01 细胞工厂
1. FEMS Yeast Res. 2022 Jan 18:foab071. doi: 10.1093/femsyr/foab071.
揭示非传统酵母在生物技术中的潜力。Unraveling the potential of non-conventional yeasts in biotechnology.
具有成本效益的微生物将可再生原料转化为生物燃料和生物化学品的过程对建立一个强大的生物经济至关重要。传统的酿酒酵母在生物技术中广泛应用了几十年，它缺乏许多生物过程所需要的特性，如利用复杂的碳源或对挑战性条件的低耐受性。许多非传统酵母(NCY)具有这些功能，因此，它们有望在未来的生物技术生产过程中发挥关键作用。为了在生物技术领域成功地实施NCY，一些挑战包括替代碳源的生成，定制NCY的开发和发酵条件的优化是最大限度地提高生物产品产量和效价的关键。应对这些挑战需要通过“YEAST4BIO”行动促进多学科方法。YEAST4BIO促进旨在填补知识空白并促进研究和创新的综合性调查，这可以改善可再生资源的生物技术转化过程，以减缓气候变化并推动向循环生物经济的转型。从这个角度出发，讨论了YEAST4BIO的主要挑战和研究工作，强调了协作和知识交流对该研究领域进展的重要性。
2. Metab Eng. 2022 Jan 14:S1096-7176(22)00008-8. doi: 10.1016/j.ymben.2022.01.002.
用于生产重组肝素的哺乳动物细胞多重基因组编辑。Multiplex genome editing of mammalian cells for producing recombinant heparin.
肝素是治疗和预防血栓形成的重要抗凝剂。然而，肝素的复杂性阻碍了重组源的开发，使其供应依赖于脆弱的动物群体。在自然界中，肝素只在肥大细胞中产生，不适合商业生产，但肥大细胞瘤细胞很容易在培养中生长，并产生硫酸肝素，一种密切相关的糖胺聚糖，缺乏抗凝活性。以肥大细胞的基因表达谱为指导，设计了一种多重基因组工程策略，以生产具有高抗凝能力的硫酸肝素，并消除肥大细胞瘤细胞中的污染硫酸软骨素。从化学定义的培养基中生长的工程细胞中纯化的硫酸肝素具有超过猪源肝素的抗凝能力，并赋予健康小鼠的血液抗凝活性。这项工作证明了从哺乳动物细胞培养生产重组肝素作为动物来源的替代的可行性。
3. Metab Eng Commun. 2022 Jan 6;14:e00192. doi: 10.1016/j.mec.2022.e00192.
脂解耶氏酵母工程菌生产人乳脂代替品的研究。Production of human milk fat substitute by engineered strains of Yarrowia lipolytica.
人乳脂具有独特的立体异构体结构，其中软脂酸被酯化到甘油三酰基的中间(sn-2)位置，不饱和脂肪酸被酯化到外部(sn-1/3)位置。这种结构可使婴儿肠道更有效地吸收营养。然而，大多数婴儿配方奶粉中使用的脂肪来源于植物，这就排除了sn-2位置上的软脂酸。产油酵母为人类营养提供了另一种脂类来源。然而，这些酵母也排除棕榈酸从sn-2位置的三酰基甘油。在这里，我们发现，通过表达具有棕榈酰辅酶A特异性的溶血磷脂酸酰基转移酶，解脂耶氏酵母可以通过基因工程来产生三酰基甘油，其sn-2位置的棕榈酸占60%以上。在氮限制条件下，工程菌株可以在甘油、葡萄糖、棕榈油或混合基质上培养，以产生三酰基甘油，其脂肪酸组成在主要分子种类(棕榈酸、油酸和亚油酸)方面类似于人类乳脂。在棕榈油或葡萄糖和棕榈油的混合物中培养产生最高的脂滴度和与人类乳脂最相似的三酰基甘油成分。我们的数据表明，一种产油酵母可以被改造成生产人类乳脂替代品(β-棕榈酸酯)，可以用作婴儿配方奶粉的一种成分。
02 调控
4. Biotechnol Adv. 2022 Jan 15:107907. doi: 10.1016/j.biotechadv.2022.107907.
热遗传学:应用已经成熟。Thermogenetics: Applications come of age.
