01
合成生物学与环境
1.Nature. 2025 May 7. doi: 10.1038/s41586-025-08947-7.
工程弧菌产钠剂对复杂有机污染物的生物修复。Bioremediation of complex organic pollutants by engineered Vibrio natriegens.
Su C(#)(1), Cui H(#)(2), Wang W(#)(2), Liu Y(1), Cheng Z(2), Wang C(1), Yang M(2), Qu L(1), Li Y(2), Cai Y(3), He S(2), Zheng J(3), Zhao P(3), Xu P(2), Dai J(4)(5), Tang H(6).
工业废水、石油污染和塑料污染因其毒性、诱变性和持久性,对全球海洋生物安全构成重大威胁。微生物在生物修复中的应用受到有机污染物复杂性和对盐胁迫耐受性有限的限制。在这项研究中,我们使用合成生物学将需钠弧菌改造成一种能够生物修复含盐废水和土壤中复杂有机污染物的菌株。将能力主调节基因tfoX插入到V的1号染色体上。钠素原菌株Vmax和过表达以增强DNA摄取和整合。降解基因簇是在酵母中化学合成和组装的。我们开发了一种基因组工程方法(基于Vmax的迭代自然转化,具有扩增的tfoX效应),将五个基因簇(总共43kb)转移到Vmax中。该工程菌株能够生物修复氯碱厂和炼油厂工业废水样本中的五种有机污染物(联苯、苯酚、萘、二苯并呋喃和甲苯),涵盖从单环到多环化合物的广泛底物范围。
02
细胞工厂
2.Trends Biotechnol. 2025 May 6:S0167-7799(25)00134-9. doi: 10.1016/j.tibtech.2025.04.007.
水溶性维生素的智能生物制造。Intelligent biomanufacturing of water-soluble vitamins.
Song F(1), Zhang H(1), Qin Z(2), Zhou J(3).
鉴于水溶性维生素在人体中的关键作用以及对天然来源的需求不断增长,它们的生物合成引起了研究人员的关注。本综述全面介绍了水溶性维生素生物合成的最新进展,强调了绿色生物制造的合成生物技术。具体而言,它包括生物成分、途径和系统的优化,以及能量代谢调节、胁迫耐受性增强、高通量筛选和生产工艺的升级。它还设想了智能生物制造平台,强调了系统生物学和人工智能(AI)的作用,并提出了未来的研究方向,如整合AI驱动的代谢模型、酶工程和无细胞系统,以解决水溶性维生素生产的效率、毒性和可扩展性方面的局限性。
3.Curr Opin Biotechnol. 2025 May 9;93:103315. doi: 10.1016/j.copbio.2025.103315.
母乳低聚糖合成中的糖基转移酶:结构机制和合理设计。Glycosyltransferases in human milk oligosaccharide synthesis: structural mechanisms and rational design.
Li Y(1), Du G(2), Chen J(3), Lv X(2), Liu L(4).
母乳低聚糖(HMO)通过其多功能生物活性在婴儿健康中起着关键作用。合成生物学的最新进展彻底改变了HMO生物合成的微生物平台,糖基转移酶(GT)成为不可或缺的生物催化工具,推动酶促乳糖糖基化产生多样化的低聚糖。本文系统地分析了GT的结构生物学,通过晶体学研究阐明了保守结构域和催化机制。我们总结了增强GT功能的当代优化策略,包括通过结构指导的合理设计提高溶解度、提高催化效率和底物特异性工程。新兴的深度学习算法在GT修改和从头设计方面展示了变革潜力,为克服工业规模HMO合成的瓶颈提供了创新的解决方案。这些方法为碳水化合物活性酶的精确工程建立了框架。
4.Biotechnol Lett. 2025 May 17;47(3):55. doi: 10.1007/s10529-025-03584-6.
通过细胞形态工程提高酿酒酵母中萜类化合物的产量。Enhancing terpenoid production in Saccharomyces cerevisiae via cell morphology engineering.
Bi K(1)(2), Zuo S(1)(2), Lian J(3)(4), Xu Z(5)(6).
人们对建立酵母作为生产萜类化合物的细胞工厂越来越感兴趣。鉴于许多萜类化合物的疏水性,扩大细胞内储存库是提高滴度的有效策略。在这项研究中,通过敲除EST1和SSN8来增加酵母细胞大小,从而提高了储存能力。然后评估了对番茄红素和7-脱氢胆固醇产生的影响。结果表明,EST1和SSN8缺失分别使番茄红素产量提高了4.27倍和3.45倍,使7-脱氢胆固醇产量提高了1.99倍和1.2倍。这些发现表明,细胞扩增是提高酵母中萜类化合物产量的一种有前景的策略。
5.J Biotechnol. 2025 May 29:S0168-1656(25)00141-5. doi: 10.1016/j.jbiotec.2025.05.017.
代谢工程大肠杆菌从头生产异戊二烯基柚皮素化合物。De novo production of prenylnaringenin compounds by a metabolically engineered Escherichia coli.
Gomes D(1), Rodrigues JL(2), Scrutton NS(3), Rodrigues LR(4).
Prenylnaringenin(PN)化合物,即8-异戊二烯基柚皮素(8-PN)、3'-异戊二烯基柚皮素(3'-PN)和6-异戊二烯基柚木素(6-PN),据报道具有几种有趣的生物活性。本研究旨在验证大肠杆菌从头生产PN的生物合成途径。使用先前优化的能够有效从头生产柚皮素的大肠杆菌底盘来评估11种用于生产PN化合物的异戊二烯基转移酶(PT)。由于PT反应需要焦磷酸二甲基烯丙基酯(DMAPP)作为细胞内可用性有限的扩展底物,因此使用簇状规则间隔短回文重复序列(CRISPR)和CRISPR相关蛋白12a(Cas12a)(CRISPR-Cas12a)构建了10株增强的DMAPP-E大肠杆菌菌株。所有PT与柚皮素生物合成途径结合,在这些菌株中进行了测试。在96孔深孔板中的实验鉴定了12株能够产生PN的大肠杆菌M-PAR-121,其中来自大肠杆菌(EcDXS)的1-脱氧-D-酮糖-5-磷酸合酶(DXS)基因整合到表达来自链霉菌(CloQ)的可溶性芳香PT的基因组的lacZ基因座(大肠杆菌M-PAR-121:EcDXS,并选择柚皮素生物合成途径作为最佳产生菌株。在摇瓶中优化生产培养基后,获得了160.57µM的3'-PN、4.4µM的6-PN和2.66µM的8-PN。然后在生物反应器规模上评估产量,获得397.57µM的3'-PN(135.33mg/L)和25.61µM的6-PN(8.72mg/L)。据我们所知,这项工作是首次使用大肠杆菌作为底盘从头生产PN化合物的报告。
6.Microb Cell Fact. 2025 May 6;24(1):100. doi: 10.1186/s12934-025-02704-1.
