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合成生物学赋能:从学科发展到产业转化

中国科学院院刊 2024年第5期39卷 851-861页

作者：熊燕马雪晴陈大明刘晓赵国屏中国科学院上海营养与健康研究所上海生命科学信息中心上海200031 中国科学院大学北京100049 中国科学院上海营养与健康研究所生物医学大数据中心上海200031 中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海200032

合成生物学通过引入工程科学“自下而上”认识生命体系的理念,在生命科学研究中采用“设计—构建—测试—学习”迭代的研究范式,并在基因组和系统生物学的基础上,构建工程化的新生命体系,为生命科学提供了“从创造到理解”的新途径,不... 详细信息

合成生物学通过引入工程科学“自下而上”认识生命体系的理念,在生命科学研究中采用“设计—构建—测试—学习”迭代的研究范式,并在基因组和系统生物学的基础上,构建工程化的新生命体系,为生命科学提供了“从创造到理解”的新途径,不仅颠覆了从整体到局部的“格物致知—还原论”的传统研究策略,还开启了理解生命本质的“建物致知”新文化。同时,合成生物学将生物技术由“模拟自然过程”和“遗传工程改造”上升至“定量理性设计”和“标准化构建测试”的高度,推动生物工程和代谢工程朝着对标生命过程的高效率、普适性的工程化“重编程”,甚至是“从头构建”的新高度,以实现“建物致用”的目标。文章梳理了合成生物学近年来在生命科学基础研究中“建物致知”方面的重要进展,列举了其在化工、医药、食品、环境等应用领域中“建物致用”的具体案例,展现了合成生物学对人类社会全面发展正在发挥的重大影响,强调了为确保合成生物学的健康、快速发展,构建会聚生态系统与治理体系的重要性。

关键词：合成生物学赋能会聚创新生态系统

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女性卵巢储备及相关生育力保护手段

中国科学：生命科学 2024年第1期54卷 161-172页

作者：涂婉郭致远何北佳王红梅闫龙中国科学院动物研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室北京100101 中国科学院干细胞与再生医学创新研究院北京100101 中国科学院大学北京100049 北京干细胞与再生医学研究院北京100101

卵巢储备是指卵巢内原始卵泡数量和卵母细胞质量,代表女性生育力水平,卵巢储备的消耗是生育力下降的主要原因.在生理状态下,原始卵泡的周期性募集和卵母细胞质量降低导致卵巢储备逐年下降,并在绝经后耗竭.病理状态下,卵巢储备的过早耗... 详细信息

卵巢储备是指卵巢内原始卵泡数量和卵母细胞质量,代表女性生育力水平,卵巢储备的消耗是生育力下降的主要原因.在生理状态下,原始卵泡的周期性募集和卵母细胞质量降低导致卵巢储备逐年下降,并在绝经后耗竭.病理状态下,卵巢储备的过早耗竭导致排卵提前停止,雌激素缺乏,女性患骨质疏松症和心血管疾病的风险增加.因此,卵巢储备对于女性健康至关重要.随着女性生育年龄的推迟以及对自身生育力保护意识的增强,女性生育力保护的社会需求日益增加.因此,围绕卵巢储备讨论相关的生育力保护措施不可或缺.本文综述了卵巢储备的变化规律,卵巢储备下降引起的疾病,卵巢储备下降的分子机制和相关的生育力保护手段,旨在为女性生育力保护提供支持.

