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合成生物学 2024年

作者：竺方欢岑雪聪陈振工业生物催化教育部重点实验室清华大学化学工程系清华大学合成与系统生物学中心

二元醇是一类重要的大宗化学品，在高分子材料、化妆品、燃料、食品和制药行业中有着广泛应用。开发可利用生物质及碳一原料等可再生原料生产二元醇的生物合成路线对于降低化石资源依赖、减少二氧化碳的排放具有重要的意义，近年来受到... 详细信息

二元醇是一类重要的大宗化学品，在高分子材料、化妆品、燃料、食品和制药行业中有着广泛应用。开发可利用生物质及碳一原料等可再生原料生产二元醇的生物合成路线对于降低化石资源依赖、减少二氧化碳的排放具有重要的意义，近年来受到了国内外广泛关注。虽然通过生物法生产1,3-丙二醇，1,3-丁二醇和1,4-丁二醇已实现商业化，但大多数其他二元醇的高效生物合成仍面临挑战，主要原因包括缺乏有效的天然生物合成途径、基因工程菌的产率低等。本综述全面探讨了微生物合成二元醇的最新研究进展，特别是在开发新代谢途径和代谢工程策略方面，以实现C2至C5二元醇的高效生物合成。例如通过对非天然合成途径的设计和构建以实现系列非天然二元醇的生物合成，以及利用非传统的碳源（如木质纤维素等）通过特定的代谢途径和优化策略合成二元醇，为生物合成领域开辟新的道路。此外，我们还讨论了这些生物合成过程向工业应用转化的主要挑战和未来的发展前景，包括廉价和可持续原料的获取、大规模放大过程的复杂性、满足下游特定需求的后提取工艺开发等。

关键词：二元醇生物合成代谢工程可再生原料工业应用

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迁移体的研究进展

科学通报 2024年

作者：杜万清俞立膜生物学国家重点实验室北京生物结构前沿研究中心清华大学生命科学学院

迁移体是近年来发现和命名的一种新型膜结构,在细胞间通讯中发挥着至关重要的作用.迁移体由迁移性细胞产生,并通过收缩丝与细胞胞体相连接.迁移体广泛地存在于多种细胞、组织和器官中,其内部富含信号和生物活性分子,在一系列生理和病理... 详细信息

迁移体是近年来发现和命名的一种新型膜结构,在细胞间通讯中发挥着至关重要的作用.迁移体由迁移性细胞产生,并通过收缩丝与细胞胞体相连接.迁移体广泛地存在于多种细胞、组织和器官中,其内部富含信号和生物活性分子,在一系列生理和病理过程中扮演着关键角色.本综述详细概述了迁移体生物学研究的最新进展,涵盖了迁移体形成的分子机制、重要的生物学功能及其在各种疾病中的关联和潜在的应用.此外,本综述分享了对迁移体生物学未来发展方向的一些思考和看法,提出了该研究领域面临的新兴挑战和一系列未解决的关键问题.

关键词：迁移体收缩丝细胞间通讯迁移性细胞

基于低延迟可解释性深度学习的复杂旋转机械关键部件知识嵌入与诊断方法研究

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机械工程学报 2024年第12期60卷 107-115页

作者：刘岳开王天杨褚福磊清华大学摩擦学国家重点实验室北京100084 清华大学机械工程系北京100084

对于复杂旋转机械关键部件的诊断任务,模型设计容易受限于以下两个特点:(1)机理驱动的方法往往难以实现复杂系统的完备、精准建模;(2)数据驱动方法多数需要规模化的高质量训练数据集用于训练。针对上述问题,提出一种先验知识嵌入的深度... 详细信息