红法夫酵母虾青素合成研究进展及趋势。Advances and trends for astaxanthin synthesis in Phaffia rhodozyma.
Sun J(1), Zhang Z(2), Gao L(3), Yang F(4).
Author information: (1)Dalian Polytechnic University, Dalian, 116034, China. (2)Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Innovation Center for Synthetic Biology, No. 32, Xiqi Road, Tianjin Airport Economic Park, Tianjin, 300308, China. (3)Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Innovation Center for Synthetic Biology, No. 32, Xiqi Road, Tianjin Airport Economic Park, Tianjin, 300308, China. gao_l@tib.cas.cn. (4)Dalian Polytechnic University, Dalian, 116034, China. yang_fan@dlpu.edu.cn.
虾青素是一种具有强大抗氧化能力的类胡萝卜素,在保健品、药品和化妆品中具有广阔的应用前景。与化学合成方法相比,虾青素的生物合成无疑是一种更环保、更环保的生产方法。在这篇综述中,我们全面回顾了红法夫酵母中虾青素合成的生物合成途径和多种策略。提高法夫酵母中虾青素产量的一些生物技术进步包括诱变育种、基因改造和优化发酵条件,从而为其在功能性食品和饲料中的应用开辟了新的途径。然而,产物合成的产量受到宿主代谢化学计量的限制。除了打破虾青素生产的门槛和减轻虾青素积累对细胞生长的影响外,全面了解多种相互关联的代谢途径和复杂的调控机制对于显著提高虾青素产量是必不可少的。本文介绍了将数字概念整合到虾青素生产中以帮助克服当前挑战的一些前景。
7.Biotechnol Adv. 2025 Jun 2:108622. doi: 10.1016/j.biotechadv.2025.108622.
工程微生物碳代谢促进可持续资源利用。Engineering microbial carbon metabolism for sustainable resource utilization.
Meng X(1), Gao C(1), Hu G(2), Li X(1), Liu L(1), Wu J(3).
Author information: (1)School of Biotechnology and Key Laboratory of Industrial Biotechnology of Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China. (2)School of Life Sciences and Health Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China. (3)School of Biotechnology and Key Laboratory of Industrial Biotechnology of Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, China; School of Life Sciences and Health Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China. Electronic address: wujing@jiangnan.edu.cn.
对化石资源枯竭的担忧促使我们考虑开发绿色节能资源。化石燃料的一种替代方案是通过代谢工程利用可再生碳源进行化学物质的微生物生物合成。在这篇综述中,我们对通过合成生物学解决利用可持续碳源(包括葡萄糖、木质纤维素和一碳(C1)化合物)的挑战的各种研究工作进行了广泛而高层次的概述。我们强调这些努力可以加速微生物工业应用的发展。此外,我们还讨论了使用多组学测序、机器学习和人工智能来指导菌株工程以提高可持续碳源利用率的前景以及降低其成本的前景。
8.Metab Eng. 2025 Jun 4:S1096-7176(25)00090-4. doi: 10.1016/j.ymben.2025.06.004.
酿酒酵母甾醇合成途径的系统工程促进了β-石竹烯的有效生产。Systematic engineering of the sterol synthesis pathway for Saccharomyces cerevisiae promotes the efficient production of β-caryophyllene.
Zhang Y(1), Liu C(2), Li W(2), Ma Z(3), Lv B(4), Qin L(5), Li C(6).
β-石竹烯是一种植物来源的倍半萜,是一种食品调味料、抗炎剂、抗氧化剂和高能燃料来源。从植物中提取β-石竹烯是一个昂贵且低效的过程。因此,微生物细胞工厂已被用于生产β-石竹烯。然而,有限的产量不足以满足其工业应用。在这项研究中,我们通过系统地调节甾醇合成途径来平衡细胞资源在生长和生产中的利用,以最大限度地合成β-石竹烯。在有关甾醇和脂肪酸合成的竞争途径中,通过分别用葡萄糖传感启动子PHXT1和甾醇合成启动子PERG7替换原始启动子来抑制基因表达。该方法有效地将β-石竹烯的产量提高了6.8倍,达到854.7 mg/L。工程葡萄糖传感途径改变了PHXT1的强度,使β-石竹烯产量增加到1.25 g/L。通过二倍体融合进一步促进了细胞生长和β-石竹烯产量,在补料分批发酵中产生了21.4 g/L的β-石竹烯。这是迄今为止报道的β-石竹烯产量最高的一次。本研究为微生物细胞工厂生产倍半萜提供了有价值的参考。
9.J Agric Food Chem. 2025 Jun 6. doi: 10.1021/acs.jafc.5c01411.
提高酵母中香茅醇产量的系统工程。Systematic Engineering To Enhance Citronellol Production in Yeast.
Gao Q(1)(2), Wang H(1)(2), Shan M(1)(2), Wu F(1)(2), Jiang G(1)(2), Yao M(1)(2), Wang Y(1)(2), Xiao W(1)(3)(2)(4), Yuan YJ(1)(2).
