01
合成生物学与AI
1.Nat Commun. 2025 Mar 19;16(1):2720. doi: 10.1038/s41467-025-58139-0.
AI 驱动的无细胞基因表达高通量液滴筛选。AI-driven high-throughput droplet screening of cell-free gene expression.
Zhu J(#)(1), Meng Y(#)(1), Gao W(#)(1), Yang S(1), Zhu W(1), Ji X(1), Zhai X(1), Liu WQ(1), Luo Y(2), Ling S(3)(4)(5)(6), Li J(7)(8)(9), Liu Y(10)(11)(12).
无细胞基因表达（CFE）系统能够使用粗细胞提取物进行转录和翻译，通过消除维持活细胞的需要，为合成生物学提供了一个多功能平台。然而，由于维持生物催化效率需要许多额外的组分，这种系统受到繁琐的组成、高成本和有限产量的限制。在这里，我们介绍DropAI，这是一种基于液滴、人工智能驱动的筛选策略，旨在优化CFE系统，实现高通量和经济效益。DropAI利用微流体产生皮升反应器，并利用荧光颜色编码系统来处理和筛选大量化学组合。液滴内筛选得到了计算机优化的补充，实验结果训练了一个机器学习模型来估计成分的贡献并预测高产组合。通过应用DropAI，我们显著简化了基于大肠杆菌的CFE系统的组成，使表达的超折叠绿色荧光蛋白（sfGFP）的单位成本降低了四倍。这种优化的配方在12种不同的蛋白质中得到了进一步验证。值得注意的是，通过转移学习，建立的大肠杆菌模型成功地适应了基于枯草芽孢杆菌的系统，通过预测实现了产量翻倍。除了CFE，DropAI还为生化系统的组合筛选和优化提供了高通量和可扩展的解决方案。
2.Trends Biotechnol. 2025 Mar 27:S0167-7799(25)00088-5. doi: 10.1016/j.tibtech.2025.03.003.
利用人工智能进行酶功能分类。Enzyme functional classification using artificial intelligence.
Kim HR(1), Ji H(1), Kim GB(2), Lee SY(3).
酶是细胞代谢所必需的，阐明其功能是推进生化研究的关键。然而，实验方法往往耗时耗力。为了解决这一问题，大量的工作被引导到将人工智能（AI）应用于酶功能预测，从而实现高通量和可扩展的方法。在这篇综述中，我们讨论了人工智能驱动的酶功能注释的进展，从传统的机器学习（ML）方法过渡到最先进的深度学习方法。我们重点介绍深度学习如何使模型能够自动从原始数据中提取特征，而无需手动干预，从而提高性能。最后，讨论了通过生成性AIs和生物大数据的整合，发现新的酶功能和产生新的酶作为未来的研究方向。
3.Chem Sci. 2025 Apr 16. doi: 10.1039/d4sc07642g.
PepINVENT：超越天然氨基酸的生成肽设计。PepINVENT: generative peptide design beyond natural amino acids.
Geylan G(1)(2), Janet JP(1), Tibo A(1), He J(1), Patronov A(3), Kabeshov M(1), Czechtizky W(4), David F(2), Engkvist O(1)(5), De Maria L(4).
肽在药物设计和发现中起着至关重要的作用，无论是作为治疗手段还是作为递送剂。非天然氨基酸（NNAA）已被用于增强肽的特性，如结合亲和力、血浆稳定性和渗透性。引入新型NNAA有助于设计出性能更好的更有效的肽。该领域使用的生成模型侧重于在肽序列空间中导航。序列空间由一组预定义的氨基酸的组合形成。然而，仍然需要一种工具来探索超出这个枚举空间的肽景观，以解锁并有效地整合新氨基酸的从头设计。为了深入探索肽的理论化学空间，我们提出了PepINVENT，这是一种基于人工智能的新型生成工具，是小分子分子分子设计平台REINVENT的扩展。PepINVENT探索天然和非天然氨基酸的广阔空间，提出有效、新颖和多样化的肽设计。生成模型可以作为肽相关任务的核心工具，因为它没有针对具有特定性质或拓扑结构的肽进行训练。先前的研究人员接受了训练，以了解肽的粒度，并设计用于填充肽内掩蔽位置的氨基酸。PepINVENT与强化学习相结合，利用其化学信息生成能力，实现了肽的目标导向设计。本研究证明了PepINVENT以独特新颖的设计探索肽空间的能力，以及在治疗相关肽的背景下进行性能优化的能力。我们的工具可用于多参数学习目标、拟肽、先导优化以及肽结构域内的各种其他任务。
4.Nat Commun. 2025 Mar 20;16(1):2736. doi: 10.1038/s41467-025-58038-4.
使用CataPro进行深度学习的强大酶发现和工程。Robust enzyme discovery and engineering with deep learning using CataPro.
Wang Z(1), Xie D(2), Wu D(2), Luo X(3)(4)(5), Wang S(2), Li Y(1), Yang Y(6), Li W(7), Zheng L(8)(9).
准确预测酶动力学参数对于酶的探索和修饰至关重要。现有的模型由于过拟合而面临精度低或泛化能力差的问题。在这项工作中，我们首先开发了无偏数据集来评估这些方法的实际性能，并提出了一种基于预训练模型和分子指纹的深度学习模型CataPro，用于预测周转数（kcat）、米氏常数（Km）和催化效率（kcat/Km）。与之前的基线模型相比，CataPro在无偏数据集上表现出明显增强的准确性和泛化能力。在一个具有代表性的酶挖掘项目中，通过将CataPro与传统方法相结合，我们鉴定出一种酶（SsCSO），其活性比初始酶（CSO2）提高了19.53倍，然后成功地对其进行了改造，使其活性提高了3.34倍。这揭示了CataPro作为未来酶发现和修饰的有效工具的巨大潜力。
02
合成生物学食品
5.Crit Rev Biotechnol. 2025 Apr 23:1-16. doi: 10.1080/07388551.2025.2489424.
一种健康天然糖D-塔格糖的生物合成：进展和机会。Biosynthesis of a healthy natural sugar D-tagatose: advances and opportunities.