对于复杂旋转机械关键部件的诊断任务,模型设计容易受限于以下两个特点:(1)机理驱动的方法往往难以实现复杂系统的完备、精准建模;(2)数据驱动方法多数需要规模化的高质量训练数据集用于训练。针对上述问题,提出一种先验知识嵌入的深度学习模型,融合机理知识与传感器信号特征。并通过引入轻量化模型结构,在保证模型精准性的前提下降低推理延迟。首先,通过融合先验机理知识与传感器信号特征,构建关键部件数字孪生体。然后,设计先验知识嵌入模块来提升深度学习模型对融合特征的表征能力。最后,基于帕累托最优化理论,设计考虑准确性指标和计算效率指标的多目标优化方法,对基于深度学习的诊断模型进行结构优化设计,并引入可解释性框架对深度学习模型决策过程进行分析。结果表明,所设计的关键部件数字孪生体能够提供丰富的先验信息从而加速模型收敛。基于帕累托最优化理论的训练策略,能够搜索到设定指标的相对最优解,从而在保证模型精准性的前提下有效降低模型推理延迟。

关键词：可解释深度学习先验知识嵌入数字孪生帕累托最优化低延迟推理

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基于极端微生物的生物制造

合成生物学 2024年

作者：邵明威孙思勉杨时茂陈国强清华大学化工系教育部工业生物催化重点实验室清华大学生命科学学院清华大学合成与系统生物学中心

以微生物或酶为基础的生物制造，正以其绿色、环保、可持续等优势逐渐替代以化石燃料为原料的传统化工生产模式。然而，传统工业生物技术在易染菌、设备复杂、难以连续发酵等劣势。相较而言，“下一代工业生物技术（NGIB）”利用以嗜盐... 详细信息

以微生物或酶为基础的生物制造，正以其绿色、环保、可持续等优势逐渐替代以化石燃料为原料的传统化工生产模式。然而，传统工业生物技术在易染菌、设备复杂、难以连续发酵等劣势。相较而言，“下一代工业生物技术（NGIB）”利用以嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸碱菌等极端微生物作为底盘细胞，使用廉价底物生产多种高附加值产品，具有开放、无需灭菌、连续发酵等优点。本文介绍了嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸碱菌极端微生物的定义以及在高盐、高温极度酸碱等极端环境下快速生长的特性。随后总结了目前极端微生物的基因工程手段例如启动子工程、以CRISPR为代表的基因编辑技术、命运共同体策略、稳定质粒载体等，代谢工程手段例如增加碳源前体、敲除旁路代谢、减少副产物、提高转运等，以及极端微生物生产的多种产品例如PHA、蛋白质、氨基酸及小分子衍生物等。同时概况了目前在极端微生物底盘细胞改造过程中仍存在的问题，如缺乏多种优秀的质粒载体、质粒转化效率低、缺乏高效基因编辑技术以及其他非嗜盐菌生长发酵周期较长等，并提出了相应的解决策略。最后展望了如何充分利用不同类型极端微生物的特性生产优势产品，推动下一代工业生物技术的发展与完善，实现绿色、环保、可持续的生物制造。

关键词：极端微生物嗜盐菌下一代工业生物技术生物制造 PHB 基因工程代谢工程合成生物学无灭菌发酵非粮生物原料

小粒径Fe_(3)O_(4)-DMSA-PEI磁性纳米颗粒的制备及其基因负载能力研究

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无机材料学报 2024年第5期39卷 517-524页

作者：蔡和庆韩璐杨松松薛新玉张扣孙志成刘儒平胡堃危岩北京印刷学院印刷与包装工程学院北京102600 清华大学生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室北京100084

四氧化三铁(Fe_(3)O_(4))磁性纳米颗粒因其制备简单,在外加磁场作用下具有靶向性,并且表面易接枝等特性,可作为被动靶向载体应用于基因治疗领域。本研究采用溶剂热法制备纳米颗粒,并调控堆积生长时间,制得粒径在4~9 nm范围内可控的油相F... 详细信息