温度是一种普遍存在的物理线索，它具有非侵入性、渗透性和易于应用的特点。在不断发展的热发生领域，通过对自然热感测机制的有益再利用，合成生物学为设计和制造强大的温度敏感(TS)传感器带来了新的机会，这些传感器构成了一个具有良好特征的生物元件的热发生工具箱。技术平台的最新进展加快了新型或全新的温度传感器的发现，它们越来越多地应用于许多依赖温度的实际生物医学、工业和生物安全应用。总而言之，该综述旨在传达令人振奋的最新技术发展，以推动热感测器的进步，以及新生的热生领域为生物医学和生物技术应用带来的令人兴奋的机会。
5. Nucleic Acids Res. 2022 Jan 21:gkab1301. doi: 10.1093/nar/gkab1301.
一种用于多路基因调控的模块化RNA干扰系统。A modular RNA interference system for multiplexed gene regulation.
合理设计和实现模块化、正交和鲁棒的易于使用的遗传控制元素，对于构建可预测和可靠的日益复杂的生物系统至关重要。为此，我们引入了模块化人工RNA干扰(mARi)，这是一种合理、模块化和可扩展的设计框架，能够实现大肠杆菌中基因表达的健壮、便携和多路转录后调控。mARi的调控功能在一系列相关的遗传环境中被确定，表明它独立于其他遗传控制元素和感兴趣的基因，并为大肠杆菌中基于RNA的调控的设计规则提供了新的见解。而一系列的细胞环境也证明它是独立的生长阶段和菌株类型。重要的是，mARi的可扩展性和正交性使得多基因系统可以同时作为单基因盒和多顺反子操纵子进行转录后调控。为了便于采用，mARi被设计成直接集成到模块化的基本DNA组装框架中。我们预计，在一个可扩展的DNA组装框架内，基于mARi的遗传控制将促进代谢工程、分层遗传控制和先进的基因线路应用。
6. ACS Synth Biol. 2022 Jan 19. doi: 10.1021/acssynbio.1c00354.
人工合成微生物生态系统的构建与种群比例调控。Construction of Synthetic Microbial Ecosystems and the Regulation of Population Proportion.
随着合成生物学的发展，微生物组合的设计和应用越来越受到人们的重视。然而，合成生态系统的建设仍然受到我们有限的能力，以快速发展所需的动态和功能的微生物联盟。采用模块化设计方法，以大肠杆菌为材料，构建了具有竞争性和共栖性的合成生态系统。通过重新配置沟通模块和效果模块之间的布局，实现了两种生态关系。此外，我们设计了诱导合成生态系统来调节亚种群比例。随着不同诱导剂的添加，亚群间的应变比有很大的变化。这些可诱导的合成生态系统使大量的种群调节和简化的培养条件。我们构建的合成生态系统结合了基本功能和应用功能，扩大了合成生物学研究的工具箱。
7. Angew Chem Int Ed Engl. 2022 Jan 19. doi: 10.1002/anie.202115680.
基于DNA的抗体反应装置介导的非天然蛋白质-蛋白质通讯。Non-natural protein-protein communication mediated by a DNA-based, antibody-responsive device.
我们在这里报告了一个合理的设计和优化的抗体反应，基于DNA的设备，使通信的一对对其他非相互作用的蛋白质。该设备的设计目的是识别和结合一种特定的抗体，并进行相应的构象变化，导致DNA链的释放，称为“翻译”，调节下游目标蛋白的活性。作为原理的证明，我们证明了抗体诱导的蛋白质凝血酶和Taq DNA聚合酶的控制。由此产生的策略是通用的，原则上，可以很容易地适应控制人工调节网络中的人工蛋白质-蛋白质通信。
8. Science. 2022 Jan 21;375(6578):eabg9765. doi: 10.1126/science.abg9765. Epub 2022 Jan 21.
哺乳动物细胞中的合成多稳定性。Synthetic multistability in mammalian cells.
在多细胞生物中，基因调控线路通过多稳定性的特性产生数千种分子上不同的、有丝分裂的遗传状态。设计合成的多稳定线路将提供对自然细胞命运控制线路结构的洞察力，并将允许设计需要不同细胞类型之间相互作用的多细胞程序。我们创造了MultiFate，一种自然启发的合成线路，支持哺乳动物细胞的长期、可控和可扩展的多稳定性。MultiFate利用工程锌指转录因子作为同源二聚体进行转录自激活，并通过异源二聚相互抑制。使用基于模型的设计，我们设计了MultiFate电路，可以产生多达7个状态，每个状态至少稳定18天。MultiFate允许通过外部输入控制状态切换和状态稳定性调制，并可以通过额外的转录因子进行扩展。这些结果为工程哺乳动物细胞的多细胞行为提供了基础。
9. Front Bioeng Biotechnol. 2022 Jan 5;9:804563. doi: 10.3389/fbioe.2021.804563. eCollection 2021.
多路光基因线路。Toward Multiplexed Optogenetic Circuits.