关键词：卵巢储备卵巢储备下降机制女性生育力保护干细胞治疗

线粒体RNA m^(3)C修饰酶METTL8的修饰机制和底物特异性

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科学通报 2024年第14期69卷 1806-1809页

作者：黄梦涵周小龙国科大杭州高等研究院生命与健康科学学院浙江省系统健康科学重点实验室杭州310024 中国科学院分子细胞科学卓越创新中心/上海生物化学与细胞生物学研究所核糖核酸功能与应用全国重点实验室上海200031

tRNA是遗传信息传递的关键生物大分子之一.在核糖体中,tRNA的反密码子通过与mRNA的三联体密码子互补配对,从而将其携带的氨基酸掺入到新合成的肽链中,对遗传信息的精准传递具有重要作用^([1]).tRNA上存在着大量的转录后核苷酸修饰^([2])... 详细信息

tRNA是遗传信息传递的关键生物大分子之一.在核糖体中,tRNA的反密码子通过与mRNA的三联体密码子互补配对,从而将其携带的氨基酸掺入到新合成的肽链中,对遗传信息的精准传递具有重要作用^([1]).tRNA上存在着大量的转录后核苷酸修饰^([2]).目前已有120多种tRNA修饰被鉴定出来,它们存在于12%~20%的tRNA核苷酸碱基上^([3,4]).tRNA上存在的这些修饰参与并调控一系列生命过程^([5]).众多的修饰能够维持tRNA结构、提高tRNA稳定性、促进反密码子与密码子的精确配对等,在多种生命活动中发挥作用^([6,7]).

关键词：反密码子三联体密码生物大分子修饰酶 tRNA 遗传信息传递底物特异性

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合成生物学在干细胞工程化改造中的研究进展

合成生物学 2024年第4期5卷 782-794页

作者：蔡冰玉谭象天李伟中国科学院动物研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室北京100101 中国科学院大学北京100049 中国科学院干细胞与再生医学创新研究院北京100101 北京干细胞与再生医学研究院北京100101

多能干细胞具备自我更新能力和多向分化潜能,其分化衍生的细胞及类器官在再生医学中具有巨大的应用潜力。但是干细胞临床转化仍然存在许多挑战。合成生物学“自上而下”的设计理念,结合基因编辑以及合成受体在内的强大工具库,能够赋予... 详细信息

多能干细胞具备自我更新能力和多向分化潜能,其分化衍生的细胞及类器官在再生医学中具有巨大的应用潜力。但是干细胞临床转化仍然存在许多挑战。合成生物学“自上而下”的设计理念,结合基因编辑以及合成受体在内的强大工具库,能够赋予细胞新的功能,实现干细胞工程化改造。在此,本文总结了多能干细胞的临床应用和干细胞临床转化面临的主要挑战(干细胞分化衍生物的致瘤性、异质性、免疫原性),以及合成生物学在干细胞工程化改造中的应用(精确控制细胞命运、调控细胞通信、优化类器官结构功能、监测并清除致瘤细胞)。这些合成生物学工具为干细胞工程化改造提供了新的策略和平台,有望解决干细胞临床应用现存的诸多挑战,推动再生医学的进一步发展,实现“器官再生”这一核心目标。

关键词：多能干细胞类器官合成生物学细胞治疗干细胞工程化改造

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二维材料非线性光学及超快动力学研究进展

中国激光 2024年第11期51卷 425-453页

作者：王艳董宁宁王俊中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

二维材料因其在物理、化学、生物和能源等领域中的潜在应用受到了人们的广泛关注,二维材料的非线性光学效应已成为一个重要的研究内容。总结了几种二维材料的制备方法及其优缺点,阐述了二维材料非线性光学的基本原理,介绍了多种二维材... 详细信息

二维材料因其在物理、化学、生物和能源等领域中的潜在应用受到了人们的广泛关注,二维材料的非线性光学效应已成为一个重要的研究内容。总结了几种二维材料的制备方法及其优缺点,阐述了二维材料非线性光学的基本原理,介绍了多种二维材料的非线性光学特性的测试手段。重点介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所在二维材料非线性光学特性方面的研究进展,总结了其在调Q/锁模、激光防护和光调制等方面的应用,分析了当前二维材料面临的挑战和机遇。