四氧化三铁(Fe_(3)O_(4))磁性纳米颗粒因其制备简单,在外加磁场作用下具有靶向性,并且表面易接枝等特性,可作为被动靶向载体应用于基因治疗领域。本研究采用溶剂热法制备纳米颗粒,并调控堆积生长时间,制得粒径在4~9 nm范围内可控的油相Fe_(3)O_(4)纳米颗粒;使用内消旋-2,3-二巯基丁二酸(DMSA)二次取代其表面的油酸分子,使其具备良好的水相分散性;通过酰胺化反应在其表面接枝支链型聚乙烯亚胺(PEI),最终得到Fe_(3)O_(4)-DMSA-PEI磁性纳米颗粒。研究发现,Fe_(3)O_(4)-DMSA-PEI磁性纳米颗粒的表面Zeta电位高达(52.50±1.94)mV,具有一定的超顺磁性(14.48 emu/g,1 emu/g=1 A·m^(2)/kg)。磁性纳米颗粒与质粒DNA的质量比为15:1时可完全阻滞DNA在凝胶上的电泳,装载量高达6.67%。本研究制备的Fe_(3)O_(4)-DMSA-PEI磁性纳米颗粒具有一定的基因负载能力,有望作为基因载体应用于基因转染领域。

关键词：四氧化三铁磁性纳米颗粒基因载体表面改性

芳香烃受体蛋白质生理功能及在肿瘤中的作用机制

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中国生物化学与分子生物学报 2024年第1期40卷 54-62页

作者：常文静严汉池天津大学生命科学学院结构生物学实验室天津300072

芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor,AHR)作为一种配体依赖性的转录因子,介导2,3,7,8-四氯二苯并对二恶英(2,3,7,8-tetrachloro-dibenzop-dioxin,TCDD)等卤代烃的毒性作用,属于碱性螺旋-环-螺旋-PAS(basic Helix-Loop-Helix-PER-ARNT-SIM,bHLH-PAS)家族成员,具有进化保守性,在多种动物和人类中表达。该蛋白质通过与特定配体结合发生构象改变,转位至细胞核同AHR核转运蛋白(AHR nuclear translocator,ARNT)形成二聚体,并对下游靶基因表达发挥调控作用。最近研究发现,AHR也成为控制细胞增殖分化、凋亡、迁移黏附等多种生理过程的关键转录因子,揭示了AHR在细胞稳态、宿主免疫和肿瘤发展中的重要作用。本文基于国内外对AHR的系列研究,讨论了AHR功能结构、发挥作用的信号通路及其多样性的配体,重点阐述其在防御和屏障保护、调节自身免疫进程、参与调节B细胞和多种T细胞亚群发育分化及其细胞因子的表达,以及在不同微环境中对肿瘤发挥促进或抑制作用的讨论,旨在为相关免疫疾病和肿瘤的AHR靶向治疗提供新思路。

关键词：芳香烃受体 2,3,7,8-四氯二苯并对二恶英免疫防御肿瘤

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钠-葡萄糖协同转运蛋白2及其抑制剂与相关疾病

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中国生物化学与分子生物学报 2024年第2期40卷 188-197页

作者：丁百香天津大学生命科学学院结构生物学实验室天津300072

葡萄糖(glucose)是生物最主要的供能物质,是活细胞的能量来源和新陈代谢的中间产物,并在细胞信号传递中发挥着重要作用。异常葡萄糖代谢经常与糖尿病、视网膜病变、阿尔兹海默症以及心血管疾病等相关。钠-葡萄糖协同转运蛋白2(sodium-gl... 详细信息