香茅醇是一种典型的无环单萜醇,广泛用于食品工业的香料和调味品,以及农业中的植物源杀菌剂。微生物细胞工厂为高效生产香茅醇提供了一种有前景的绿色可持续方法。前体焦磷酸香叶酯和辅因子NADPH供应不足以及单萜细胞毒性被认为是香茅醇生产的主要瓶颈。基于我们以前的香茅醇过量生产菌株,整合了甲羟戊酸途径(ERG10、ERG13、ERG12、ERG19)和过氧化物酶体定位(ERG8、ERG20ww、tCrGES、CrIS)基因的额外拷贝,用于香茅醇的生物合成,导致香茅醇产量增加1.5倍。此外,戊糖磷酸途径的非氧化途径基因(TAL1和TKL1)的过表达促进了NADPH的供应,导致香茅醇产量增加了16%。内源性转运蛋白的筛选和PDR1的整合将香茅醇的产量提高到3.38 g/L。最终,通过100 L的补料分批发酵,酿酒酵母中获得了10.556 g/L的香茅醇,这是迄今为止酵母中最高的滴度。总之,通过修饰底盘细胞,香茅醇的滴度得到了系统性的提高,这一发现为其他单萜的生物合成提供了指导。
03
基因线路
10.Trends Genet. 2025 May 6:S0168-9525(25)00079-4. doi: 10.1016/j.tig.2025.04.004.
用于细胞事件基因组记录的分子线路。Molecular circuits for genomic recording of cellular events.
Chen W(1), Choi J(2).
Author information: (1)Department of Biochemistry, University of Washington, Seattle, WA 98195, USA. Electronic address: wchen108@uw.edu. (2)Developmental Biology Program, Memorial Sloan Kettering Cancer Center, NY 10065, USA. Electronic address: choij10@mskcc.org.
精确基因组编辑的进展使细胞事件的基因组记录成为可能。自首次展示基于CRISPR的基因组编辑以来,基因组记录领域在谱系记录方面取得了关键进展,细胞之间的克隆谱系关系被间接记录为合成突变。然而,直接记录和重建过去细胞事件的方法仍然有限,它们揭示细胞命运决定新见解的潜力尚未实现。该领域需要新的传感模块和遗传电路架构,将过去的细胞状态忠实地编码到基因组DNA记录中,以实现这些目标。在这里,我们回顾了最近开发的构建各种传感器的策略,并探讨了新兴的合成生物学工具如何帮助构建分子线路,用于记录各种细胞事件的基因组。
11.ACS Synth Biol. 2025 May 6. doi: 10.1021/acssynbio.5c00044.
一种用于大肠杆菌基因表达控制的稳健正交远红光传感器。A Robust and Orthogonal Far-Red Light Sensor for Gene Expression Control in Escherichia coli.
Sun Y(1), Xu M(1), Wang B(1), Xia C(1), He Z(1), Lu B(1), Cui J(1), Liao Q(1), Xu Q(1), Gan F(1).
Author information: (1)State Key Laboratory of Metabolism and Regulation in Complex Organisms, Hubei Key Laboratory of Cell Homeostasis, College of Life Sciences, TaiKang Center for Life and Medical Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China.
光遗传学因其非侵入性和精确的时空控制而成为调节细胞过程的有力工具。远红光(FRL)因其低毒性和高组织穿透性,越来越多地用于哺乳动物细胞的光遗传控制。然而,细菌中缺乏稳健和正交的FRL传感器。在这里,我们基于调节蓝藻中远红光光气候(FaRLiP)的RfpA-RfpC-RfpB(RfpABC)信号系统,在大肠杆菌中建立了一个最大动态范围超过230倍的正交FRL传感器。我们在Chl-f合酶基因的启动子序列和FaRLiP基因簇中的其他基因中鉴定了一个保守的DNA基序,称为远红光调节(FLR)基序,它通过与RfpB的相互作用实现了基因表达的光响应激活。基于FLR基序,我们简化了含FLR的启动子,并表征了它们的激活能力和动态范围,可用于不同的合成生物学场景。此外,一个或两个FLR基序存在于FaRLiP基因簇内的其他位点,提供了进一步的FRL诱导型启动子资源。FRL传感器在低强度FRL和白光下分别表现出有效的激活和抑制,并在黑暗中保持功能。总之,本研究深化了对蓝藻中FaRLiP调控机制的理解,并为合成生物学应用提供了稳健和正交的FRL传感器。
12.Metab Eng. 2025 May 10:S1096-7176(25)00076-X. doi: 10.1016/j.ymben.2025.04.012.
使用CO气体传感转录ON/OFF模块对产乙酰细菌进行代谢工程。Metabolic engineering of acetogenic bacteria using CO gas-sensing transcriptional ON/OFF modules.
Jin S(1), Ganesh I(2), Bae J(3), Lee D(3), Kang S(3), Lee H(3), Lee JW(4), Cho BK(5).
由于缺乏合适的生物传感器,活微生物细胞中有毒一氧化碳(CO)等气体底物的动态传感往往受到限制。在这里,我们将CO结合转录激活剂CooA和RcoM1与O2非依赖性荧光报告系统Halo标签集成在一起,开发了能够检测严格厌氧产乙酸细菌Eubacterium limosum中CO浓度的CO传感模块(ON/OFF)。此外,我们采用CooA作为CO传感ON模块来激活2,3-丁二醇(2,3-BDO)生物合成的靶基因,使2,3-BDO产量提高了1.7倍。这些结果表明,CO-ON模块有效地将碳通量重新导向乙酰基中的目标产物生物合成途径。然而,在CO气体与葡萄糖混合营养发酵过程中,乳酸是主要产物。为了使用CO-ON模块增强靶通路通量,我们使用CRISPR/Cas9删除了柠檬酸杆菌中的乳酸通路。在CO感应培养条件下,所得到的工程菌株在2,3-BDO生产中的碳利用率提高了18.5%。该优化的平台菌株随后在两阶段CO-葡萄糖混合营养发酵过程中产生了约52g/L的2,3-BDO。我们的研究结果为工程代谢途径提供了正交CO传感转录调控模块,这些代谢途径使用产乙酰生物催化剂有效地将CO转化为增值生化物质。
13.Nat Commun. 2025 May 2;16(1):4106. doi: 10.1038/s41467-025-58994-x.
用于动态调节未折叠蛋白质反应的反馈反应细胞工厂。Feedback-responsive cell factories for dynamic modulation of the unfolded protein response.
Barrios D(1), Bachhav B(2), Carlos-Alcalde W(3), Llanos CD(4), Zhou W(1), Segatori L(5)(6)(7).