Fan L(1)(2), Shi T(2)(3), Chen X(1), Li Y(2)(3), Han P(2)(3), Jensen PR(4), Zhang YPJ(2)(3)(5).
Author information: (1)Sino-Danish College, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China. (2)In Vitro Synthetic Biology Center, Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Tianjin, China. (3)State Key Laboratory of Engineering Biology for Low-Carbon Manufacturing, Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Tianjin, China. (4)National Food Institute, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark. (5)National Center of Technology Innovation for Synthetic Biology, Tianjin, China.
D-塔格糖是一种天然的低热量稀有糖，其甜味几乎与蔗糖相同。它具有抗糖尿病、抗癌、抗动脉粥样硬化、抗高脂血症、抗衰老、改善肠道菌群等对健康具有重要意义的营养和功能特性。由碱催化D-半乳糖生产D-塔格糖，由于反应条件恶劣、分离成本高以及严重的降解和污染，昂贵的原料（即乳糖）供应有限，制造成本高昂。在这篇综述中，我们简要介绍了D-塔格糖的性质及其生理作用，回顾了从廉价和丰富的葡聚糖（如淀粉）及其衍生物（如D-葡萄糖和D-果糖）和乳糖生物合成D-塔格酶的最新进展，包括学术文献和工业专利，并讨论了其未来的挑战和机遇。D-塔格糖的生物合成可以由四种类型的生物催化剂催化：酶、全细胞、微生物发酵和体外多酶分子机器。由多酶分子机器催化的淀粉类D-塔格糖的生物制造可能是最有前景的方法，因为它不仅可以从充足的淀粉中制造D-塔格酶，还可以超越单糖异构化反应的平衡（例如，D-果糖到D-塔格蔗糖，D-半乳糖到D-塔格糖）。D-塔格糖作为各种食品和饮料的填料或与其他甜味剂混合的关键成分，将成为主要的淀粉衍生甜味剂，并在未来部分取代高果糖玉米糖浆。
6.Crit Rev Biotechnol. 2025 Mar 19:1-14. doi: 10.1080/07388551.2025.2472636.
食品添加剂琥珀酸生物合成的最新进展。Recent advances in biological synthesis of food additive succinate.
Ding Q(1)(2)(3), Ji M(1)(2)(3), Yao B(1)(2)(3), Sheng K(1)(2)(3), Wang Y(1)(2)(3).
Author information: (1)School of Life Sciences, Anhui University, Hefei, Anhui, China. (2)Key Laboratory of Human Microenvironment and Precision Medicine of Anhui Higher Education Institutes, Anhui University, Hefei, Anhui, China. (3)Anhui Key Laboratory of Modern Biomanufacturing, Hefei, Anhui, China.
琥珀酸盐是一种重要的生物基化学构建块，已经在食品添加剂、医药中间体和化学材料工业等领域得到了广泛的应用。为了高效、经济地合成琥珀酸盐，人们已经做出了大量努力来优化发酵过程和下游操作。尽管如此，在考虑环境问题的同时，仍然需要提高成本效益和竞争力，特别是考虑到全球变暖带来的需求和挑战不断升级。本文主要关注代谢工程策略在加强琥珀酸生物合成中的应用。这些策略包括发酵调节、代谢调节、细胞调节和模型指导。通过利用先进的合成生物学技术，本综述强调了开发强大的微生物细胞工厂的潜力，并为微生物在工业应用中的整合塑造了未来的方向。
7.AMB Express. 2025 Mar 18;15(1):50. doi: 10.1186/s13568-025-01864-y.
天然甜味剂的生物合成和代谢工程。Biosynthesis and metabolic engineering of natural sweeteners.
Fan B(#)(1), Liang X(#)(1), Li Y(#)(1), Li M(1), Yu T(1), Qin Y(1), Li B(1), An T(2), Wang G(3).
Author information: (1)Featured Laboratory for Biosynthesis and Target Discovery of Active Components of Traditional Chinese Medicine, School of Traditional Chinese Medicine, Binzhou Medical University, Yantai, 264003, China. (2)Featured Laboratory for Biosynthesis and Target Discovery of Active Components of Traditional Chinese Medicine, School of Traditional Chinese Medicine, Binzhou Medical University, Yantai, 264003, China. antianyue2007@126.com. (3)Featured Laboratory for Biosynthesis and Target Discovery of Active Components of Traditional Chinese Medicine, School of Traditional Chinese Medicine, Binzhou Medical University, Yantai, 264003, China. trwangli@163.com. (#)Contributed equally
天然甜味剂因其环保、健康、低热量和美味而受到广泛关注。随着绿色、低碳、可持续发展的普及，对天然甜味剂的需求也在增加。随着合成生物学的发展，微生物细胞工厂已成为生产大量天然甜味剂的有效方法。近年来，这项技术取得了显著进展。本文综述了与天然甜味剂生物合成相关的途径和酶，如罗汉果苷、甜菊糖苷、甘草甜素、甘草次酸、根皮苷、三叶菌素、赤藓糖醇、山梨糖醇、甘露醇、奇异果甜素、莫奈林和布拉泽因。此外，本文还重点研究了利用合成生物学方法微生物生产这些天然甜味剂的方法，旨在为未来天然甜味剂生产的研究提供参考。
8.Nat Commun. 2025 Mar 21;16(1):2784. doi: 10.1038/s41467-025-58067-z.
通过低碳微生物制造重新编程酵母代谢，以定制富含淀粉的微粒。Reprogramming yeast metabolism for customized starch-rich micro-grain through low-carbon microbial manufacturing.
Shi Z(#)(1)(2)(3)(4)(5), Xu Z(#)(1)(4), Rong W(1)(3)(4)(5), Sun H(1)(3)(4), Zhou H(1)(2)(3)(4)(5), Yuan Q(1)(3)(4), Xiao A(1)(3)(4)(5), Ma H(1)(3)(4)(5), Cai T(6)(7)(8), Wang G(9)(10)(11)(12), Ma Y(13)(14).