由于光在自然界中无处不在且容易获得，它已被广泛应用于控制复杂的细胞行为。光敏蛋白是生物多样性和多层次适应调节的基础。由于天然光敏蛋白的卓越特性和在工程系统中的潜在应用，对其的探索和工程设计极大地扩展了在合成基因线路中定制性能的光遗传工具箱。逐渐地，更复杂的系统被设计出来，其中的多个光感受器，每个感应特定的波长，结合在一起，同时协调单个细胞的细胞反应。在这篇综述中，强调了在自然和工程系统中多路光基因线路的最新工作和挑战，以实现生物技术应用中动态调控的突破。
10. Front Microbiol. 2022 Jan 7;12:802169. doi: 10.3389/fmicb.2021.802169. eCollection 2021.
在生物过程中酵母细胞内状态的实时监测与生物传感器工具箱。Real-Time Monitoring of the Yeast Intracellular State During Bioprocesses With a Toolbox of Biosensors.
工业发酵过程力求高鲁棒性，以确保最佳和一致的性能。培养基成分、发酵产物和物理干扰可能导致应激和性能下降。细胞应激引起一系列的反应，其胞外表现已被广泛研究；然而，由于缺乏实时监测工具，细胞内的情况仍然鲜为人知。基因编码生物传感器已经成为一种很有前途的工具，并已被用于提高微生物的生产力和对工业相关压力的耐受性。在这里，荧光生物传感器能够感知酵母细胞内的环境(pH值，ATP水平，氧化应激，糖酵解通量，核糖体的产生)被实现为一个多功能和易于使用的工具箱。在啤酒酵母菌和boullardii酵母菌X染色体保守位点进行无标记高效基因组整合。此外，多个生物传感器被用来同时监测单个细胞内不同的细胞内参数。即使组合在一起，生物传感器也不会显著影响关键的生理参数，如特定的生长速度和产品产量。每个生物传感器的激活和响应以及它们的互连使用先进的微培养系统进行评估。最后，该工具箱用于筛选模拟苛刻工业底物的合成木质纤维素水解物中的细胞行为，揭示实验室(CEN.PK113-7D)和工业(乙醇红)酿酒酵母菌株之间的氧化应激反应差异。总之，该工具箱可将探索酵母多样性和自然和复杂工业条件下的生理反应，以及监测生产过程的可能性。
11. Front Mol Biosci. 2022 Jan 5;8:809945. doi: 10.3389/fmolb.2021.809945. eCollection 2021.
控制合成细胞之间的通信。Controlling Synthetic Cell-Cell Communication.
合成细胞在一个极小的空间里模拟细胞的功能，正在得到广泛的应用，例如在研究细胞通信和作为传递到活细胞的设备。然而，要充分发挥合成细胞的潜力，对其功能的控制至关重要。人们已经开发了一系列工具来控制合成细胞与邻近的合成细胞或活细胞之间的通信。这些工具要么使用化学输入，比如小分子，要么使用物理输入，比如光。在这里，我们检查这些目前控制合成细胞通信的方法，并考虑未来使用的替代机制。
12. Physiol Rev. 2022 Jan 24. doi: 10.1152/physrev.00021.2021.
光生理学:用光遗传学来照明细胞生理学。Optophysiology: Illuminating cell physiology with optogenetics.
光遗传学结合了光和遗传学，使精确控制活细胞、组织和生物体的功能定制。光遗传学具有无创性、快速响应性、可调谐可逆性和优越的时空分辨率等优点。随着微生物视蛋白作为光驱动离子通道的最初发现，大量的自然产生或工程设计的光感受器或光敏域对不同波长的光作出反应，开启了光遗传学的下一章。通过蛋白质工程和合成生物学方法，可以将基因编码的光开关模块工程到蛋白质支架或宿主细胞中，以控制无数的生物过程，并使行为控制和体内疾病干预成为可能。本文根据这些光遗传工具的基本光化学性质，对它们进行了总结，以便更好地了解它们的化学基础和设计原则。我们还强调了无视蛋白光遗传学在解剖细胞生理学(指定为“光生理学”)方面的典型应用，并描述了无线光遗传学目前的进展和未来的趋势，该技术能够以最小的侵入性远程询问生理过程。这篇综述有望在工程下一代光遗传工具和设备方面激发新的想法，从而加速基础和转译研究。
03 基因元件
13. Nat Chem Biol. 2022 Jan 20. doi: 10.1038/s41589-021-00926-z.
合成受体系统的进化。The evolution of synthetic receptor systems.