设计支持大量蛋白质治疗剂生产的细胞工厂仍然是一个重大的生物制造挑战。分泌蛋白的过表达会导致蛋白毒性应激,影响细胞活力和蛋白质产量。蛋白质毒性应激导致未折叠蛋白反应(UPR)的激活,UPR是一系列调节蛋白质质量控制机制的信号转导途径,旨在恢复体内平衡。持续的UPR激活最终导致细胞凋亡。目前增强治疗性蛋白质生产的策略主要集中在普遍定期审议关键成分的失调调节上。这些策略导致了有限的、通常是蛋白质特异性的改善,因为它们可能导致适应和细胞毒性,并且没有考虑到自然种群的异质性。我们在这里报告了反馈反应细胞工厂,它们感知蛋白毒性应激,并作为反应调节UPR,以增强应激衰减和延迟细胞死亡,解决了当前策略的局限性。我们证明,我们的细胞工程方法能够在蛋白质毒性应激下动态调节UPR。介导动态UPR调节的感觉和反应系统增强了治疗性酶组织纤溶酶原激活物和双特异性抗体blinatumomab的产生。我们的反馈响应细胞工厂提供了一种创新策略,用于动态调整先天细胞应激反应和增强治疗性蛋白质的制造。
04
微生物组学
14.Bioresour Technol. 2025 May 5:132620. doi: 10.1016/j.biortech.2025.132620.
中国白酒发酵过程的微生物组目录和动力学。Microbiome catalog and dynamics of the Chinese liquor fermentation process.
Zhu X(1), Chen L(2), Yang P(3), Luo S(4), Teng M(4), Zhu W(3), Li Y(3), Zhao D(3), Wang N(3), Chen X(3), Cheng M(3), Tu H(4), Huang W(5), Yang F(6), Wang L(7), Liu X(8), Ning K(9).
发酵食品仍然知之甚少,主要是由于对食品发酵中的微生物缺乏了解。在这里,本研究构建了茅台发酵谷物目录(MTFGC),这是一种由最复杂的发酵方式之一发酵的代表性白酒。MTFGC包含8379551个非冗余基因和5159个宏基因组组装基因组,其中20%的物种和20%的基因是新的。此外,还鉴定出25625个生物合成基因簇(BGC)和28个富含BGC的物种。此外,微生物群落的组装是确定的,在早期发酵阶段物种和基因发生了显著变化,而在后期则趋于稳定。进一步的BGC敲除实验证实,富含BGC的地衣芽孢杆菌利用其BGC合成了与香气相关的脂肽地衣素。这项研究建立了最大的发酵食品遗传资源,揭示了其独特性和高代谢潜力。这些发现促进了食品系统从传统发酵向精确驱动的合成生物学的过渡潜力。
05
合成生物学技术
15.ACS Synth Biol. 2025 May 7. doi: 10.1021/acssynbio.4c00812.
基于酵母的多基因文库,在生物基础工作流程中通过同源重组自动构建。Automated Construction of a Yeast-Based Multigene Library via Homologous Recombination in a Biofoundry Workflow.
Seong MJ(1)(2), Yoon YR(1), Kwon KK(1)(2), Kim H(1)(2)(3), Lee SG(1)(2)(3), Shin J(1), Lee DH(1)(2)(3)(4).
长期以来,通过多基因组装有效构建代谢途径一直受到传统克隆技术局限性的限制,因此需要在基因组装方法上取得突破。值得注意的是,已经开发了各种体外基因组装方法来简化表达可调文库的构建。然而,体外基因组装需要繁琐的多步构建过程,使其耗时耗力。因此,在这项研究中,我们开发了一种基于体内同源重组构建表达可调文库的自动化一步多基因组装方法。我们优化了穿梭载体用于体内同源重组,以提高组装效率。我们还缩小了高通量基因组装的整个组装方法。最后,所开发的方法展示了在生物基础中构建表达可调的多基因库。因此,本研究为合成生物学中的并行和高通量基因工程提供了一种通用的策略。
16.Nat Commun. 2025 May 10;16(1):4363. doi: 10.1038/s41467-025-59471-1.
为膜蛋白合成设计人工环境。Designer artificial environments for membrane protein synthesis.
Meyer C(#)(1), Arizzi A(#)(1), Henson T(1)(2)(3), Aviran S(1)(4), Longo ML(5), Wang A(1)(2)(3), Tan C(6).
天然细胞中的蛋白质合成涉及化学环境、蛋白质相互作用和蛋白质机制之间的复杂相互作用。在人工和无细胞环境中复制这种相互作用可以控制蛋白质合成的精度,阐明复杂的细胞机制,创造合成细胞,并发现新的治疗方法。然而,由于化学-蛋白质-脂质相互作用的定义不明确,创造人工合成环境,特别是膜蛋白的合成环境是具有挑战性的。在这里,我们介绍MEMPLEX(膜蛋白学习和表达),它利用机器学习和荧光报告器快速设计膜蛋白的人工合成环境。MEMPLEX产生超过20000种不同的人工化学蛋白质环境,涵盖28种膜蛋白。它捕捉了脂质类型、化学环境、伴侣蛋白和蛋白质结构对膜蛋白合成的相互依存的影响。因此,MEMPLEX创造了新的人工环境,成功合成了人们广泛关注但以前难以处理的膜蛋白。此外,我们确定了一种基于膜接触氨基酸疏水性的定量指标,用于预测人工环境中的膜蛋白合成。我们的工作使其他人能够使用人工化学蛋白质环境的预测生成来快速研究和解决“暗”蛋白质组。此外,这些结果代表了人工智能引导的方法在为蛋白质合成创造合成环境方面的新前沿。
17.Biotechnol Adv. 2025 May 12;82:108603. doi: 10.1016/j.biotechadv.2025.108603.
人工智能驱动的从头酶设计:策略、应用和未来前景。AI-driven de novo enzyme design: Strategies, applications, and future prospects.
Cui XC(1), Zheng Y(1), Liu Y(2), Yuchi Z(3), Yuan YJ(4).