淀粉是一种主要的食品原料和工业原料。低碳微生物生产为淀粉生产提供了一种碳中和/负耕地依赖策略。在这里，我们通过重新连接淀粉生物合成和糖异生途径以及调节细胞形态，将油质酵母重新配置为富含淀粉的微粒生产者。以CO2电合成醋酸盐为底物，该菌株积累的淀粉占干细胞重量的47.18%。优化后的系统使淀粉的时空生产率（243.7 g/m2/d）比作物栽培高出约50倍，体积生产率（160.83 mg/L/h）比其他微生物系统高出一个数量级。我们通过菌株和工艺工程展示了可调的淀粉组成和淀粉蛋白比。工程化的人工菌株采用细胞资源再分配策略，以确保微粒中的高水平淀粉生产，并可以促进高效的秸秆/纤维素到淀粉的转化。这项工作阐明了淀粉生物合成机制，并为可定制的淀粉合成建立了一个超越自然的平台，推进了低碳营养制造。
9.J Agric Food Chem. 2025 Mar 25. doi: 10.1021/acs.jafc.4c11904.
对法夫驹形氏酵母进行重新编程，以实现（-）-α-红没药醇的高效全新生物合成。Reprogramming Komagataella phaffii for a Robust Chassis toward Efficient De Novo Biosynthesis of (-)-α-Bisabolol.
Zhang N(1), Huang ZY(1), Li HP(1), Li CX(1), Xu JH(1).
Author information: (1)State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, Shanghai Collaborative Innovation Centre for Biomanufacturing, Frontiers Science Center for Materiobiology and Dynamic Chemistry, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China.
（-）-α-红没药醇是一种单环单萜醇，在食品、医药和生物燃料等领域得到了广泛的应用。近年来，合成生物学的快速发展为微生物细胞工厂生产（-）-α-红没药醇提供了一条可持续的途径。尽管在最高滴度为23.4 g/L的大肠杆菌中实现了（-）-α-红没药醇的有效生物合成，但噬菌体可能的感染风险使大肠杆菌不适合作为最坚固的底盘。在此，我们优化了法夫驹形氏酵母Komagataella phaffii和融合法尼烷基二磷酸合酶（ERG20）的MVA途径，以及红没药醇合酶，以有效生产（-）-α-红没药酚。通过改造辅因子NADPH、分子伴侣和转录因子，我们获得了稳定的（-）-α-红没药醇生产菌株KB-30。最后，在5L补料分批发酵罐中实现了（-）-α-红没药醇的高效生产，滴度为32.8g/L，时空产量为283mg/L/h。这项工作代表了迄今为止（-）α-红白药醇的最高产量，并为有效的萜类生物合成提供了新的见解。
10.Microb Biotechnol. 2025 Mar;18(3):e70089. doi: 10.1111/1751-7915.70089.
解脂耶氏酵母模型驱动工程用于提高微生物产油。Model-Driven Engineering of Yarrowia lipolytica for Improved Microbial Oil Production.
Duman-Özdamar ZE(1)(2)(3), Julsing MK(3), Martins Dos Santos VAP(1)(2)(4), Hugenholtz J(5)(6), Suarez-Diez M(2).
Author information: (1)Bioprocess Engineering, Wageningen University & Research, Wageningen, The Netherlands. (2)Laboratory of Systems and Synthetic Biology, Wageningen University & Research, Wageningen, The Netherlands. (3)Wageningen Food & Biobased Research, Wageningen University & Research, Wageningen, The Netherlands. (4)LifeGlimmer GmbH, Berlin, Germany. (5)Faculty of Science Swammerdam Institute for Life Sciences, University of Amsterdam, Amsterdam, The Netherlands. (6)NoPalm Ingredients BV, Wageningen, The Netherlands.
植物油，尤其是棕榈油的大量使用，引发了环境和社会问题，如森林砍伐和生物多样性丧失，因此需要寻找可持续的替代品。微生物油脂，尤其是来自解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）的油脂，因其与棕榈油成分相似、低碳足迹以及能够利用低成本底物，成为了一种有前景的解决方案。在本研究中，我们采用“设计-构建-测试-学习”（Design-Build-Test-Learn，DBTL）方法，以提高解脂耶氏酵母的油脂产量。我们系统地评估了基因组规模代谢模型的预测结果，以识别并克服油脂生物合成中的瓶颈。我们测试了预测培养基补充物（谷氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸和苏氨酸）和遗传干预靶点（包括ATP-柠檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase，ACL）、乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）、苏氨酸合酶（threonine synthase，TS）、二酰甘油酰基转移酶（diacylglycerol acyltransferase，DGA1）的过表达，以及柠檬酸出口基因（citrate exporter gene，CEX1）的删除和β-氧化途径（MFE1）的破坏）的效果。本研究揭示了ACC、ACL、TS和DGA1的关键作用，以及这些基因与油脂生物合成中细胞内柠檬酸可用性提高的相互作用。在Δmfe_Δcex背景下结合TS和DGA1的过表达，油脂含量显著提高了200%（56% w/w），甘油油脂产量提高了230%。这些发现凸显了解脂耶氏酵母作为高效微生物细胞工厂生产脂肪酸的潜力。我们的研究增进了对解脂耶氏酵母油脂代谢的理解，并为开发可持续且经济可行的棕榈油替代品提供了一种可行的方法。
03
基因线路与调控
11.Nat Nanotechnol. 2025 Mar 17. doi: 10.1038/s41565-025-01879-3.
RNA折纸细胞骨架在合成细胞中的遗传编码和表达。Genetic encoding and expression of RNA origami cytoskeletons in synthetic cells.
Tran MP(#)(1)(2), Chakraborty T(#)(1)(2), Poppleton E(1)(2)(3), Monari L(1)(2), Illig M(1)(2), Giessler F(1)(2), Göpfrich K(4)(5).
