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第一性原理计算解决50年悬而未决难题：半导体中铜为何扩散更快？ Ab initio及第一性原理入门参考书介绍 《海贼王》告诉你，做科研为什么不能闭门造车…… 来自公众号：大屯路15号 本文以传播知识为目的，如有侵权请后台联系我们，我们将在第一时间删除。 责编 | 侯文茹 哺乳动物胚胎发育早期缺少显著的基因转录活性，蛋白质合成所需的mRNA模板主要由卵子储备的母源mRNA提供。母源mRNA在卵子向胚胎转换(oocyte to embryo transition, OET)过程中，mRNA的poly(A)尾长度与其翻译活性高度偶联，poly(A)的长度调控是早期胚胎实现选择性蛋白翻译的重要机制。然而，母源mRNA poly(A)尾长短的决定与维持机制均不明确。 2025年1月2日，中国科学院生物物理研究所朱冰研究组与中国科学院遗传与发育研究所陆发隆研究组在《Nature Communications》期刊在线发表了题为"MARTRE family proteins negatively regulate CCR4-NOT activity to protect poly(A) tail length and promote translation of maternal mRNA"的研究工作。该研究揭示了一种早期胚胎母源mRNA poly(A)尾保护机制。 研究团队在前期对比小鼠的类2细胞胚胎细胞（2CLC）与胚胎干细胞（ESC）的mRNA降解速率，发现在2CLC中mRNA的整体稳定性升高，推测2CLC具有其独特的mRNA降解调控机制。通过鉴定poly(A)去腺苷化酶CCR4-NOT复合体的结合蛋白，鉴定到一个选择性在2CLC中表达的poly(A)尾调控因子，并将其命名为MARTRE1。细胞与体外生化实验表明，MARTRE1是CCR4-NOT复合物的抑制因子；在细胞中表达MARTRE1能减缓poly(A)尾的缩短速率，同时提升了mRNA稳定性。 同源序列分析发现Martre1属于一个之前未被充分注释与研究的基因家族，研究团队将该基因家族命名为Martre。Martre基因家族成员仅在小鼠卵子及早期胚胎合子基因组激活阶段表达。通过构建与研究Martre基因家族全敲除的小鼠模型，团队发现Martre敲除小鼠的早期胚胎发育延缓。结合转录组、蛋白质翻译组以及三代测序分析mRNA的poly(A)尾长度，团队揭示MARTRE蛋白在早期胚胎中保护了长尾的mRNA免受过度的去腺苷酸化，从而保障了母源mRNA的翻译效率。 以往已报道了多个CCR4-NOT去腺苷化酶适配蛋白（如BTG4、ZFP36L2），这些因子在哺乳动物早期胚胎的OET过程中，负责招募CCR4-NOT复合物并促进母源mRNA的选择性降解。本工作鉴定到首个哺乳动物OET阶段的CCR4-NOT复合物抑制因子，为理解早期胚胎发育的母源控制机制提供了新的视角。通过保护翻译的mRNA免受去腺苷酸化，可以保障早期胚胎利用有限母源mRNA实现持续的高效翻译，这可能是各物种在早期发育期间调控母源基因翻译的普遍策略之一。 图：早期胚胎发育过程中RNA poly(A)尾调控机制 中国科学院生物物理研究所李颖峰副研究员、朱冰研究员和中国科学院遗传与发育研究所陆发隆研究员为论文的共同通讯作者，朱冰研究组杨静博士后和卜佳晨助理研究员是论文的共同第一作者。东北林业大学刘玉胜教授参与了合作研究。该研究得到国家自然科学基金、中国科学技术部、中国科学院、新基石科学实验室和中国科学院青年创新促进会的资助。 文章链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-55610-2