受体使细胞能够检测、处理和响应周围环境的信息。在过去的20年里，合成生物学家已经将天然受体改造成合成受体。这些技术实现了定制的感知和反应程序，将细胞与细胞外和细胞内线索的交互联系到用户定义的反应。当与信息处理工具相结合时，这些进步使复杂的定制功能的编程成为可能。近年来，合成受体的文库及其功能有了很大的发展——我们在这里用这个词来表示系统的改进和扩展。在这里，我们综述了现有的哺乳动物合成生物学工具箱中的蛋白质受体和信号处理组件，强调了进化和整合一些基础合成受体系统的努力。然后，我们提出了一种用于工程和改进受体系统的广义策略，以满足定义的功能目标，称为“合成受体工程的度量支持方法”(MEASRE)。
04 合成生物学医疗
14. APL Bioeng. 2022 Jan 18;6(1):011502. doi: 10.1063/5.0073746. eCollection 2022 Mar.
工程CAR-T细胞提高有效性和安全性。Engineering CAR T cells for enhanced efficacy and safety.
尽管嵌合抗原受体CAR-T细胞疗法在治疗恶性血液病方面取得了成功，但它仍面临着阻碍其更广泛应用的两个主要挑战:对实体肿瘤的有效性有限和非特异性毒性。为了解决这些问题，研究人员使用合成生物学方法来开发优化策略。在这篇综述中，讨论了CAR和其他非CAR分子的最新进展，旨在提高CAR-T细胞的有效性和安全性。我们还强调了不同类型的可诱导的CAR-T细胞的发展，可以由环境线索和/或外部刺激控制。这些进展使CAR- T治疗更接近于安全和更广泛的应用，特别是对实体肿瘤。
15. ACS Synth Biol. 2022 Jan 25. doi: 10.1021/acssynbio.1c00576.
用合成生物学防治传染病。Combating Infectious Diseases with Synthetic Biology.
在过去的几十年里，世界各地发生了许多次疫情，包括寄生虫、真菌、细菌和病毒感染。传染病的出现速度与防治这些疾病的新战略的发展速度不成比例。因此，开发新的、特异的、敏感的、有效的传染病诊断和治疗方法的需求越来越大。设计的合成系统和设备正成为治疗人类疾病的有力工具。合成生物学的进步为检测和预防传染病提供了高效、准确和经济的平台。在此，我们聚焦于最新的活体治疗和含义。
05 无细胞系统
16. ACS Synth Biol. 2022 Jan 16. doi: 10.1021/acssynbio.1c00448.
差异优化的无细胞缓冲液使无保护线性DNA在外切酶缺陷提取物中鲁棒表达。Differentially Optimized Cell-Free Buffer Enables Robust Expression from Unprotected Linear DNA in Exonuclease-Deficient Extracts.
在无细胞系统中使用线性DNA模板有望加速合成基因线路的原型制作和工程设计。一个关键的挑战是线性模板被细胞提取物中的外切酶迅速降解。目前解决这个问题的方法是添加核酸外切酶抑制剂和DNA结合蛋白来保护线性DNA，这需要额外的时间和资源。在此，我们从大肠杆菌BL21基因组中删除recBCD外切酶基因簇。结果表明，该系统具有专为线性DNA优化的缓冲液，在线性DNA模板中，σ70启动子的表达量接近质粒水平，而无需使用额外的保护策略。在缓冲校准步骤中，当使用线性或质粒DNA模板时，使用线性DNA获得的最佳谷氨酸钾浓度始终低于使用质粒DNA获得的最佳谷氨酸钾浓度。我们在七个不同批次和两个不同实验室的广泛实验条件下证明了外切酶缺陷提取物的稳健性。最后，我们举例说明ΔrecBCD提取物在两种应用中的使用:立足点开关表征和酶筛选。我们的工作为在无细胞系统中使用线性DNA模板提供了一个简单、高效和经济的解决方案，并强调了最终实验设置中专门定制缓冲液组成的重要性。我们的数据也表明，类似的外切酶删除策略可以应用于其他适合于无细胞合成生物学的物种。
17. ACS Synth Biol. 2022 Jan 21;11(1):205-215. doi: 10.1021/acssynbio.1c00376. Epub 2022 Jan 4.
合成细胞群体中无细胞的基因动态表达。Cell-Free Gene Expression Dynamics in Synthetic Cell Populations.