自下而上的合成生物学试图用分子构建块来设计细胞。利用DNA纳米技术，对细胞骨架等构建块进行了逆向工程。然而，DNA纳米结构依赖于化学合成和热退火，因此合成细胞不能从核苷酸等成分中产生它们。在这里，我们介绍RNA折纸细胞骨架模拟物作为合成细胞的替代核酸分子硬件，我们直接在含有DNA模板和聚合酶的巨型单层脂质囊泡（GUV）内表达，通过从外部摄入核苷酸进行化学刺激。我们设计了RNA折纸瓷砖，它们在转录后折叠，并在等温条件下自组装成微米长的三维RNA折纸纳米管。我们观察到DNA模板上的序列突变导致RNA折纸纳米管和闭环表型。分子动力学模拟表明，这些表型转变受RNA二级结构稳定性变化的控制。此外，我们用适配体官能化的RNA纳米管实现了皮层形成，并表明纳米管聚合会导致膜变形。总之，我们的数据表明，基于RNA折纸的硬件的表达将有助于探索活性、可进化和基于RNA的合成细胞。
12.Annu Rev Genomics Hum Genet. 2025 Apr 25. doi: 10.1146/annurev-genom-120423-013542.
人类合成生物学和可编程基因调控。Human Synthetic Biology and Programmable Gene Regulation Control.
Thurm AR(1), Janer Carattini GL(2), Bintu L(3). Author information: (1)1Program in Biophysics, Stanford University School of Medicine, Stanford, California, USA; email: athurm@stanford.edu. (2)2Department of Genetics, Stanford University School of Medicine, Stanford, California, USA; email: glj14@stanford.edu. (3)3Department of Bioengineering, Stanford University, Stanford, California, USA; email: lbintu@stanford.edu.
不断发展的人类合成生物学领域迅速加速了可以控制细胞表型和功能的可编程遗传系统的发展。随着合成系统规模的扩大，研究人员专注于识别在DNA、RNA和蛋白质水平起作用的模块化调控因子，以在基因表达的每个水平上创建合成控制点。将这些检测扩展到多种细胞环境中，使得操纵内源性基因程序和创建产生设计细胞输出的合成基因回路成为可能。在这里，我们回顾了高通量人类合成生物学的最新进展，这些进展导致了基因表达控制多水平工具的开发。我们强调了合成基因程序的发展，这些程序既可以提供有关细胞行为的信息，也可以操纵细胞行为，并讨论了可编程遗传工具在治疗环境中的应用，以阐明这些新生物学方法的力量。
13.Curr Opin Biotechnol. 2025 Apr 22;93:103305. doi: 10.1016/j.copbio.2025.103305.
改进丙酮气体发酵的适应性实验室进化。Adaptive laboratory evolution for improving acetogen gas fermentation.
Ingelman H(1), Heffernan JK(2), Valgepea K(3).
Author information: (1)Institute of Bioengineering, University of Tartu, 50411 Tartu, Estonia. (2)Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology (AIBN), The University of Queensland, 4072 St. Lucia, Australia; ARC Centre of Excellence in Synthetic Biology (CoESB), The University of Queensland, 4072 St. Lucia, Australia. (3)Institute of Bioengineering, University of Tartu, 50411 Tartu, Estonia. Electronic address: kaspar.valgepea@ut.ee.
使用乙酰基的气体发酵可以帮助人类从石油工业过渡到更可持续的替代品。醋酸盐是一组独特的生物，可以有效地将碳氧化物废气转化为化学物质，如乙醇和醋酸盐。虽然乙酰基已经用于商业化的生物工艺设施，但该领域仍受到具有挑战性的基因操作工作流程和不断发展的乙酰基代谢知识的影响。适应性实验室进化（ALE）可以在这里做出独特的贡献，通过合成创造的生态位引导生物体的进化，提供具有工业相关表型的菌株，并有助于解决基因型-表型关系。在这里，我们回顾了ALE在产乙酰基方面的不断扩大的应用，展示了对产乙酰基的基本理解和表型改善的结果——更快的生长/底物利用、消除培养基成分、提高应激耐受性，以及改善生物反应器培养物的生长和稳健性。这些工作为该领域提供了进一步设计和操纵工业生物过程中乙酰基特征的机会，并加深了对基因型-表型关系的理解。
04
细胞工厂
14.Biotechnol Adv. 2025 Apr 11;81:108579. doi: 10.1016/j.biotechadv.2025.108579.
镰刀菌的合成生物学用于可持续生产有价值的生物制品。Synthetic biology of Fusarium for the sustainable production of valuable bioproducts.
Gnaim R(1), Ledesma-Amaro R(2).
Author information: (1)Imperial College Centre for Synthetic Biology, Imperial College London, London, UK; Department of Bioengineering, Imperial College London, London, UK; Bezos Centre for Sustainable Protein, Imperial College London, London, UK; Engineering Biology Mission Hub on Microbial Food, Imperial College London, London, UK. (2)Imperial College Centre for Synthetic Biology, Imperial College London, London, UK; Department of Bioengineering, Imperial College London, London, UK; Bezos Centre for Sustainable Protein, Imperial College London, London, UK; Engineering Biology Mission Hub on Microbial Food, Imperial College London, London, UK. Electronic address: r.ledesma-amaro@imperial.ac.uk.
合成生物学为优化镰刀菌物种提供了变革性的机会，使其成为可持续生产各种生物制品的有效平台。先进的工程技术，包括CRISPR/Cas9、RNA干扰和合成启动子，增强了代谢途径的操纵，使工业相关化合物的产量更高。新一代测序和组学技术的最新见解大大扩展了我们对镰刀菌代谢网络的理解，从而实现了更精确的菌株工程。尽管取得了这些进展，但代谢瓶颈、监管复杂性和菌株稳定性等挑战仍然是工业规模应用的重大障碍。高效遗传工具的开发，以及系统生物学方法对镰刀菌生理学和遗传学知识的扩展，有望释放镰刀菌作为可持续细胞工厂的全部潜力。本文重点介绍了可用于提高镰刀菌生产生物燃料、药物、酶和其他有价值化合物的能力的遗传和代谢工具。它还强调了关键创新，并讨论了利用镰刀菌作为环保生物生产系统的未来方向。
15.Front Bioeng Biotechnol. 2025 Mar 27;13:1527084. doi: 10.3389/fbioe.2025.1527084. eCollection 2025.