今年6月，药明生物宣布其生物药原液二十厂（MFG20）第二条原液生产线的三组5000L一次性生物反应器正式落成。该厂于2021年正式投产，新落成的一次性生物反应器投产后，其产能将从目前的8000L增至23000L。 两年前的2月，美国商务部将药明生物等33家中国实体列入“未经验证名单（Unverified List，简称UVL）”，对这些企业包括一次性生物反应器在内的一系列生产设备实施进口审查。新闻发出第二天，国内一众CXO上市企业股市集体受挫，引发行业动荡。 生物反应器为何能让医疗行业动荡？它对于生物医药产业有哪些关键性作用？目前国内外产业发展如何？ 本期生物制造专题，动脉网将以瑞士比欧生物工程公司（Bioengineering AG，以下简称“瑞士比欧”）为例，通过剖析这家在现代生物反应系统（微生物发酵，动植物培养）制造领域欧洲最老的企业，以期为行业带来一些参考与启示。 生物医药和生物技术产业的“心脏” 其实反应器的历史由来已久，在古代中东，当地的阿拉伯人用羊胃盛装羊奶，由于羊胃中存在天然的凝乳酶，凝乳酶催化羊奶中的蛋白质限制性水解，机缘巧合促使羊奶转化成了奶酪。让羊奶转变为奶酪的羊胃便相当于一种反应器。 三千多年前的商周时期饮酒文化较为盛行。先辈们将谷物放在密闭空间中，利用谷物发芽时产生的酶将原料本身糖化成糖分，再用酵母菌将糖分转变为酒精。这里制酒所用的密闭容器也是一种早期的反应器形态。 尽管反应器历史悠久，但直到20世纪80年代，生物反应器（bioreactor）一词才逐渐出现在专业期刊和书籍中。在生物工程中，生物反应器是指用于微生物和细胞体外培养，通过生化反应或生物自身的代谢等来获得各种目标产物、药物的装置，是现代生物制造领域的核心设备。 生物反应器一般会按照材质分为不锈钢生物反应器和一次性生物反应器，两种生物反应器在生物医药领域均各有市场。根据产品的市场大小和特性，以及成本对于售价影响力的大小等综合因素，选择用哪种类型的生物反应器，是一个非标准问题。 发展至今，在生物医药领域，凡是涉及细胞代谢与细胞培养，几乎都需要生物反应器的参与。生物反应器为基因工程技术、发酵工程、细胞工程、酶工程以及蛋白质工程的发展与产业化提供了摇篮。因此，生物反应器又被称为生物医药和生物技术产业的“心脏”。 典型生物医药的全生命周期是起于上游的原料输入，到中游的研发和质控，再到中游的生产，最后涉及下游的生产。 其中，中游的研发又包括临床前研究和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期临床研究，临床前研究需要细胞库的建立、细胞培养、纯化工艺开发和制剂处方工艺优化等阶段。中游的生产要先历经小试、中试才能最终到商业化规模。对于动物细胞培养生产的生物药物，生物反应器在中游的各个环节都具有关键作用，生物反应器的发展进一步推动了生物医药产业的发展。 尤其是基于“动物细胞培养”技术的蛋白质医药产业，目前已成为生物医药的重点发展方向，利用该技术生产的产品有人源化和全人源治疗性抗体、多糖工程蛋白、新型靶点生物药物等。而生物反应器是动物细胞培养中不可代替的主要设备，在生物医药的全生命周期中也起到了越来越重要的作用。 具备刚需属性的产品自然会有与之匹配的市场。根据Mordor Intelligence的报告，生物反应器市场规模预计到2024年为54.5亿美元，预计到2029年将达到77.9亿美元，在预测期内（2024年—2029年）复合年增长率为7.45%。 欧洲最老的现代生物反应系统制造企业 提到历史悠久且市场逐步扩大的反应器行业，瑞士比欧一定拥有一席之地。 瑞士比欧是一家在现代生物反应系统（微生物发酵，动植物培养）制造领域欧洲最老的全球闻名的公司。其继承了瑞士国家数百年严谨、认真的传统，自1972年成立至今，始终专注于生物反应器设计与制造领域，积累了五十多年的技术基础，开发了完整的产品系列。 目前，瑞士比欧主要的经营范围有：生物反应器的制造，包括微生物发酵罐，动/植物细胞培养罐，酶反应器等，我们提供从实验室，中试到大型生产规模的系列产品；各类生物反应器及生物工程辅助设备，包括各种不同规格的无菌隔膜阀，各种管道、通风通气设备，无菌过滤设备等；工程服务，包括老企业改造，新企业规划、设计和建设。 