态调控与系统性干预方面存在明显局限。近年来,以“设计-构建-测试-学习(design-build-test-learn,DBTL)”为核心范式的合成生物学快速发展,为抗衰老研究提供了新的工程化思路,包括基因编辑与表观遗传重塑、代谢通路重编程与能量稳态调控、合成细胞疗法以及抗衰老疫苗等方向。成簇规律间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)筛选、合成基因回路及部分重编程技术正在推动衰老研究由相关性分析向动态调控转变;代谢工程、线粒体移植及类囊体工程等策略则体现了对细胞能量网络进行系统重构的潜力;与此同时,清除衰老细胞的嵌合抗原受体T细胞(senolytic chimeric antigen receptor T-cell,senolytic CAR-T)、工程化干细胞及抗衰老疫苗等新型策略,也展现出对衰老微环境进行长期调节的可能性。总体而言,合成生物学正在推动抗衰老研究由传统被动干预向系统级可编程调控转变,并有望为健康寿命延长提供新的理论基础与技术路径。

人源蛋白在疾病机制解析、生物医药开发中具有重要价值,但其天然来源有限,直接利用人源细胞进行研究面临伦理限制和技术瓶颈。因此,利用异源宿主对人源蛋白进行重组表达成为关键替代方案。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)因遗传背景清楚、具有真核生物的翻译后修饰等优点,已成为表达人源蛋白的首选异源宿主。然而,人源基因在天然酵母中的表达仍面临表达量偏低、翻译后修饰人源化不足、工程菌稳定性较差、部分人源蛋白无法模拟人体细胞功能等挑战。系统梳理人源基因在酿酒酵母中表达优化的四种策略:基因适配改造、转录与翻译水平优化、分泌与折叠效率优化、翻译后修饰人源化改造。综述人源化基因表达技术在食品与功能配料、生物医药与疾病研究、基因功能研究三个主要应用领域的研究进展,分析了当前存在的问题与挑战,展望了未来发展趋势,旨在为高效获得人源蛋白及解析其功能提供系统的技术框架与理论依据。

《生物医学新技术临床研究和临床转化应用管理条例》(国务院第818号令)的正式实施,确立了我国生物医药领域“药品”与“生物医学新技术”并行的双轨规制体系。合成生物医学应用兼具物质产品属性与临床技术属性,部分应用呈现“中间态”特征而难以简单归入单一监管路径,由此引发法律属性界定、规制路径选择与监管衔接等系列制度难题。从合成生物学在医学领域的典型应用场景,分析双轨制度下合成生物医学应用的规范类型与规制逻辑,揭示药品注册规制模式与生物医学新技术规制模式分别对应“产品风险”与“临床行为风险”的差异化治理路径,并以溶瘤微生物治疗技术这类中间态应用为例,剖析双轨规制中存在的边界模糊、权责分割与数据衔接困境。在此基础上,提出建立动态分类规则、跨部门协同审评机制和有条件数据互认制度,以推动合成生物医学应用实现临床探索与产业转化之间的有效制度衔接。