摘要：基因元件的标准化和模块化为日益复杂的遗传系统改造设计提供了参考。目的:通过探究5′-非翻译区(5′-untranslated region,5′-UTR)在大肠杆菌体内外对翻译起始调控的一致性,挖掘通用型5′-UTR序列为模块化工程增添具有良好特征的遗传元件。方法:构建包含25 nt的5′-UTR随机文库化转至大肠杆菌中,通过测量样品荧光值(Flu)和OD600来量化其体内的相对活性值;利用大肠杆菌BL21 Star(DE3)细胞抽提物进行体外蛋白质表达,通过测定样品Flu来量化体外的相对活性值;依据5′-UTR的碱基分布、最小自由能等对文库序列特征进行分析;将得到的体内外真实活性值进行相关性分析并计算皮尔逊相关系数。结果:成功构建的554个5′-UTR变体文库在体内外蛋白质表达系统中表现出中等相关性(Pearson’r=0.64);其中,相对活性值高的5′-UTR序列富含AG,并且其在体内外均呈现自身最小自由能较大,而与16S rRNA杂交的自由能较小;文库数据量大小使体内外相关性分析产生一定的波动性但较为微弱;最后,发现高活性区间内的5′-UTR序列在体内外相关性较高,并从文库中优选出3条作为通用型5′-UTR应用于代谢工程与合成生物学领域。结论:体内外蛋白质表达的中等相关性推动了体外快速表征在研究体内生物合成中的拓展与应用,筛选出的通用型5′-UTR为基因线路的遗传设计提供了选择。

摘要：β-淀粉样蛋白(amyloidβ-protein,Aβ)的自发聚集形成大量毒性的寡聚体,导致脑内神经元死亡,从而引发认知障碍,即阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD),严重威胁着人类的健康。Aβ聚集过程呈现复杂的多尺度自组装特性,目前尚缺乏对Aβ聚集过程多尺度寡聚体的认识,严重制约Aβ聚集抑制剂的设计开发。本文首先简述Aβ聚集的基本理论以及与介尺度科学的关系,分类介绍Aβ自组装过程中所产生的各种介尺度寡聚体及其介导的细胞毒性;之后归纳各种Aβ聚集抑制剂的设计策略、作用原理和作用效果;最后总结Aβ聚集及其调控研究中存在的主要挑战,并提出了进一步研究的重点方向。

摘要：近年来,合成生物学借助工程化在人工生命系统的设计与构建方面取得了长足进展,特别是“细胞工厂”的开发和应用为天然产物的合成带来了深刻变革。环脂肽是一类新型的天然表面活性剂,因其特殊的结构和功能亦可作为抗生素使用。目前,合成环脂肽最理想的微生物底盘是芽孢杆菌。因此,许多研究者致力于通过合成生物学技术来提升芽孢杆菌作为环脂肽细胞工厂的性能。首先,对芽孢杆菌中环脂肽的非核糖体肽合成途径进行概述;其次,重点介绍与环脂肽合成相关的调控因子;再次,从底盘细胞的选择、基因编辑工具的开发、合成路径的优化及发酵过程的优化等四个方面对合成生物学指导下环脂肽的相关研究进展进行总结;最后,讨论环脂肽合成中可能存在的挑战,并就未来研究趋势进行展望,以期为高效环脂肽细胞工厂的开发提供参考。

摘要：金属酶由金属辅因子和蛋白骨架构成。金属辅因子提供催化活性,是金属酶发挥功能的关键,而蛋白骨架为金属辅因子提供附着位点,同时提供手性环境。天然金属酶种类较多,可催化羟基化、环氧化等反应,其辅因子主要以金属离子或金属配体的形式存在,所含金属元素以Fe、Cu、Zn居多,部分天然金属酶也含Mn等金属元素。然而,由于天然金属酶难以催化非天然底物,且部分金属酶体外催化效率低、自身稳定性较差,无法得以广泛应用。近年来研究发现,通过对起催化功能的金属辅因子和提供酶促反应微环境的蛋白骨架进行理性设计构建人工金属酶(artificial metalloenzymes,ArMs),可提高金属酶的催化效率或使其能够催化多种天然和非天然反应。此外,利用纳米技术修饰人工金属酶可以提高金属酶的稳定性和可调控性,为人工金属酶的优化提供了新思路。总结近年来人工金属酶领域取得的成果,着重介绍构建人工金属酶策略方面的研究进展,包括金属辅因子的改造、蛋白骨架的设计、基于纳米技术的修饰等,并展望了设计改造人工金属酶所面临的机遇和挑战,以期为人工金属酶的设计和应用提供参考。

摘要：光催化-生物杂合系统耦合了光催化对光能的高收集效率和广谱吸收性能,以及生物催化温和、高效且高特异性转化的优势,可实现多种高值化学品和燃料分子的绿色、可持续合成,符合“碳中和”发展大方向。按照生物催化载体的不同,光催化-生物杂合系统可分为:光催化-生物酶杂合系统和光催化-微生物杂合系统两大类。光催化-生物酶杂合系统根据作用机制细分为:辅因子介导的间接反应体系、直接电子传递的反应体系以及混合型光催化-生物酶杂合系统;光催化-微生物杂合系统分为:直接电子传递的胞外供能模式、化学物质介导的胞外供能模式以及胞内的能量供给模式。对这些模式的具体作用机制,以及存在的优缺点和关键问题做出了综合评述,并对该领域提出了未来展望。