酶在生物过程和各行各业的各种应用中都是不可或缺的。尽管自上而下的修饰策略,如定向进化,在优化现有酶方面取得了显著成功,但自下而上的从头开始酶设计已成为一种变革性的方法,用于设计具有定制催化功能的新型酶,独立于天然模板。人工智能(AI)和计算能力的最新进展显著加速了这一领域的发展,使酶工程取得了突破。这些技术有助于快速生成针对特定功能优化的酶结构和氨基酸序列,从而提高设计效率。它们还支持功能验证和活性优化,提高了从头设计的酶的催化性能、稳定性和鲁棒性。本综述重点介绍了人工智能驱动的从头酶设计的最新进展,讨论了验证和优化策略,并探讨了将这些技术整合到酶开发中的挑战和未来前景。
18.Biotechnol Adv. 2025 May 12;82:108602. doi: 10.1016/j.biotechadv.2025.108602.
蛋白酶工程:方法、工具和新兴趋势。Protease engineering: Approaches, tools, and emerging trends.
Martinusen SG(1), Nelson SE(1), Slaton EW(1), Long LF(1), Pho R(1), Ajayebi S(1), Denard CA(2).
Author information: (1)Department of Chemical Engineering, University of Florida, Gainesville 32611, USA. (2)Department of Chemical Engineering, University of Florida, Gainesville 32611, USA; UF Health Cancer Center, University of Florida, Gainesville, 32611, USA. Electronic address: cdenard@ufl.edu.
具有定制底物特异性和活性的工程蛋白酶可以在生物医学、基于质谱的蛋白质组学以及化学和合成生物学中实现广泛和创新的应用。本综述对定向进化和高通量策略进行了权威、专题和详细的描述和讨论,这些策略旨在设计大肠杆菌、酵母、噬菌体和无细胞系统中蛋白酶的底物特异性。其次,我们讨论了新兴的蛋白酶工程策略,这些策略补充了定向进化,包括实现邻近催化的抗体-蛋白酶融合,以及由外源蛋白质相互作用驱动的蛋白酶-底物特异性转换。最后,我们讨论了工程分裂和自抑制蛋白酶的原理,这是蛋白质回路中的关键信号处理模块。总的来说,读者将对蛋白酶工程的最新进展有一个有价值的了解,重点是能够精确控制蛋白酶活性和特异性的方法和策略。
19.Appl Biochem Biotechnol. 2025 May 21. doi: 10.1007/s12010-025-05260-x.
机器学习增强微生物细胞工厂:全面综述。Machine Learning Empowering Microbial Cell Factory: A Comprehensive Review.
Kong D(1), Qian J(2), Gao C(3), Wang Y(4), Shi T(5)(6), Ye C(7)(8).
机器学习的广泛应用为生物制造提供了更多的可能性,机器学习与合成生物学技术的结合点燃了更加灿烂的火花,为微生物细胞工厂的升级创造了不可预测的价值。该综述深入探讨了机器学习和合成生物学之间的协同作用,以创建值得在生物技术领域进行研究的研究。我们探索了相关的数据库、工具箱和机器学习衍生模型。此外,我们还研究了这种组合方法在化学生产、人类健康和环境修复中的具体应用。通过阐明这些成功的整合,本综述旨在为生物制造和人工智能交叉领域的未来研究提供有价值的指导。
20.Cell Rep. 2025 May 17;44(6):115715. doi: 10.1016/j.celrep.2025.115715.
植物天然产物途径阐明的系统和合成生物学。Systems and synthetic biology for plant natural product pathway elucidation.
Qin K(1), Liu F(1), Zhang C(2), Deng R(2), Fernie AR(3), Zhang Y(4).
植物是药用化合物的主要储存库之一,是传统医学和现代医学的基石。然而,尽管它们很重要,但许多植物衍生化合物的复杂生物合成途径仍然只有部分了解,阻碍了它们在治疗应用中的全部潜力。本文综述了用于植物代谢途径表征和工程的系统和合成生物学的进展。我们讨论了各种策略,如(1)共表达分析,(2)基因簇鉴定,(3)代谢物分析,(4)深度学习方法,(5)全基因组关联研究,以及(6)蛋白质复合物鉴定。通过对几种生物合成途径的案例研究,我们强调了如何应用这些方法来解开复杂的途径并提高重要天然产物的产量。最后,我们讨论了代谢工程背景下的未来方向,包括代谢工程、人工智能集成和可持续生产策略,强调了植物天然产物更便宜、更环保生产的潜力。
06
合成生物学材料
21.3D Print Addit Manuf. 2025 Apr 14;12(2):155-168. doi: 10.1089/3dp.2024.0004. eCollection 2025 Apr.
使用打印可响应性生物材料进行设计:综述。Designing with Printed Responsive Biomaterials: A Review.
Mogas-Soldevila L(1), Zolotovsky K(2).
Author information: (1)DumoLab Research, Department of Graduate Architecture, Stuart Weitzman School of Design, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA. (2)Department of Art and Design & Chemistry and Chemical Biology, Boston Campus, Northeastern University Boston, Massachusetts, USA.
本综述探讨了跨学科的增材制造(AM)策略,用于设计响应性生物材料,并提出了如何将印刷的响应性生物技术(PRB)集成到日常物品和建筑物中以增强环境和人类健康的愿景。生物材料科学、生物材料制造、合成生物学、生物医学工程、生物设计和生活建筑的进步正在迎来一个以日常产品和建筑环境中的多感官互动为特征的新时代。最近研究中开发的材料系统展示了通过生物、化学或物理过程与环境相互作用的能力,产生了日常产品中所需的功能。这些包括自我修复、健康诊断、病原体中和、可调节硬度、应变检测、威胁可视化、变形、毒素捕获、压力校正、废物处理和能量产生。在这里,我们回顾了使用生物聚合物复合材料、电化学和电阻器件、活性分子、生物传感器、活细胞、孢子或无细胞位点的生物基环境交互材料的AM示例,从而形成遗传活性、物理和化学交互系统。我们强调了它们的稳健性,并评估了它们在地球及其他地区扩展到设计和架构的潜力。
22.Biotechnol Adv. 2025 May 10:108589. doi: 10.1016/j.biotechadv.2025.108589
聚酯衍生单体作为微生物原料:探索聚酯升级回收的前景。Polyester-derived monomers as microbial feedstocks: Navigating the landscape of polyester upcycling.
