摘要：细菌双组分系统能够感知和响应细胞内外的物理、化学和生物刺激,通过耦合传感和调节机制从而引起一系列的细胞反应,是一个普遍存在的信号转导通路家族。当前越来越多的合成生物学家已开始利用双组分系统的特异属性来工程化设计微生物传感系统,并应用于光遗传学、材料科学、肠道微生物组工程、生物炼制和土壤改良等领域。本综述重点介绍了开发基于双组分系统的生物传感器的最新研究进展以及在各个领域中的潜在应用。同时探讨了如何运用新的工程方法提高双组分系统传感器性能的可靠性,包括遗传重构、DNA结合结构域交换、检测阈值调节和磷酸化串扰隔离,以及如何根据特定应用的要求定制双组分系统信号特性。在未来,研究者可以将这些方法与大规模的基因合成、高通量筛选相结合,以加速和帮助发现更多未确定特征输入的双组分系统,并开发新的对广泛的刺激做出反应的基因编码生物传感器,拓展双组分生物传感器在不同领域的应用。

摘要：为获取从任意起始代谢物到目标代谢物的生化相关性较好的代谢路径,提出一种融合原子交换特征信息的基于约束的代谢路径预测算法PVA。结合代谢网络中具有的原子交换特征信息,建立一种基于约束的混合整数线性规划(MILP)代谢路径预测模型,以搜索从任意起始代谢物到目标代谢物并包含特定原子交换信息的代谢路径。实验结果表明,与同类方法相比,PVA能够有效地发现生化相关性更好的代谢路径。

摘要：回顾我国食醋生产技术的发展历程,分析了现行工艺的种类、特点与技术水平,指出必须开展食醋代谢工程研究,以现代生产技术推进食醋生产的技术进步,通过选育优良菌剂、优化生产工艺、设计革新生产设备和开发食醋新产品,使我国从制醋古国和大国转变为现代化制醋工业强国。

摘要：2,3-丁二醇是重要的生物基化学品和液体燃料,广泛应用在化工、食品、能源、医药等领域。单一构型的(R,R)-2,3-丁二醇不仅具有混旋型2,3-丁二醇的基本功能,而且在不对称合成方面优势突出,是合成手性试剂和手性配体的重要前体,在高价值手性液晶材料、医药和农药中间体的合成方面具有重要应用。本文全面综述了近年来生物法制备(R,R)-2,3-丁二醇的最新研究成果,总结了多粘类芽孢杆菌合成高光学纯(R,R)-2,3-丁二醇的分子机理、代谢途径、发酵底物和发酵工艺。同时介绍了利用代谢工程技术对天然微生物代谢网络进行重新设计和合理改造,以及利用合成生物学先进技术在模式菌株中重建(R,R)-2,3-丁二醇合成途径等方面所取得的研究进展。综述最后讨论了各种生物法存在的主要问题和重点研究方向,并提出了利用后基因组时代的系统生物学与合成生物学手段,通过合理设计和多途径优化的方法构建高效细胞工厂的指导性建议。

摘要：合成生物学汇聚并融合了生命科学、工程学和信息科学等诸多学科,是现代生物学最具发展潜力的领域之一。它以工程化设计为理念,构建标准化的元器件和模块,融会工程科学原理,采用自下而上的策略,对已存在的系统或体系进行全新的合成与改进,以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系,为生命科学开创了一种全新研究模式。继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后,合成生物学正在开启新的生物技术革命。作为一个新兴的“汇聚”型学科,随着DNA合成技术的进步和合成生物学理念的深入,合成生物学已经在多个研究方向取得了长足发展。通过介绍合成生物学的概念,概述了合成生物学的基本研究内容以及在天然产物、医学、能源和工业等领域的研究进展,并展望了合成生物学的发展前景。

摘要：生物燃料替代化石燃料可解决当前全球正面临的能源危机和环境危机。通过筛选、改造微生物,利用可再生资源高效生产具有经济效益和社会效益的生物燃料已成为可持续生物制造的重大发展方向。基于系统生物学理解并设计细胞工厂生物燃料的合成途径与调控网络,利用合成生物学手段开发高产稳产微生物细胞工厂是实现生物燃料经济生产的重要手段。本文概述了当前生物燃料的主要种类及对应的代谢途径,并总结了当前主要生物燃料的生产情况。重点介绍从微生物物质代谢、能量代谢、生理代谢和信息代谢四个方面去认识、改造、开发微生物底盘细胞使其成为高产稳产的生物能源细胞工厂。此外,本文也对当前生物能源的生产瓶颈和挑战进行了总结,并从酶元件库的挖掘、合成途径的创建与优化、底盘细胞的理解和性能改善、发酵工艺的智能控制等方面提出了未来的发展方向和目标任务,强调了在未来的研究中,信息技术(IT)和生物技术(BT)交叉融合是能源细胞工厂构建的发展趋势,可为高效生物燃料细胞工厂的构建提供工具和资源,加速生物能源的产业化进程。