确定巴尔通体（Bartonella quintana）图卢兹株（str. Toul Toulouse）的基因组规模代谢网络，以优化其生长，用作合成生物学的底盘。Determination of the genome-scale metabolic network of Bartonella quintana str. Toulouse to optimize growth for its use as chassis for synthetic biology.
Garrote-Sánchez E(1)(2), Moya A(1)(2), Gil R(1)(2).
Author information: (1)Evolutionary Genetics, Institute for Integrative Systems Biology (I2SysBio), University of Valencia and Spanish Research Council, Valencia, Spain. (2)Genomic and Health Area, Foundation for the Promotion of Sanitary and Biomedical Research of the Valencia Region, Valencia, Spain.
简介：基因增强微生物在不同领域有着广泛的应用，组学数据的日益可用性使基因组规模代谢模型（GEM）得以发展，这是合成生物学中的重要工具。巴尔通体（Bartonella quintana）图卢兹株（str. Toul Toulouse）是一种兼性细胞内寄生菌，具有较小的基因组和在无菌培养中生长的能力，使其成为基因组减少和合成生物学应用的潜在候选者。本研究旨在重建和分析巴尔通体的代谢网络，以优化其生长条件，供实验室使用。方法：使用基因组注释工具（RAST和ModelSEED）对巴尔通体进行代谢重建，然后使用多个数据库（KEGG、BioCyc、BRENDA）进行优化。进行通量平衡分析（FBA）以优化生物质生产，并进行计算机敲除以评估不同培养基条件下的生长产量。此外，通过测试改良的培养基和进行蛋白质组学分析来鉴定代谢适应性，从而进行了实验验证。结果：FBA模拟确定了关键的代谢要求，包括2-酮戊二酸作为最佳生长的关键化合物。在计算机模拟中，运输基因的敲除揭示了它们在营养吸收中的重要性。实验验证证实了2-酮戊二酸和其他营养素在改善细菌生长方面的作用，尽管在某些补充条件下观察到存活率意外下降。蛋白质组学分析强调了与细胞壁完整性和代谢调节相关的蛋白质的差异表达。讨论：这项研究代表了将巴尔通体开发为合成生物学应用的可行底盘的一步。重建的代谢模型提供了对巴尔通体代谢能力的全面了解，确定了基本途径和生长限制。虽然代谢预测在关键方面与实验结果一致，但需要进一步改进以提高模型准确性并优化生长条件。
16.Nat Commun. 2025 Mar 24;16(1):2869. doi: 10.1038/s41467-025-58227-1.
微生物细胞工厂能力的综合评价。Comprehensive evaluation of the capacities of microbial cell factories.
Kim GB(1)(2), Kim HR(1)(2), Lee SY(3)(4)(5)(6)(7)(8).
Author information: (1)Metabolic and Biomolecular Engineering National Research Laboratory, Department of Chemical and Biomolecular Engineering (BK21 four), Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, Republic of Korea. (2)Systems Metabolic Engineering and Systems Healthcare Cross-Generation Collaborative Laboratory, KAIST, Daejeon, Republic of Korea. (3)Metabolic and Biomolecular Engineering National Research Laboratory, Department of Chemical and Biomolecular Engineering (BK21 four), Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, Republic of Korea. leesy@kaist.ac.kr. (4)Systems Metabolic Engineering and Systems Healthcare Cross-Generation Collaborative Laboratory, KAIST, Daejeon, Republic of Korea. leesy@kaist.ac.kr. (5)KAIST Institute for the BioCentury, KAIST, Daejeon, Republic of Korea. leesy@kaist.ac.kr. (6)BioProcess Engineering Research Center, KAIST, Daejeon, Republic of Korea. leesy@kaist.ac.kr. (7)Graduate School of Engineering Biology, KAIST, Daejeon, Republic of Korea. leesy@kaist.ac.kr. (8)Center for Synthetic Biology, KAIST, Daejeon, Republic of Korea. leesy@kaist.ac.kr.
系统代谢工程正在促进生产化学品和材料的高性能微生物细胞工厂的发展。然而，构建高效的微生物细胞工厂仍然需要探索和选择各种宿主菌株，以及确定最合适的代谢工程策略，这需要大量的时间、精力和成本。在这里，我们全面评估了各种微生物细胞工厂的能力，并提出了系统代谢工程步骤的策略，包括宿主菌株选择、代谢途径重建和代谢通量优化。我们分析了五种具有代表性的工业微生物作为细胞工厂生产235种不同生物基化学品的代谢能力，并提出了最适合相应化学品生产的宿主菌株。为了通过构建更有效的代谢途径来提高先天代谢能力，对异源代谢反应和辅因子交换进行了系统分析。此外，我们还提出了代谢工程策略，包括上调和下调靶反应，以改善化学品的生产。总之，这项研究将为生物基化学品生产中的微生物系统代谢工程提供全面的资源。
17.Trends Plant Sci. 2025 Apr 19:S1360-1385(25)00090-1. doi: 10.1016/j.tplants.2025.03.013.
天然橡胶生物合成进化对途径工程的启示。Insights from natural rubber biosynthesis evolution for pathway engineering.
Cao Y(1), Chen Q(1), Xu X(1), Fernie AR(2), Li J(3), Zhang Y(4).
随着全球需求的不断增长，天然橡胶（NR）因其弹性和抗冲击性而受到重视，对许多工业和医疗应用至关重要。虽然来自40多个科的约2500种植物可以生产橡胶，但大多数来自热带地区种植的巴西橡胶树。替代性橡胶生产植物，如阿根廷紫檀和蒲公英，具有更强的环境适应性和物种多样性，使其成为橡胶生产的有前景的候选者。最近的基因组测序揭示了橡胶生物合成途径，尽管跨物种生产不同形式聚异戊二烯的机制尚不清楚。我们探索了橡胶生物合成的演变，并讨论了提高亚热带植物和更广泛的植物材料（如Manilkara zapota）NR产量的合成生物学策略。
05
一碳合成生物学
18.Nat Commun. 2025 Apr 1;16(1):3134. doi: 10.1038/s41467-025-57549-4.