自底向上构建合成细胞群的能力为实现由单个细胞组成的最小活组织提供了基础，该组织可以相互沟通，并将规模过渡到多细胞系统。由合成微米大小的隔间和集成反应网络与数学建模结合而成的工程系统，可以从下至上地促进复杂和多尺度化学系统的设计和构建。为了实现这一目标，我们使用双乳微流控技术生成了单分散脂质体包封细胞自由表达系统(CFESs)的群体，并使用荧光RNA适体和mCherry蛋白报告子对群体中单个合成细胞的转录和翻译动力学进行了量化。通过模型选择，通过基于似然估计的参数估计获得转录和翻译速率参数，利用整体反应中的CFE动力学来测试不同粗粒度资源有限的基因表达模型。选择的模型，然后应用于量化细胞自由基因表达动态群体的合成细胞。结合我们的实验和理论方法，提供了在体积和单分散合成细胞群体中CFE动力学统计上的稳健分析。我们证明，与整体CFE相比，CFESs的区隔化导致了不同的转录和翻译速率，并表明这是由于半透性脂膜，它允许合成细胞和外部环境之间的物质交换。
06 生物材料
18. Biotechnol Adv. 2022 Jan 13:107906. doi: 10.1016/j.biotechadv.2022.107906.
由嗜盐菌和嗜热菌合成聚羟基烷酸酯(PHA):可持续生产微生物生物塑料。Polyhydroxyalkanoates synthesis by halophiles and thermophiles: towards sustainable production of microbial bioplastics.
聚羟基烷酸酯(PHA)是由许多原核生物产生的微生物聚酯。这些材料通常被认为是石化聚合物的可再生和可生物降解的替代品。PHA以胞内颗粒的形式被微生物细胞积累，主要作为储存化合物；然而，最近的大量报道也强调了PHA对细菌应激性的重要性。因此，本文重点综述了嗜盐菌和嗜热菌(分别适应高盐度和高温的原核微生物)PHA积累的研究进展。利用极端微生物生产PHA带来了许多好处，尤其是作为下一代工业生物技术概念的基础，增强了过程对普通中嗜菌群污染的鲁棒性。在此基础上，对PHA生产过程中嗜盐菌和嗜热菌的代谢工程和合成生物学的研究进展进行了总结和展望。本文所收集的事实和观点表明，极端微生物生物技术生产PHA具有可持续性和经济可行性，使PHA大规模进入市场，并在合适的应用领域与不可生物降解的石化聚合物竞争。
19. Front Bioeng Biotechnol. 2022 Jan 7;9:792489. doi: 10.3389/fbioe.2021.792489. eCollection 2021.
核酸骨架在纳米结构和级联生物催化剂构建中的应用:最新进展与展望。Application of Nucleic Acid Frameworks in the Construction of Nanostructures and Cascade Biocatalysts: Recent Progress and Perspective.
核酸是所有生物遗传信息存储和检索的基础，也为我们提供了制造人工纳米结构和支架的优良材料，用于构建在催化各种级联反应方面具有杰出性能的多酶系统，由于它们高度多样化和可控的结构，这是由它们的序列决定的。将非自然分子引入到核酸中极大地增加了核酸序列、结构和性质的多样性，这无疑扩大了制造纳米材料和多酶系统支架的工具箱。本文首先介绍了核酸及其非天然衍生物的分子结构和性质。然后总结了具有代表性的核酸人工纳米材料及其性能、功能和应用。本文综述了近年来以核酸结构为支架的串联生物催化剂多酶系统的研究进展。最后，我们讨论了核酸框架在纳米材料和多酶分子机器构建中的应用方向，并强调了非天然核酸在这一领域的潜在贡献。
07 技术
20. Genome Biol. 2022 Jan 17;23(1):25. doi: 10.1186/s13059-021-02598-3.
DENA:利用拟南芥转录本的纳米孔测序数据，训练一个真实的神经网络模型，用于RNA上N(6)-甲基腺苷的检测和定量。DENA: training an authentic neural network model using Nanopore sequencing data of Arabidopsis transcripts for detection and quantification of N(6)-methyladenosine on RNA.
使用纳米孔直接RNA测序数据建立的模型，这些数据来自体外合成的RNA，所有的腺苷都被n6 -甲基腺苷(m6A)取代，可能由于饱和m6A残基的叠加信号而失真。在这里，我们开发了一个神经网络DENA，利用拟南芥体内转录本的测序数据对m6A进行量化。DENA识别了拟南芥中miCLIP检测到的90%的m6A位点，并在人类中获得了与SCARLET发现的一致的修饰率，证明了其在物种间的鲁棒性。我们利用纳米孔对另外两个缺乏m6A的拟南芥mtb和fip37-4进行转录组测序，并利用DENA对它们的单核苷酸m6A谱进行评估。
文章来源于转化子Transformants ，作者sll1352
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