葡萄糖(glucose)是生物最主要的供能物质,是活细胞的能量来源和新陈代谢的中间产物,并在细胞信号传递中发挥着重要作用。异常葡萄糖代谢经常与糖尿病、视网膜病变、阿尔兹海默症以及心血管疾病等相关。钠-葡萄糖协同转运蛋白2(sodium-glucose cotransporter 2,SGLT2)是机体内参与维持葡萄糖稳态的转运体之一,介导肾对葡萄糖的重吸收,对维持血浆葡萄糖稳定有着重要作用。钠-葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂(sodium-glucose cotransporter 2 inhibitor,SGLT2i)可减少肾对葡萄糖的重吸收,对于血糖、血压、体重等产生积极影响。本文总结了当前SGLT2及其抑制剂的研究进展,综述了SGLT2结构及关键位点、SGLT2i作用机制,特别是近几年的研究发现,SGLT2i对肾及心血管的保护作用愈加明显,同时还能抵抗肿瘤细胞的发生和发展。最后,本文总结讨论了目前针对SGLT2i相关研究的瓶颈问题,为未来基于结构的抑制剂药物优化提供新思路。

关键词：葡萄糖代谢钠-葡萄糖协同转运蛋白2 钠-葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂心血管和肾癌症

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磁声耦合:物理、材料与器件

物理学报 2024年第5期73卷 1-23页

作者：陈崇马铭远潘峰宋成清华大学材料学院先进材料教育部重点实验室北京100084

固体中的声波有两种传播方式:一种是声体波,以纵波或横波的形式在固体内部传播;另一种是声表面波,在固体表面产生并沿着表面传播.声波射频技术利用这些声波来截取和处理信号,尤其体现在快速发展的射频滤波器技术中.声学滤波器因其体积... 详细信息

固体中的声波有两种传播方式:一种是声体波,以纵波或横波的形式在固体内部传播;另一种是声表面波,在固体表面产生并沿着表面传播.声波射频技术利用这些声波来截取和处理信号,尤其体现在快速发展的射频滤波器技术中.声学滤波器因其体积小、成本低和性能稳定等多方面的优势,在移动通信等领域得到了广泛应用.受益于成熟的制造工艺和确定的共振频率,声波已逐渐成为操控磁性和自旋的有力手段,这一领域正朝着小型化、超快和节能的自旋电子学器件应用迈进.将磁性材料集成到声学射频器件,也开辟了对声学器件调控方法和性能提升的新思路.本综述首先梳理了各种磁声耦合的物理机制,并在此基础上系统介绍了声控磁化动力学、磁化翻转、磁畴和磁性斯格明子产生及运动、自旋流产生等一系列磁性和自旋现象.同时也讨论了声控磁的逆过程——磁控声波的研究进展,包括声波参数的磁调控和声波的非互易传播,以及基于此开发的新型磁声器件,如磁传感器、磁电天线、可调谐滤波器等.最后展望了磁声耦合未来可能的研究方向和潜在的应用前景.

关键词：磁弹耦合声控磁性磁控声波磁声器件

界面微环境调控策略用于电催化转化的研究进展

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科学通报 2024年第14期69卷 1821-1833页

作者：孔克俭段昊泓清华大学化学系北京100084 清源创新实验室泉州362801

近年来,由可再生电力作为驱动力的电催化反应体系的研究取得了长足的发展.而除了传统的电催化剂设计策略,催化剂(纳米级别)界面微环境的调节也同样被证明对反应性能有着深刻的影响.本文综述了界面微环境调控策略在电催化转化(如二氧化... 详细信息

近年来,由可再生电力作为驱动力的电催化反应体系的研究取得了长足的发展.而除了传统的电催化剂设计策略,催化剂(纳米级别)界面微环境的调节也同样被证明对反应性能有着深刻的影响.本文综述了界面微环境调控策略在电催化转化(如二氧化碳和生物质分子转化)领域取得的重要进展.在介绍电极-电解液界面双电层结构的基础上,阐述了界面电场调控、pH调控、底物浓度调控和物种相互作用调控4种界面调控策略.此外,我们在双电层结构水平上讨论了以上界面调控策略在离子聚合物反应体系中的综合应用.最后,对4种调控策略之间的潜在联系进行了简要的讨论,并且总结并讨论了当前微环境调控研究的局限性,展望了类酶体系设计以及对产物立体选择性调控的广阔前景.

关键词：电催化电极-电解液界面界面微环境调控策略双电层