设计和实施有氧和环境CO（2）减排作为增强碳固定的切入点。Design and implementation of aerobic and ambient CO(2)-reduction as an entry-point for enhanced carbon fixation.
Satanowski A(#)(1)(2), Marchal DG(#)(3), Perret A(4), Petit JL(4), Bouzon M(4), Döring V(4), Dubois I(4), He H(3), Smith EN(5), Pellouin V(4), Petri HM(3), Rainaldi V(6), Nattermann M(3), Burgener S(3), Paczia N(3), Zarzycki J(3), Heinemann M(5), Bar-Even A(6), Erb TJ(7)(8).
CO2直接还原成一个碳分子是高效生物固碳的关键。然而，该策略目前仅限于厌氧生物和低氧化还原电位。在本研究中，我们引入了核心循环，这是一种合成代谢途径，在有氧条件下和环境CO2水平下，仅使用NADPH作为还原剂，将CO2转化为甲酸盐。结合理论途径设计和分析、酶生物勘探和高通量筛选、模块化组装和适应性实验室进化，我们在体内实现了核心循环，并证明该循环通过补充C1代谢和CO2合成丝氨酸来支持大肠杆菌的生长。我们进一步分析了核心循环作为碳在光呼吸和自养中新的切入点的理论潜力。总之，我们的工作拓展了生物减碳的解决空间，为增强光合作用等CO2固定过程提供了一条有希望的途径，并为合成自养开辟了途径。
19.Metab Eng. 2025 Mar 28:S1096-7176(25)00050-3. doi: 10.1016/j.ymben.2025.03.014.
解脂耶氏酵母甲醇利用能力及代谢工程改良的研究。Insights into the methanol utilization capacity of Y. lipolytica and improvements through metabolic engineering.
Jiang W(1), Newell W(2), Liu J(3), Coppens L(2), Slater KB(4), Peng H(5), Bell D(2), Liu L(6), Haritos V(7), Ledesma-Amaro R(8).
甲醇是一种很有发展前途的绿色生物制造的替代原料，解脂耶氏酵母为生产多种产品提供了一个通用的平台，但它不能有效地利用甲醇。在本研究中，我们通过过表达甲醇脱氢酶，然后结合来自甲基营养酵母菌和细菌的甲醇同化途径，将其转化为利用甲醇的解脂耶氏酵母。我们还过表达了核酮糖单磷酸（RuMP）和木酮糖单磷酸（XuMP）途径，从而甲醇显著改善了解脂耶氏酵母的生长，在24小时内消耗率达到2.35 g/L，生物量增加了2.68倍。代谢组学和代谢通量分析证实了甲醇的同化作用，并揭示了还原力的增加。以甲醇为共底物，对菌株进行进一步工程化，得到有价值的异源产物白藜芦醇。不同于传统的甲醇利用过程，这通常是资源密集型和环境破坏性的，我们的研究结果代表了绿色化学的一个重大进展，通过展示解脂耶氏酵母高效利用甲醇作为能源、生物质和产品形成的共基质的潜力。这项工作不仅有助于我们理解甲醇在非甲基营养生物中的代谢，而且为实现高效的合成甲基营养向绿色生物制造方向发展铺平了道路。
06
合成生物学新方向
20.Nat Chem Biol. 2025 Mar 14. doi: 10.1038/s41589-025-01860-0.
用于哺乳动物基因表达时空控制的可编程固态冷凝物。Programmable solid-state condensates for spatiotemporal control of mammalian gene expression.
Wang Y(#)(1)(2)(3)(4), Jiang J(#)(1)(3)(5)(6), Xiong Q(1)(3)(5)(6), Li S(3)(5)(6)(7), Shao J(8), Xie M(9)(10)(11)(12)(13)(14), Zeng AP(15)(16)(17)(18).
具有化学诱导基因开关的核缩合物的工程化是非常需要的，但对于哺乳动物基因表达的精确和按需调节具有挑战性。在这里，我们利用生物分子冷凝物的相分离能力，并描述了一种通用的策略，在不同的感兴趣阶段对配体依赖性基因表达进行化学编程。通过工程化合成锚定蛋白，使其能够将各种基因编码的缩合结构与不同的细胞隔室或感兴趣的基因产物连接起来，使用相同的锚定蛋白和合成固态缩合物，在不同的内源性和游离位点实现了转录和翻译活性的诱导调节。使用这种基于冷凝物的整体策略，我们不仅取得了与CRISPR-Cas9活性和转录沉默的最新策略相比有利的调控性能，而且进一步表明，将mRNA分子化学诱导保留到核内的工程冷凝物结构中可以成为转译调控的一种非常有效的替代方案。
21.Nat Biotechnol. 2025 Apr 11. doi: 10.1038/s41587-025-02622-y.
用于远距离和广域检测活细菌基因表达的高光谱报告器。Hyperspectral reporters for long-distance and wide-area detection of gene expression in living bacteria.
Chemla Y(#)(1), Levin I(#)(1), Fan Y(1), Johnson AA(1), Coley CW(2)(3), Voigt CA(4).
基因编码报告分子适用于实验室中的短距离成像，但不适用于远距离扫描广阔的室外区域。本文介绍了一种专为高光谱成像相机设计的高光谱报告分子（HSR）。高光谱成像相机通常安装在无人机和卫星上。HSR基因编码的酶会产生一种具有独特吸收特征的分子，该分子在高光谱图像中可被可靠区分。通过对20,170种代谢物进行量子力学模拟，我们确定了候选HSR，并最终选择了胆绿素IXα和细菌叶绿素a，因为它们具有独特的吸收光谱和生物合成可行性。这些基因被整合到土壤（恶臭假单胞菌）和水生（红假单胞菌）细菌的化学传感器回路中。在使用固定和无人机搭载的相机拍摄的单个4,000平方米高光谱图像中，这些细菌在室外环境光下最远可被检测到90米。化学传感器的剂量响应函数可远程测量。HSR可实现生态学、农业、环境监测、法医学和国防领域的大规模研究和应用。
22.Trends Biotechnol. 2025 Apr 22:S0167-7799(25)00128-3. doi: 10.1016/j.tibtech.2025.04.001.