距今，瑞士比欧成立已经超过50年。这样一家老牌企业，却并没有在时间的洪流中迎来“中年危机”，而且在飞速发展的行业中“常做常新”。 在成立的第一个十年里，瑞士比欧开发并推向市场的首批基于“自动无菌”原理的中试系统、LP351模块化中试规模发酵罐和 L1523模块化实验室发酵罐。在50年前，这些产品所涉及的无菌密封、温度回路、控制阈值等各个技术模块都是最先进的。 因此，公司也赚到了第一桶金，获得了来自山德士公司的百万法郎订单。随后，瑞士比欧还推出了目前广泛使用的重量配料系统和旋转过滤器，可适应特定工艺要求的，模块化设计的中试和实验室设备，用于确定生物反应器中搅拌器功率的感应空心轴测量装置、小型实验室发酵罐等仪器和配套设备。公司也因此陆续接到了勃林格曼海姆、辉瑞、拜耳等公司的订单。 时间来到20世纪80年代，瑞士比欧创下了新的生产记录，接到了巴斯夫、拜耳、捷克科学院微生物研究所、比彻姆制药公司、康诺特实验室等科研院所和大型企业的合作订单，帮助客户建造了大型发酵罐、干扰素工厂、用于大规模生产凝血因子 Ⅷ的工厂、生物技术中试设施、破伤风疫苗生产设施、异麦芽酮糖工厂、糖替代品工厂，以及各类生物技术设备。 时间来到90年代，瑞士比欧在中国开设了销售办事处，并与全球企业持续扩大合作。二十一世纪，瑞士比欧在扩大产业化布局的同时，也在持续研发新系统，例如，通过测量发酵罐顶部和底部之间的压力差，来确定容器中的填充水平的Bioweight系统。 可以看到，瑞士比欧从遥远的瑞士起家，发展成为如今的全球知名的现代生物反应系统企业，这50年间的战略与布局，看起来并无任何惊心动魄、跌宕起伏的传奇故事。也许只是瑞士国家骨子里严谨认真的性格，造就了这家企业成为行业巨头。 在对待产品保持严谨态度的同时，瑞士比欧也丝毫没有“老企业”的固步自封与传统守旧。反而在许多当下，选择了当时还处在萌芽的领域进行布局。20世纪90年代，国内系统性的生物医药研究还处于发展早期，瑞士比欧却当时布局中国市场，有一定冒险的成分，但更多的是因为看到国内供需之间的不匹配。也正是因为瑞士比欧在风口来临之前布局了市场，才能成长到如今。 截至目前，瑞士比欧的客户已遍布全球，包括诺华的前身之一汽巴-嘉基公司、GSK、诺华、拜耳、安进、BMS、礼来、德国Shering berlin 生物、法玛西亚（2002年被辉瑞收购）、先灵葆雅（2009年被默沙东收购）、赛诺菲、德国Hamburg 大学等。 在中国，瑞士比欧的客户也积累众多，包括复旦大学，中科院上海生物化学研究所，中科院上海细胞所，中科院上海计划生育研究所生物避孕国家重点实验室，中科院上海中医药大学中药研究所国家重点实验室，第二军医大学，华东理工大学生物化工学院，中科院生态所，军事医学科学院生物工程研究所，中国医学科学院天津血研所，哈尔滨工业大学，东北农业大学，东北林业大学，吉林大学酶工程国家重点实验室等科研院所；也包括联合赛尔，复星实业克隆公司研究所，齐鲁制药，东阿阿胶，凯因生物，百泰生物，九州药业等产业链企业。 值得一提的是，作为国内生物制药的领军企业，中国生物技术集团公司内的北京微谷国家疫苗中心基因室，以及旗下所属的几大研究所，如武汉生物制品研究所的疫苗车间、菌苗车间，成都生物制品所、上海生物制品所，也均有比欧公司的实验室型、中试型、生产线等。 产品涵盖实验室、中试、生产全流程 为什么瑞士比欧的客户能够覆盖产、学、研全产业链？源于其全面的技术和产品布局。 按研发和生产的不同阶段，小试、中试至工业化生产适用不同体积的生物反应器。按反应体积，生物反应器可分为微型、小型和常规型。 微小型生物反应器一般用于研发阶段，进行工艺的优化。常规型生物反应器按小试、中试和商业化生产的需求，反应体积呈现数量级的增大。 实验室小试常用的台式反应器体积一般为 1 - 5L，中试分为实验室中试和工厂中试反应器，反应体积分别为 10 - 50L 和100 - 500L。 商业化规模的生产根据产品和反应体系的不同，体积差别较大，例如大部分针对细胞培养的商业规模的生物反应器一般为 1000-3 000L，面向大规模微生物培养的反应器在中试规模就甚至会达到 5000L。 