摘要：自愈合材料是受动物天然皮肤的启发,可识别损伤并自我修复的一种新兴材料。这类材料可应用于工程装备的表面或智能设备的基底,修复开裂与机械损伤,延长设备的工作寿命。而在极端环境(低温、水下、强酸、强碱等)下可以自主愈合的材料更具工业应用前景,但同样也是材料领域的难点。梳理了目前可在极端环境下实现自主愈合的本征型弹性体材料的研究情况。首先,深入总结了弹性体聚合物网络中动态共价键与超分子相互作用通过可逆断裂实现本征自愈合的机制,具体包括在自主愈合弹性体设计中应用最广的二硫键/二硒键、亚胺键、氢键和金属配位键;并梳理了弹性体在不同极端环境下自愈合的研究进展,主要介绍了它们的制备方法和自愈合性能。而后,总结了极端自愈合仿生材料在防护涂层、柔性电子、储能装置和密封元件等工程装备及智能设备领域的应用。最后,对该领域现存的挑战以及未来发展进行了分析。

摘要：微生物燃料电池可将环境废水中的化学能转化为电能,并驱动和强化有机污染物降解,是生物电化学环境修复、清洁能源开发很有应用潜力的解决方案.目前,微生物燃料电池在实际应用中还存在着电池规模小、输出电能低等工程问题,成为限制其性能和规模化应用的核心瓶颈,因此需要对微生物燃料电池进行规模化放大.然而,单纯地增加单体微生物燃料电池的体积,将增加电池内阻,导致能量损失加大,限制微生物燃料电池输出功率进一步提高,不适合工程化应用.微生物燃料电池堆栈是在保持单体微生物燃料电池性能的基础上,通过将多个单体微生物燃料电池进行串并联连接,从而有效提高微生物燃料电池的输出电压、电流以及功率,是实现微生物燃料电池规模化放大的主要手段,已经广泛应用于复杂环境中低劣生物质发电、废水处理以及化学品合成等领域.本文基于微生物燃料电池堆栈的工作原理,从产电微生物、电极材料、电池结构以及电池传质等多个方面系统分析了影响微生物燃料电池堆栈性能的关键因素,总结了微生物燃料电池堆栈结构和电路管理系统的设计原理与工程技术,分析了微生物燃料电池堆栈的重点应用领域,并针对其未来的研究方向进行了展望,以促进微生物燃料电池堆栈的工业化应用.

摘要：在生命活动中扮演重要角色的生物催化剂酶,被发现在催化底物转化的过程中能表现分子水平的扩散增强行为。这种自驱动的扩散增强现象提供了一个研究酶的新角度:酶分子马达(EMM)。受到天然生物分子马达的启发,EMM被用作“引擎”开发出了一系列的酶驱动微纳马达和微泵,将催化过程中的化学能转化为动能,驱动微纳尺度的运动。通过巧妙的设计,酶驱动微纳设备可以实现功能化、完成各种任务,引起了广泛的关注。然而,EMM和酶驱动微纳设备的运动机理尚处于争论之中,酶驱动设备尺寸、结构、酶的性质对运动性能的影响也尚未明晰,制约着EMM和微纳设备的研究和应用。因此,本文综述EMM的自驱动运动以及作为“引擎”驱动的微纳马达和微泵。首先,简述低Reynolds数环境中实现微观自驱动运动的条件,阐述酶分子的自驱动和趋化行为,归类EMM运动机理;其次,归纳酶驱动微纳马达和微泵,重点评述酶分子作为“引擎”驱动人工合成微纳马达的实现途径及其潜在应用;最后,总结酶分子自驱动及其驱动微纳尺度运动存在的主要挑战,并提出进一步研究的重点方向。

摘要：链霉菌天然产物因其显著的生物活性一直是新药开发的重要来源,测序技术的发展揭示了链霉菌强大的生物合成潜力。链霉菌中多数次级代谢生物合成基因簇(biosynthetic geneclusters,BGCs)在常规实验条件下表达水平低甚至不表达,这使得相关天然产物的开发受到阻碍。原位激活和异源表达是挖掘链霉菌天然产物的有效方式,启动子作为基因表达的“开关”,在其中发挥着重要作用。因此对启动子的研究可以有效地促进BGCs的激活,从而挖掘新天然产物。本文重点阐述了链霉菌启动子的结构特征及其挖掘表征和设计构建的思路,并列举了链霉菌启动子在天然产物开发中的应用,有望为链霉菌生物合成路径的优化以及全新生物活性物质的发现提供思路和方法学参考。

摘要：合成生物学的迅猛发展推动了微生物细胞工厂中多种复杂化学品的生物合成,但仍存在产量低、生产效率不高等诸多问题。基因编码型生物传感器可以感知细胞内外代谢物浓度及外界环境的波动,产生可测量的信号输出或调控通路中的基因表达水平,具有成本低、操作简单、可再生等优点。目前,基因编码型生物传感器已经成为合成生物学和代谢工程的重要组成部分,是微生物细胞工厂中代谢动态调控及理想表型进化/筛选的强大工具。概述了基因编码型生物传感器的组成及工作原理,重点介绍了基因编码型生物传感器在微生物代谢动态调控及高通量筛选中的最新研究进展,就基因编码型生物传感器设计与构建过程中面临的挑战进行探讨,并展望了其今后的发展方向。