用于水产养殖的微藻疫苗。Microalgae-based vaccines for aquaculture.
Chen H(1), Jiang J(2), Ledesma-Amaro R(3).
基于微藻的口服疫苗通过可持续地增强鱼类免疫力和遏制疾病爆发来支持水产养殖。在这里，我们介绍了疫苗抗原的理性设计，并讨论了微藻疫苗的口服给药和免疫益处。我们预计合成生物学和鱼类免疫代谢的进步将推动基于微藻的疫苗创新。
合成生物学医疗
23.Mol Ther. 2025 Apr 6:S1525-0016(25)00278-3. doi: 10.1016/j.ymthe.2025.04.004.
基因和细胞治疗的基因调控技术。Gene Regulation Technologies for Gene and Cell Therapy.
Butterfield GL(1), Reisman SJ(2), Iglesias N(1), Gersbach CA(3).
基因治疗站在医学创新的最前沿，为治疗遗传性疾病的根本原因和广泛的再生医学提供了独特的潜力。然而，由于各种并发症，治疗基因的不受调控的产生会导致临床应用的降低。因此，许多控制基因表达的技术正在开发中，包括调控转基因、调节内源性基因以利用天然生物调控、转录调控网络的定位和重新调整用途，以及动态响应细胞状态变化的工程系统。通过组织特异性启动子、诱导系统和靶向给药的进展实现的转化性治疗已经进入临床试验，并显示出显著改善的特异性和有效性。这篇综述强调了正在开发的新一代技术，通过精确调节基因表达来扩大基因治疗的范围。这些技术，包括表观基因组编辑、反义寡核苷酸、RNA编辑、转录因子介导的重编程和合成基因电路，有可能提供强大的细胞功能控制。尽管取得了这些显著的成就，但在优化交付、最大限度地减少偏离目标的影响和解决监管障碍方面仍然存在挑战。然而，正在进行的生物学见解与工程创新的结合有望扩大基因治疗的潜力，不仅为治疗罕见的遗传疾病，而且为治疗复杂的多因素疾病带来希望。
24.Trends Biotechnol. 2025 Apr 3:S0167-7799(25)00090-3. doi: 10.1016/j.tibtech.2025.03.005.
生物打印和合成生物学方法设计功能性内分泌胰腺结构。Bioprinting and synthetic biology approaches to engineer functional endocrine pancreatic constructs.
Ribezzi D(1), Català P(1), Pignatelli C(2), Citro A(2), Levato R(3).
糖尿病是一种复杂的疾病，影响着全世界5亿多人。传统的方法，如胰岛素输送，是主要的治疗方法，但不能治愈疾病。生物制造和合成生物学的最新进展为组织结构的发展提供了新的希望。在这里，我们讨论了生物打印功能性内分泌胰腺的最新进展，从细胞来源到生物材料的主要进展。我们回顾了该领域发展的创新领域，特别关注合成生物学和细胞工程与生物打印的融合，这为开发先进的体外模型和再生、可移植移植物开辟了新途径，有可能提供独立于外源性胰岛素给药的能力。
25.Adv Drug Deliv Rev. 2025 Apr 12:115579. doi: 10.1016/j.addr.2025.115579.
为癌症设计活细菌疗法。Designing live bacterial therapeutics for cancer.
Lee J(1), McClure S(2), Weichselbaum RR(3), Mimee M(4).
人类是多种细菌群落的家园，其中许多细菌与宿主形成共生关系。值得注意的是，肿瘤也可以拥有自己独特的细菌群，这些细菌群可以影响肿瘤的生长和进展。这些细菌选择性地定殖在缺氧和酸性肿瘤微环境中，为对抗癌症提供了一种新的治疗策略。合成生物学的进步使我们能够安全有效地对细菌中的治疗药物生产进行编程，进一步增强其潜力。这篇综述为利用细菌治疗癌症提供了全面的指导。我们讨论了选择细菌菌株的关键考虑因素，强调了它们的定植效率、安全性和抗肿瘤疗效之间的微妙平衡以及基因工程工具的可用性。我们还深入研究了精确控制药物输送的时空策略，以尽量减少不良反应并最大限度地提高治疗效果，探索了最近设计用于对抗肿瘤的工程细菌的例子。最后，我们讨论了细菌癌症治疗的潜在挑战和未来前景。这篇综述强调了细菌疗法的多功能性，并概述了在对抗癌症的斗争中充分利用其潜力的策略。
07
合成生物学天然产物
26.Chem Soc Rev. 2025 Mar 19. doi: 10.1039/d4cs01198h.
用于天然产物生物合成和发现的无细胞合成生物学。Cell-free synthetic biology for natural product biosynthesis and discovery.
Rice AJ(1), Sword TT(2), Chengan K(3), Mitchell DA(1)(4), Mouncey NJ(5), Moore SJ(6), Bailey CB(7).
天然产物在生物制药、农用化学品和其他高价值化学品方面有应用。然而，将天然产物从其天然生产者（如细菌、真菌、植物）中分离出来存在挑战。在许多情况下，必须使用合成化学或异源表达来获取这些重要分子。产生这些化合物的生物合成机制存在于生物合成基因簇中，主要由生物合成一系列天然产物类别（包括但不限于核糖体和非核糖体肽、聚酮和萜类）的酶组成。近年来，无细胞合成生物学作为一种自下而上的技术出现，应用于原型化途径和生产分子。最近，它已被应用于天然产物，既可以表征生物合成途径，也可以产生新的代谢物。本文讨论了应用于代谢物生产的无细胞合成生物学的核心生物化学，并评价了其与全细胞和/或化学生产路线相比的优缺点。具体而言，我们回顾了核糖体肽无细胞生物合成的进展，分析了天然产物生物合成酶和途径的快速原型，强调了新型抗菌药物发现的进展，并讨论了无细胞技术在工业生物技术和合成生物学中的日益普及。
08
信息存储
27.Nat Biotechnol. 2025 Mar 18. doi: 10.1038/s41587-025-02593-0.