瑞士比欧同时具有2—20L实验规模反应器，30—300L中试规模反应器，300L一直到300立方米生产规模的反应器，从实验研究到产业化规模都能够提供相应的设备，也能提供GMP，FDA 验证所需文件。 在实验室领域，瑞士比欧有L1523型可在位灭菌实验室发酵罐、NLF型可移动型在位灭菌实验室发酵罐、RALF型可高压锅离位灭菌玻璃发酵罐、KLF型可在位灭菌小型发酵罐等产品，均可用于细菌、细胞的培养。 ■ L1523型可在位灭菌实验室发酵罐： 罐体有316L全不锈钢和Duran玻璃不锈钢组合两种类型可选，总体积在5.5-19L，温控、pH、溶氧、消泡/液位等功能均可关联控制，具有3台（数量可增减）补料泵以及标准化的补料瓶和连接件，还预留有数字和模拟量输入/出接口（免设置），接口可连接外部设备（例如天平，浊度等等）。此外该设备还具有可升级的磁力搅拌系统，旋转过滤器、天平、葡萄糖检测系统、甲醇检测系统、浊度检测系统、尾气分析系统等。 ■ NLF型可移动型在位灭菌实验室发酵罐： 具有特有的滚轮式设计，可方便灵活地将罐体移动到实验室的任何角落，罐体和罐盖均为不锈钢316L材质，总体积在16-30L，基本配置参数、拓展功能、可选增项等与L1523可在位灭菌实验室发酵罐类似。 ■ RALF型可高压锅离位灭菌玻璃发酵罐： 该设备除了能够提供常用的罐身夹套水浴循环温控系统，还提供比欧特色的中空挡板温控系统，通过在中空的搅拌挡板中进行温控水的循环，可提供比夹套传导效果更好的温度控制效果。其体积规格有6.7L、5L、3.7L、2 L四种，基本配置参数、拓展功能、可选增项等与上述两款设备类似。 ■ KLF型可在位灭菌小型发酵罐： 适用于试验阶段的最初规模研究，体积规格有3.7L、3.1L、2.4L三种。该设备具有业内独有的小型玻璃罐的在位灭菌工艺，可满足较高的操作便利性要求。基本配置参数、拓展功能、可选增项等与上述两款设备类似，唯一不同的是该设备具有4台（数量可增减）补料泵以及标准化的补料瓶和连接件。在中试及大型生产方面，瑞士比欧也具有LP351型可在位灭菌中试反应器、P型可在位灭菌生产型反应器等数款产品。 ■ P型可在位灭菌生产型反应器： 大型生产专用生物反应器，可用作最终生产罐或者各种放大阶段的中间罐，整套系统的自动化程度完全可由用户按需定制，其总体积在100L及以上、除了可关联控制的温控、pH、溶氧、消泡/液位等功能外，该设备还具有定制化的补料泵、补料瓶和连接件，高度定制化的比欧BIOSCADA控制系统，以及预留有数字和模拟量输入/出接口（免设置），接口可连接外部设备（例如天平，浊度等等），可升级的磁力搅拌系统，旋转过滤器、天平、葡萄糖检测系统、甲醇检测系统、浊度检测系统、尾气分析系统等拓展功能和可选增项。 ■ LP351型可在位灭菌中试反应器： 该设备不仅可以作为一般实验室的进一步放大实验用罐体，也可作为大型生产系统的辅助罐体或者放大生产的中间罐体，具有42L、50L、75L三种体积规格。其基本功能参数、拓展功能、可选增项与P型可在位灭菌生产型反应器一致，但其补料系统并非定制化，而是由3台（数量可增减）补料泵以及标准化的补料瓶和连接件组成。 国内生物反应器遍地开花，国产替代率超50% 除了瑞士比欧之外，进口发酵罐设备品牌主要还有赛多利斯、宝乐菲、百特仑、伊孚森、丸菱、Applikon、NBS（被Eppendorf收购）等布局生物反应器的企业。 国内方面，如东富龙、楚天科技、多宁生物、乐纯生物、金仪盛世等企业也在积极布局、飞速发展。 有文献显示，全球生物反应器行业拥有关键核心技术 315 项，其中美国关键核心技术专利拥有量占比达38.73%，居全球首位。中国紧随其后，关键核心技术专利拥有量占比为 26.98%，国内在生物反应器领域的实力不容小觑。其余国家包括德国、韩国、日本、英国，在生物反应器行业内也具有一定竞争力。 事实上，在美国进行限制之前，我国对于这一生物制造的上游设备就已开始重视。