摘要：蓝细菌能够直接利用二氧化碳和太阳能通过光合作用生产乙醇,为提供绿色生物燃料提供了一条有前途的可持续路线。光驱固碳合成乙醇是最具代表性的蓝细菌光合生物制造技术。乙醇并不属于典型的蓝细菌天然代谢物,蓝细菌产醇细胞工厂的构建需要通过向基因组中导入异源的丙酮酸脱羧酶并结合异源/内源醇脱氢酶的过量表达来实现;在过去二十多年间,通过蛋白、途径、底盘、工艺层面的系统优化,蓝细菌产醇细胞工厂的效能得到有效提高,乙醇成为目前产量最高、产率最高、碳流分配率最高的蓝细菌代谢工程产物。本文总结并比较了“蓝细菌生物质炼制产醇”“蓝细菌固碳产糖-产醇”“蓝细菌固碳直接产醇”等三种光驱固碳产醇技术路线,并以构建光合细胞工厂驱动二氧化碳一站式转化为乙醇的技术路线为主,从乙醇合成途径优化与强化、蓝细菌光合碳代谢网络的调节与重塑、代谢网络模型与计算机辅助设计引导细胞工厂构建和优化三个方面对蓝细菌高效光驱固碳合成乙醇的技术发展历程和基本现状进行了介绍,特别是强调了计算生物学、系统代谢工程、生物材料嵌合等研究手段在本领域的应用进展;在此基础上,也从新型底盘开发、高通量筛选技术应用、细胞工厂的稳定性与鲁棒性优化等角度对蓝细菌固碳产醇的未来发展方向进行了展望。

摘要：微生物细胞工厂(microbial cell factories,MCFs)被广泛用于生产丰富多样的化学品、食品、药品和能源,是绿色生物制造的核心环节。早期主要通过天然微生物的筛选和诱变育种的方式获得高产菌种,然而作为一种“以时间(人力)换水平”的非理性策略,其创制效率极低。随着分子生物学和基因工程研究方法的不断发展,对微生物系统认知和改造能力的进步促使代谢工程学科诞生。基于生物学知识的理性/半理性代谢工程设计和构建策略,目前已发展了从分子、途径到基因组层次不同的MCFs设计和工程化构建策略。本文结合实际案例对MCFs的设计及构建策略进行综述,首先回顾传统诱变育种和代谢工程指导的理性/半理性设计策略,探讨如何突破代谢工程经典框架的限制,实现全基因组水平定制化MCFs的快速构建,最后对这一新的构建范式的未来进行展望。

摘要：合成生物学的飞速发展拓展了单菌体系的功能。然而在重组菌株中,异源途径的过表达会增加底盘细胞的代谢压力,导致细胞中能量分配失衡,进而对底盘细胞的正常生长和目标产物的生物合成产生不利影响。作为一种更加新颖有效的生物合成平台,人工多菌体系在为目标产物的生物合成提供多样且适配的表达环境的同时,有效地分配底盘细胞的代谢负担,使得途径的全局调控更加灵活。本文明确指出了人工多菌体系是合成生物学领域中一个新的研究前沿,并以多菌体系的设计和构建为文章主旨,通过详细比较单菌体系和人工多菌体系的优缺点,突出人工多菌体系在生物合成中的优势,同时以人工多菌体系在近几年生物合成中的最新进展为实例,从途径分工的理性设计、菌群互作关系的理性设计、功能菌群时空有序分布以及基于模型算法指导下的多菌体系理性构建4个方面对人工多菌体系的设计原则和构建方法进行详细介绍。最后根据目前人工多菌体系存在的问题提出了有关人工多菌体系全局调控的方法,并对人工多菌体系的设计、构建以及在各种生物产品合成中的发展进行了展望。

摘要：合成生物学与基因工程、代谢工程最显著的区别，在于能够将大量生物元器件进行快速、随意的组装，而实现这一目标的前提，是将生物元件或器件进行详细地功能表征与标准化。目前合成生物学面临的主要挑战之一，是可用的生物元件和模块（器件）种类局限、数量不足、表征描述不清楚、通用性程度不高。为此，有必要在功能元件的挖掘、表征、设计、改造与标准化方面开展系统研究。文章对重要天然产物合成途径的生物元件进行了挖掘与功能表征，并对氧化还原代谢的功能元件进行了设计与改造。