Foka K(1), Ferousi C(2), Topakas E(3).
自20世纪初大规模采用以来,塑料已成为现代生活中不可或缺的一部分。然而,处置和回收方法不足导致了严重的环境后果。虽然传统的报废塑料管理主要依赖于填埋,但20世纪70年代出现了向回收和价值化的范式转变,引起各种主要是机械化学回收策略的发展,以及最近的生物解聚和升级回收方法。塑料升级回收,将塑料废物转化为更高价值的产品,作为一种减少环境影响和对原始材料依赖的可持续战略,正受到越来越多的关注。微生物塑料的上循环依赖于高效的解聚方法来产生单体底物,随后被天然或工程微生物系统代谢,产生有价值的生物制品。本文重点介绍微生物聚酯上循环的第二阶段,研究使聚酯衍生单体同化和生物转化为工业相关化合物的细胞内代谢途径。考虑了具有商业意义的可生物降解和不可生物降解聚酯,重点是纯单体原料,以阐明细胞内碳同化途径。了解这些代谢过程为未来的代谢工程工作奠定了基础,旨在优化微生物系统,将混合的塑料水解产物有效地生物转化为有价值的生物制品。
07
合成生物学医疗
23.Front Immunol. 2025 Apr 16;16:1545270. doi: 10.3389/fimmu.2025.1545270. eCollection 2025.
SynNotch CAR-T细胞,当合成生物学和免疫学再次相遇时。SynNotch CAR-T cell, when synthetic biology and immunology meet again.
Shirzadian M(1), Moori S(2), Rabbani R(3), Rahbarizadeh F(2).
Author information: (1)Department of Molecular Genetics, Faculty of Biological Sciences, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran. (2)Department of Medical Biotechnology, Faculty of Medical Sciences, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran. (3)Department of Stem Cell Technology and Tissue Engineering, Faculty of Interdisciplinary Science and Technology, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
癌症免疫疗法已通过嵌合抗原受体(CAR)T细胞治疗转化,在血液系统恶性肿瘤中显示出突破性的结果。然而,由于免疫逃逸、肿瘤异质性和脱靶效应引起的安全问题,其在实体瘤中的应用仍然是一个巨大的挑战。该领域的一项长期努力是开发合成受体,以创建新的信号通路并重新连接免疫细胞,用于癌症细胞的特异性靶向,特别是在基于细胞的免疫疗法中。随着合成Notch(synNotch)受体的引入,该领域发生了范式转变,它提供了一个模仿天然受体-配体相互作用的高度通用的信号平台。通过充当分子逻辑门,synNotch受体能够精确、多抗原地调节T细胞活化,为增强特异性和控制铺平了道路。本综述探讨了synNotch系统与CAR-T细胞疗法的革命性整合,强调了克服传统方法固有局限性的前沿策略。我们深入研究了synNotch受体设计的机制,重点研究了它们通过时空控制的基因表达区分癌细胞和正常细胞的能力。此外,我们强调了最近在提高治疗实体瘤的疗效、安全性和适应性方面取得的进展。这项研究强调了基于synNotch-based CAR-T细胞通过解决当前的挑战和揭示未来潜在的途径来转变癌症靶向治疗领域的潜力。
08
其他应用
24.J Am Chem Soc. 2025 May 13. doi: 10.1021/jacs.4c18537.
抗冻肽的精确从头设计原理。Precise de novo Design Principle of Antifreeze Peptides.
Zhang X(1)(2), Yang J(1)(2), Tian Y(3), Zhang L(1)(2)(4).
由于抗冻肽(AFPT)的活性结构尚未明确,从头设计AFPT是一项艰巨的挑战。在这里,我们描述了AFPT从头设计的“位点到距离”原则,以了解它们的结构-活性关系。第一步是将E点(被确定为最有效的冰结合位点(IBS),其结合能至少是天然IBS的4倍)插入候选骨架。第二步,基于IBS(E),是依靠新建立的低温AFPT结构预测平台,明智地调整位点的距离,以匹配冰晶晶格的有利数量,实现最强的冰结合。由此产生的AFPT显示出单晶生长速率的大幅降低,远优于>100个天然或设计的AFPT,包括所有已报道的AFPT。治疗细胞的冷冻保存进一步证实了这一设计原理的准确性。
09
合成生物学底盘
25.Biotechnol Adv. 2025 May 6;82:108593. doi: 10.1016/j.biotechadv.2025.108593.
技术进步推动Komagataella phaffii成为下一代可持续生物制造平台。Technological advancement spurs Komagataella phaffii as a next-generation platform for sustainable biomanufacturing.
Gao L(1), Yuan J(2), Hong K(2), Ma NL(3), Liu S(4), Wu X(5).
生物制造是可持续工业发展的基石,需要转向非食品碳原料,以缓解农业资源竞争,推进循环生物经济。甲醇是一种可再生的单碳底物,由于其丰富性、成本效益和高减排潜力,已成为一种关键的候选者,并得到了CO突破的进一步支持₂ 基于氢化的合成。利用这一势头,甲基营养酵母Komagataella phaffii经历了革命性的技术升级,从传统的蛋白质表达主力演变为智能生物生产底盘。这种范式转变从根本上是由K.phaffii的CRISPR技术在基因组编辑和人工智能代谢途径设计方面的融合创新推动的。CRISPR系统与液滴微流体高通量筛选的整合重新定义了菌株工程效率,实现了比传统同源重组更高的编辑精度,同时压缩了“设计-构建-测试-学习”周期。同时,机器学习增强的基因组规模代谢模型促进了动态通量平衡,从而能够同时提高产品滴度、碳产量和体积生产率。最后,技术进步促进了K.phaffii的应用,包括更有效地将代谢通量导向营养产品,并加强排泄蛋白质的有效合成。随着DNA合成自动化和机器人实验平台的成熟,基因组修饰、辅因子工程和人工智能引导的自主进化方面的下一代突破将进一步巩固K.phaffii作为下一代全球制造范式脱碳平台的地位。这一技术轨迹将甲醇基生物制造定位为低碳循环经济的基石。
26.Trends Biotechnol. 2025 May 19:S0167-7799(25)00133-7. doi: 10.1016/j.tibtech.2025.04.006.