2022年1月，国家九部委联合发布的《“十四五”医药工业发展规划》中将“重点开发超大规模（≥1万升/罐）细胞培养技术”列为生物药技术攻关的首项。 国产生物反应器行业从2022年开始迅速得到了资本市场的重视。多家公司在2021-2024年间完成多轮融资，从而得以扩大产能、加大研发力度。根据动脉橙数据不完全统计，该领域近七成的融资是在3年内完成。另有动脉网文章显示，一次性生物反应器的国产替代率目前已经至少在50%以上，甚至达到60%—70%。 事实上，国内生物医药已经经历了一段时间的发展，尤其是在动态发展的国际局势影响下，以及下游企业迫切寻求降本增效的希望下，许多中国药企已经从最初的被动选择国产设备到如今主动认可国产设备。也许前几年大家寻求的是国产“替代”进口，相信在不久的将来，大家将会迎来或者已经迎来：国产“超越”进口。 * 参考文献： 1.生物化工，《生物反应器在生物医药产业中的研究进展》 2.科学学研究，《生物反应器关键核心技术识别与国别差距研究》 *封面图片来源：123rf 如果您想对接文章中提到的项目，或您的项目想被动脉网报道，或者发布融资新闻，请与我们联系；也可加入动脉网行业社群，结交更多志同道合的好友。 近 期 推 荐 声明：动脉网所刊载内容之知识产权为动脉网及相关权利人专属所有或持有。未经许可，禁止进行转载、摘编、复制及建立镜像等任何使用。 动脉网，未来医疗服务平台

引言 不孕不育是世界范围内日益突出的重大问题。卵母细胞体外成熟是辅助生殖的重要技术之一。然而，体外成熟卵母细胞来源的胚胎在发育质量和妊娠结局等方面均比体内成熟卵母细胞来源的胚胎差，其分子机制所知甚少。 2024年7月2日，山东大学陈子江院士团队吴克良、中国科学院遗传与发育生物学研究所陆发隆、东北农业大学王加强及东北林业大学刘玉胜通过紧密合作在Nature Communications发表题为Maternal mRNA deadenylation is defective in in vitro matured mouse and human oocytes的研究论文，发现人和小鼠体外成熟卵母细胞中母源mRNA去腺苷酸化（也称poly(A)尾去尾）受损导致数千个基因poly(A)+转录本丰度增加；机制上是去腺苷酸化复合物关键因子Btg4和Cnot7的mRNA在体外成熟过程中不能正常通过多聚腺苷酸化翻译激活从而蛋白水平下降，进而影响卵母细胞中母源mRNA的去腺苷酸化过程。这一重要工作揭示了体外成熟卵母细胞的关键分子缺陷，对将来辅助生殖技术中提升体外成熟卵母细胞的质量具有指导意义。 卵母细胞在生长过程中积累大量母源mRNA，并在发育至完全生长阶段后关闭转录，在随后的卵母细胞成熟过程中母源mRNA需要经过严格转录后调控为受精和早期胚胎发育做好准备。本研究使用团队先前开发的PAIso-seq技术对人和小鼠体外和体内成熟的卵母细胞进行了包含完整poly(A)尾巴的全长转录组测序，发现与先前报道一致的数千个基因在体外成熟卵母细胞中poly(A)+转录本水平异常上调。因为在卵子成熟过程中无新的转录本合成，并且已知在此过程中母源mRNA发生大量的mRNA去腺苷酸化。因此研究人员提出新的假设：在体外成熟卵母细胞中观察到的poly(A)+转录本水平异常上调是由去腺苷酸化受损导致的。对全转录组poly(A)尾进行深入分析很好地支持了上述假设。 进一步对分子机制进行探索表明编码去腺苷酸化复合物重要组分的Btg4和Cnot7的mRNA在卵子成熟过程中通过poly(A)尾加尾驱动的翻译激活受损；导致去腺苷酸化复合物重要组分的蛋白水平降低；从而导致体外成熟卵母细胞中发生全局性的母源mRNA去腺苷酸化重大缺陷。 研究示意图（Credit: Nature Communications） 参考文献 https://www.nature.com/articles/s41467-024-49695-y 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述