使用通用RNA条形码在微生物群落中存储信息。Information storage across a microbial community using universal RNA barcoding.
Kalvapalle PB(#)(1)(2)(3), Staubus A(#)(2)(4), Dysart MJ(#)(1)(2)(3), Gambill L(#)(1)(2), Reyes Gamas K(1)(2)(3), Lu LC(2)(4), Silberg JJ(5)(6)(7), Stadler LB(8), Chappell J(9)(10).
基因转移可以使用基因编码的报告子或宏基因组测序进行研究，但这些方法在用于监测微生物群落中的移动DNA宿主范围时受到灵敏度的限制。为了记录废水微生物组中基因转移的信息，使用合成催化RNA对核糖体RNA（rRNA）的高度保守片段进行条形码标记。通过使用核酶将信息写入rRNA，并使用扩增子测序读取天然和修饰的rRNA，我们发现来自20个分类目的微生物群落成员参与了与大肠杆菌供体菌株的质粒结合，并观察到扩增子序列变体之间16S rRNA条形码信号的差异。使用pBBR1或ColE1复制起点质粒的多重rRNA条形码揭示了宿主范围的差异。这种自主的RNA可寻址修饰提供了有关基因转移的信息，而不需要翻译，并将实现跨不同生态环境的微生物组工程，以及对基因转移和细胞外物质摄取的环境控制研究。
28.Synth Syst Biotechnol. 2025 Mar 14;10(2):677-695. doi: 10.1016/j.synbio.2025.03.006. eCollection 2025 Jun.
DNA存储：医疗冷数据存储的未来发展方向。DNA storage: The future direction for medical cold data storage.
Shen P(1)(2), Zheng Y(3)(2), Zhang C(2), Li S(4)(5)(6), Chen Y(7), Chen Y(8), Liu Y(9)(10)(11), Cai Z(2)(10)(12)(13)(14).
DNA存储以其耐用性、数据密度和成本效益为特征，是管理医疗保健中不断增长的数据量的有前景的解决方案。本综述探讨了最先进的DNA存储技术，并提供了为医疗冷数据量身定制的DNA存储系统的设计见解。我们预计，医疗冷数据存储的一种实用方法将涉及建立可以为多家医院服务的区域性体外DNA存储中心。医学数据DNA存储的即时性取决于新型、高密度、专业编码方法的发展。成熟的商业技术，如DNA化学合成和下一代测序（NGS），以及碱性盐混合干燥和精细聚合酶链式反应（PCR），可能分别代表数据写入、读取、存储和访问的最佳选择。传统数字加密和DNA隐写术的结合可以保证数据安全。尽管人工核苷酸和DNA纳米结构等突破性发展显示出潜力，但它们仍处于实验室研究阶段。总之，在不久的将来，DNA存储是一种可行的医疗冷数据保存策略。
09
其他
29.Front Bioeng Biotechnol. 2025 Mar 31;13:1536403. doi: 10.3389/fbioe.2025.1536403. eCollection 2025.
在合成生物学的背景下分析生命的内在价值。Analysis of the intrinsic value of life in the context of synthetic biology.
Zhang Y(1), Chen Y(2), Liao B(3).
Author information: (1)Office of Academic Research, Fujian Institute of Socialism, Fuzhou, China. (2)School of Marxism, Ningbo University of Finance and Economics, Ningbo, China. (3)College of Rural Revitalization, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, China.
合成生物学的不断进步，采用“自下而上”或“自上而下”的方法来构建合成生命，引起了人们的极大兴趣。然而，这些科学实践的广泛应用仍然充满了伦理争议。因此，研究与合成生命相关的内在价值对于确定是否以及如何构建和利用合成生命至关重要。本研究借鉴并扩展了罗纳德·桑德勒的内在价值理论，从生态中心主义、人类文化和合成生命本身的结构属性的角度分析了合成生命的内在主观价值。它考察了基于自然目的的合成生命的内在客观价值。此外，该研究从生物学、主观性和与人类的关系三个角度探讨了合成生命的内在价值。我们得出结论，合成生命的内在价值从合成微生物到合成植物、合成无脊椎动物、合成脊椎动物和合成人类依次增加。一切形式的合成生命都具有内在的主客观价值。然而，只有合成微生物等级以上的合成生命才具有内在价值；因此，人类对他们负有道德义务。
30.Nat Commun. 2025 Apr 14;16(1):3538. doi: 10.1038/s41467-025-58492-0.
环境解决方案的工程生物学应用：潜力和挑战。Engineering biology applications for environmental solutions: potential and challenges.
Lea-Smith DJ(#)(1), Hassard F(#)(2), Coulon F(2), Partridge N(3), Horsfall L(4), Parker KDJ(4), Smith RDJ(4), McCarthy RR(5), McKew B(6), Gutierrez T(7), Kumar V(2), Dotro G(2), Yang Z(2); EBIC partners; Krasnogor N(8)(9).
Collaborators: Curtis TP, Golyshin P, Heaven S, Jefferson B, Jeffrey P, Jones DL, Le Corre Pidou K, Liu Y, Lyu T, Smith C, Yakunin A, Zhang Y.
工程生物学应用合成生物学来解决全球环境挑战，如生物修复、生物请求、污染物监测和资源回收。这一观点概述了工程生物学的创新，它与其他技术（如纳米技术、物联网、人工智能）的整合，以及利用这些进步的商业企业。我们还讨论了商业化和规模化挑战、生物安全和生物安保考虑因素，包括生物控制策略、社会和政治层面，以及成功实施现实世界所必须解决的治理问题。最后，我们强调了未来的前景，并提出了克服现有障碍的策略，旨在加快工程生物学在环境解决方案中的应用。