假设的超级蓝细菌是什么样子的?What would a hypothetical supercyanobacterium look like?
Pencik O(1), Kolackova M(2), Molnarova K(2), Huska D(3).
在过去的二十年里,分子和微生物方法的进步扩大了生物技术中使用的微生物的范围。其中,光合细菌,尤其是蓝细菌,因其在应对气候变化和生产生物制药方面的潜力而受到关注。虽然大肠杆菌和枯草芽孢杆菌等传统菌株在该领域占主导地位,但蓝细菌具有独特的特征,既带来了挑战,也带来了机遇,例如与光合作用和碳固定、蛋白质分选和分泌相关的复杂基因调控,以及建立新型共生伙伴关系的能力。本文重点介绍了工程蓝细菌的关键发展,并概述了未来“超级蓝细菌”的愿景,该细菌结合了当前菌株的最佳特性,为异养生物技术开辟了新的可能性。
27.J Agric Food Chem. 2025 Jun 3. doi: 10.1021/acs.jafc.5c03140.
CRISPR-Cas系统介导的芽孢杆菌基因改造:现状和未来。CRISPR-Cas System-Mediated Genetic Modification in Bacillus spp.: Current Status and Future.
Wu JL(1), Zheng SS(1), Wang L(1), Xiang X(1), Li F(1), Lv ML(1), Wu Q(1)(2), Huang ZX(1)(2), Miao HB(1)(2).
Author information: (1)School of Life Science, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China. (2)Key Laboratory of Yunnan for Biomass Energy and Biotechnology of Environment, Kunming 650500, China.
芽孢杆菌是近年来显示出巨大发展潜力的一组革兰氏阳性细菌。它能够利用低成本的底物生产各种高附加值的化合物,使其广泛应用于饲料、制药和食品等领域。簇状规则间隔短回文重复序列(CRISPR)-CRISPR相关(Cas)系统介导的基因修饰被认为是最有效的技术之一。将该技术应用于芽孢杆菌的遗传改良,大大提高了这些菌株的生产性能。在这篇综述中,我们总结了应用于芽孢杆菌的各种CRISPR-Cas系统,特别侧重于系统地概述在这些细菌中实施CRISPR-Cas-介导的基因修饰的策略。值得注意的是,同源重组是最广泛使用的策略,而碱基编辑正成为一种新颖而精确的方法。此外,我们还讨论了表达调控策略在建立芽孢杆菌作为细胞工厂中的重要性。最后,我们提出了应对当前技术挑战的潜在解决方案,为开发高性能转基因芽孢杆菌生产菌株提供了见解。
28.Nat Chem Biol. 2025 May 28. doi: 10.1038/s41589-025-01914-3.
为异黄酮生产而工程化植物底盘中的大豆抗毒素生物合成。Glyceollin biosynthesis in a plant chassis engineered for isoflavone production.
Xie J(#)(1), Tian J(#)(1), Khan S(1), Chen F(1), Yu J(1), Hao Y(1)(2), Xiong HM(3), Zhang F(4), Zhou Q(1), Zhu GY(3), Huang AC(5).
大豆抗毒素(Glyceollins)是作物大豆(Glycine max)产生的结构复杂的强效抗菌异黄酮植物抗毒素,但它们的生物合成仍然难以捉摸,因此无法进行基于合成生物学的生产和工程进一步开发。在这里,通过整合协同工程策略,我们成功地重新连接了烟草叶中的代谢通量,以高产生产异黄酮前体大豆抗毒素(7.04 g kg-1干重(dw)),可以有效筛选和鉴定六种细胞色素P450单加氧酶,即大豆抗毒素合酶,它们提供吡喃/呋喃酮E环并完成不同大豆抗毒素的15步生物合成途径。我们确定纯化的大豆抗毒素对植物防御很重要,因为它们可以在体外有效抑制大豆疫霉的生长。我们的工程植物底盘可以很容易地获得生物活性异黄酮,这表现在大豆抗毒素的从头总生物合成上(例如,I、II、III和VII高达5.9 g kg-1,干重)和美迪紫檀素medicarpin(0.72克 kg-1、dw)增强抗病性和药用价值。
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合成生物学与计算/AI
29.Metab Eng. 2025 Jun 1:S1096-7176(25)00085-0. doi: 10.1016/j.ymben.2025.05.009.
利用酶热优化改进代谢工程设计。Improving metabolic engineering design with enzyme-thermo optimization.
Xu W(1), Cai J(2), Wu W(1), Yuan Q(3), Mao Z(3), Ma H(4).
代谢目标和策略设计在增强代谢工程中的DBTL(设计-构建-测试-学习)循环中起着至关重要的作用。经典的化学计量算法,如OptForceMust和FSEOF,缩小了实验搜索空间,但未能考虑热力学可行性和酶的使用成本,为其预测性能留下了空间。在这项研究中,我们引入了ET-OptME,这是一个整合了两种算法的框架,将酶效率和热力学可行性约束系统地纳入基因组尺度代谢模型。通过逐步约束分层方法缓解热力学瓶颈和优化酶的使用,与实验记录相比,ET-OptME提供了更符合生理现实的干预策略。对谷氨酸棒杆菌模型中五个产物靶标的定量评估表明,与化学计量法、热力学约束法和酶约束算法相比,该算法的最小精度分别提高了至少292%、161%和70%,准确度分别提高了106%、97%和47%。
30.Acc Chem Res. 2025 Jun 3. doi: 10.1021/acs.accounts.0c00594.
人工智能驱动的抗菌肽发现:挖掘和生成。AI-Driven Antimicrobial Peptide Discovery: Mining and Generation.
Szymczak P(1), Zarzecki W(2)(3), Wang J(4), Duan Y(5), Wang J(4), Coelho LP(6)(7), de la Fuente-Nunez C(8)(9)(10)(11), Szczurek E(1)(2).
