摘要：合成生物学研究常用基因开关来调控细胞的状态以实现相应功能。已有的基因开关往往需要持续的输入信号来维持特定的开关状态,开关功能的维持需要持续消耗能量,并且对扰动较为敏感。文中利用了位点特异性重组酶的倒位效应反转终止子,构建了一种转录层次的状态调控开关,使得脉冲信号即可触发开关状态改变,并在下一次信号来临前稳定维持当前状态。应用自下而上的工程化思想,文中先后对重组酶和终止子进行了单独表征和组合表征,探究了二者之间的相互影响,筛选出了相互兼容的组合,成功实现了细胞的单次、二次状态切换。最后,此开关成功地被用于构建生物七段译码器,显示出了其较好的应用潜力。

摘要：蛋白质相互作用是生命活动在分子水平上的基本事件.蛋白质相互作用的三维图像可以给出关键生命活动过程的分子细节.了解蛋白质相互作用的原理有助于揭示生命活动的机制,并在此基础上开展有重要价值的蛋白质设计.本文对于蛋白质相互作用预测、设计和调控研究的近期进展进行了总结归纳,介绍了作者实验室在相关领域的研究进展,并对今后的研究方向进行了展望.主要包括:(1)蛋白质相互作用网络、蛋白质相互作用机制和蛋白质复合物结构计算分析;(2)基于序列、结合位点以及复合物结构的蛋白质相互作用预测;(3)蛋白质相互作用设计方法;(4)利用化学分子调控蛋白质相互作用的方法;(5)针对蛋白质相互作用的蛋白质药物设计方法.

摘要：近年来,有关生物分子通过液-液相分离机制进行组织定位、功能调控的研究发展迅速。相分离产生的聚集体在众多细胞活动事件中发挥了关键作用。这些聚集体的生物功能是以相分离的物理化学性质为基础的。本文将从相分离聚集体的基本性质、相图、微观结构,相分离的统计热力学、实验和分子模拟研究等方面阐释相分离物理化学机制研究相关进展。对于生物分子相分离的重要功能体系进行了列举和归纳,收集了相分离研究的模式体系,探讨了生物分子相分离的生物功能同物理化学机制之间的关系,总结了生物分子相分离的调控机制和调控分子的设计方法,并对生物分子相分离物理化学机制研究的未来发展方向进行了展望。

摘要：由冠状病毒感染引发的全球性疫情对人类健康造成了巨大威胁,时至今日尚未有特效的治疗药物或疫苗问世,因此开发具有临床应用价值的抗冠状病毒药物刻不容缓. 3CL蛋白酶在冠状病毒的复制过程中起关键作用,其序列具有高度保守性,是进行抗冠状病毒药物设计的关键靶标.本文围绕SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2 3CL蛋白酶的结构与功能关系、已报道抑制剂的结构类型与活性及可能的作用机制进行归纳总结,探讨3CL蛋白酶抑制剂研发的新方向,为抗新型冠状病毒药物研发提供参考.

摘要：定量工程生物学是合成生物学、定量生物学和系统生物学交叉互补,并融合数学、物理、信息与工程等多个学科思路和方法而形成的一个新兴领域.它旨在揭示天然和人工生物系统分别及共同遵循的内在规律,并在此基础上理性设计和构建人工生物系统,从而解答生命科学前沿问题,通过干预和改造,应对人类社会面临的重大挑战.这里所谓的理性设计,是指在可预测的规律或模型指导下,有计划地创造、执行、构建研究对象[1].正如有了流体力学的指导,人们才得以预测飞机机翼产生举力的条件,并制造出飞机;这种“可预测性设计构建”是定量工程生物学的内核.

摘要：环肽在调控蛋白质-蛋白质相互作用方面具有独特的优势,在新药研发领域受到了越来越多的关注。蛋白质相互作用界面一般较大而平坦,相较于小分子化合物,环肽分子更容易获得与这些靶标位点结合的高亲和力和高特异性。相较于线性多肽或蛋白质,环肽结构一般具有更大的骨架刚性,更难被酶降解,从而在代谢上更稳定,而且环肽更易于通过修饰改造增加跨膜活性,从而结合细胞内的靶标蛋白。结构数据和结构建模方法是开发基于靶标结构计算设计环肽药物的基础。本文分析了蛋白质结构数据库中环肽与靶标蛋白结合情况,介绍了目前环肽构象生成或结构预测的四类主要算法;总结了基于靶标结构计算设计环肽分子的主要方法,包括基于分子对接的虚拟筛选方法、借助于动力学模拟的设计方法、从头生成的设计方法以及具有跨膜活性的环肽设计方法;并展望了数据驱动的机器学习方法在环肽设计领域中的可能应用以及未来环肽药物分子开发的可能方向。

摘要：生物网络以超乎寻常的精度、可靠性和鲁棒性执行着各种各样复杂的功能。网络的拓扑结构、动力学性质与功能之间密切相关。如何定量刻画这种关系,找到复杂多样的生物网络的底层设计规律是系统生物学和合成生物学的巨大挑战。本文对功能拓扑的理性设计及其在合成生物学中的应用进行了综述。生物网络在统计性质上不同于随机网络,其结构呈现出模块化的趋势,本文首先总结了自然生物系统中出现的高频模块及其功能,回顾了最近系统生物学对于功能拓扑设计原理的探索,包括目前搜索功能拓扑的两种常用计算方法,同时对理论获得的典型功能拓扑进行了总结。继而总结了近年来实际合成生物学系统中功能拓扑的设计和构建,以基于转录调控的基因回路为主,按照其内部调控节点的数目,系统地介绍了不同拓扑结构被用来实现的具体功能及其典型实例。最后,介绍了近期自动化设计集成基因线路的发展、非转录多层次调控机制以及网络鲁棒性的设计原理,并简单探讨了对于复杂功能拓扑设计的机遇和挑战。