抗生素耐药性(AMR)的威胁不断升级,构成了一场重大的全球健康危机,到2050年可能超过癌症成为主要死亡原因。传统的抗生素发现方法已经跟不上病原体快速发展的耐药机制,这突显了对新治疗策略的迫切需求。在这种情况下,抗菌肽(AMP)代表了一种有前景的治疗方法,因为与经典的小分子抗生素相比,它们对细菌具有选择性,并且诱导耐药性较慢。然而,由于巨大的组合序列空间以及需要平衡疗效和低毒性,设计有效的AMP仍然具有挑战性。对于致力于开发下一代抗菌剂的化学家和研究人员来说,解决这个问题至关重要。人工智能(AI)为AMP发现带来了革命性的强大工具。通过利用人工智能,我们可以更有效地导航巨大的序列空间,识别具有最佳治疗特性的肽。本账户探讨了人工智能在AMP发现中的新兴应用,重点关注两种主要策略:AMP挖掘和AMP生成,以及将判别方法用作有价值的工具箱。AMP挖掘涉及扫描生物序列以识别潜在的AMP。然后使用判别模型来预测这些肽的活性和毒性。这种方法成功地确定了许多有前景的候选者,随后进行了实验验证,证明了人工智能在AMP设计和发现中的潜力。另一方面,AMP生成通过生成建模从现有数据中学习来创建新的肽序列。这类模型针对所需的特性进行了优化,例如增加活性和降低毒性,有可能产生超过天然肽的合成肽。尽管存在产生不切实际序列的风险,但生成模型有望加速发现高效、高度新颖和多样化的AMP。在本报告中,我们描述了这些基于人工智能的方法的技术挑战和进步。我们讨论了整合各种数据源的重要性以及先进算法在优化肽预测中的作用。此外,我们强调了人工智能的未来潜力,不仅可以加快发现过程,还可以发现具有前所未有特性的肽,为下一代抗菌疗法铺平道路。总之,人工智能和AMP发现之间的协同作用为对抗AMR开辟了新的领域。通过利用人工智能的力量,我们可以设计出既高效又安全的新型肽,为AMR不再是迫在眉睫的威胁的未来带来希望。我们的论文强调了人工智能在药物发现中的变革潜力,主张将其继续整合到生物医学研究中。
011
人造生命
31.ACS Synth Biol. 2025 Jun 2. doi: 10.1021/acssynbio.5c00159. Online ahead of print.
第四届最小细胞研讨会会议记录:探索JCVI最小细胞基础见解和综合应用。Meeting Proceedings from 4th Minimal Cell Workshop: Exploring JCVI Minimal Cell Fundamental Insights and Integrative Applications.
Seidel ZP(1), Kumar R(1), Conroy Araujo MM(1)(2)(3), Glass SA(1), Rodriguez R(1), Goshia T(1), Glass JI(1).
由J.Craig Venter研究所(JCVI)主办的年度最小细胞研讨会是一个国际虚拟研讨会,汇集了80多个学术、工业和政府实验室。研究人员使用JCVI的最小细菌细胞平台来探索细胞生命的原理并整合新的化学途径。自2016年创建以来,该平台促进了全球合作。第四次研讨会有26场关于正在进行的最小细胞株研究的讲座,包括JCVI-syn1.0、JCVI-syn 3.0、JCVI-syn3A和JCVI-syne3B。主题包括创新的成像技术,如超分辨率显微镜和冷冻断层扫描、DNA复制分析和最小细胞分裂。还讨论了ATP合成的新方法和月光蛋白的作用。JCVI-syn3B的应用探索了其在理解持久性病原体和作为抗癌治疗药物方面的潜力。研讨会鼓励分享细胞培养和基因操作技术,促进合作,推进开发基因组规模算法以理解和操纵细胞功能的努力。
32.Annu Rev Chem Biomol Eng. 2025 Jun;16(1):409-432. doi: 10.1146/annurev-chembioeng-100722-104442.
生物细胞中的物质/生命联系。The Matter/Life Nexus in Biological Cells.
Sivasankar VS(1), Zia RN(1).
Author information: (1)Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Missouri, Columbia, Missouri, USA; email: rzia@missouri.edu.
寻找无生命物质与生物的区别始于古代,当时是寻找一种嵌入生物深处的基本生命力——一种只有生命拥有的特殊物质单位——后来转变为更谨慎地寻找将无生命物质转化为可以繁殖、适应和生存的独特功能增益。亚里士多德关于物质/生命区别的思想和活力哲学的生命力一直持续到科学革命,直到19世纪被巴斯德和布朗揭穿。对原子现实的接受和对生命遗传、进化和繁殖独特性的理解导致了中心教条的形成。技术发展以惊人的速度催生了结构生物学、系统生物学和合成生物学,并寻求复制和合成将物质转化为生命的功能增益。然而,人们仍然无法从其原子和分子成分中重新构建活细胞,用理查德·费曼的话来说,“我无法创造的东西,我不理解”。在过去的二十年里,对旧观念的新认识——空间组织和划分——使布朗和流动物理学重新受到关注。在这篇文章中,我们探讨了过去十年的实验和计算进步如何将物理学和细胞生物化学之间的深度耦合结合起来,以阐明物质/生命的关系。全细胞建模和合成提供了有前景的新见解,可能会揭示细胞在水汪汪、拥挤的环境中的这种联系。
011
合成生物学与农业
33.Trends Biotechnol. 2025 May 28:S0167-7799(25)00165-9. doi: 10.1016/j.tibtech.2025.04.020.
在植物内建立功能性固氮酶活性。Towards establishing functional nitrogenase activities within plants.
Liu F(1), Zhao Z(2), Fernie AR(3), Zhang Y(4).
由固氮酶催化的生物固氮可以转化大气中的氮₂ 进入NH₃ 用于植物生长。豆科植物与固氮细菌形成共生关系,但非豆科植物依赖于过量的氮肥。在非豆科植物中改造固氮酶的努力面临着重大挑战,包括氧敏感性、金属簇组装复杂性和高能量需求。尽管如此,合成生物学和人工智能(AI)驱动的设计的进步——如大肠杆菌和酵母中部分固氮酶的重建——提供了有前景的解决方案。在低氧条件下改造酵母线粒体中的固氮酶也有助于规避氧气限制。完全克服能源成本和对氮水平做出反应的反馈回路可以生产出固氮作物,改变可持续农业,确保全球粮食安全。这些突破将减少对肥料的依赖,减少污染,并稳定不同农业系统的产量。