关键词：非线性光学二维材料超快非线性光学脉冲激光超快载流子动力学

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数据驱动的生命科学研究进展

中国科学院院刊 2024年第5期39卷 862-871页

作者：江海平高纯纯刘文豪杨运桂李鑫中国科学院动物研究所北京100101 北京干细胞与再生医学研究院北京100101 国家生物信息中心北京100101

生命科学发展日新月异,伴随着大量实验技术的更新,生物大数据逐渐产生并在生命科学研究中扮演着日益重要的角色。首先,生物大数据具有多样性和复杂性,包括基因组数据、表观基因组数据、蛋白质组数据等多种类型。这些数据为研究人员提供... 详细信息

生命科学发展日新月异,伴随着大量实验技术的更新,生物大数据逐渐产生并在生命科学研究中扮演着日益重要的角色。首先,生物大数据具有多样性和复杂性,包括基因组数据、表观基因组数据、蛋白质组数据等多种类型。这些数据为研究人员提供了更全面的信息,有助于揭示生命现象背后的规律。其次,数据驱动的生命科学新发展和应用涵盖了基因编辑、精准医疗、药物研发等诸多领域,为人类健康和生命质量提供了前所未有的可能性。然而,生命科学研究大数据时代也面临着包括数据存储、数据共享、隐私保护等多方面的问题,以及如何将海量数据转化为可靠的科学发现等挑战。文章简要概括了生物数据推动生命科学的发展规律,梳理了生物大数据组成、特点及来源,阐述并讨论了数据驱动的生命科学研究新范式下的共性问题和我国面临的挑战。

关键词：科学研究范式大数据生命科学

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纳米气泡及其特殊的界面效应

中国科学：化学 2024年第1期54卷 85-92页

作者：张立娟郑晋文博胡钧中国科学院上海高等研究院上海光源上海201204 中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院大学北京100049 上海大学理学院上海200444

固液界面性质研究,特别是纳米尺度下的界面性质,一直是基础科学和材料科学研究者非常关注的问题.纳米级的气泡,其真实存在有悖于经典热力学和气体扩散理论.但随着2000年第一篇关于纳米气泡图像文章的发表,已经被证明能够在固液界面或体... 详细信息

固液界面性质研究,特别是纳米尺度下的界面性质,一直是基础科学和材料科学研究者非常关注的问题.纳米级的气泡,其真实存在有悖于经典热力学和气体扩散理论.但随着2000年第一篇关于纳米气泡图像文章的发表,已经被证明能够在固液界面或体相中稳定存在.近二十年大量研究发现,其超高稳定性、纳米尺寸效应及特殊的生物学效应等特性都与界面息息相关.这些特性决定了其必然带来新的应用前景,催生很多重要的应用,如水环境和土壤修复、农业种植、水产养殖、工业清洗、化工催化、生物医学治疗与诊断以及养生健康等.基于本研究团队的前期研究,本文主要介绍了纳米气泡研究的概况,重点描述了纳米气泡的基本性质、其特殊的界面效应和生物学效应以及该领域的亟待解决的问题,并对未来研究进行了展望.

关键词：纳米气泡界面效应抗氧化蛋白活性

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银染高尔基染色法用于神经元完整结构成像

应用化学 2024年第5期41卷 677-686页

作者：周峰蔡小青汤乔伟诸颖王丽华胡钧中国科学院上海应用物理研究所中国科学院微观界面物理与探测重点实验室上海201800 中国科学院大学北京100049 中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心上海201210 上海大学理学院化学系材料生物学研究所上海200444 祥符实验室嘉善314102

高尔基染色是神经元树突和树突棘可视化的经典方法,目前仍被广泛用于神经元形态可视化。银高尔基染色目前存在易产生黑色沉淀、染色神经元形态结构不完整等问题。对重铬酸钾(K_(2)Cr_(2)O_(7))和硝酸银(AgNO_(3))如何影响银染高尔基染... 详细信息

高尔基染色是神经元树突和树突棘可视化的经典方法,目前仍被广泛用于神经元形态可视化。银高尔基染色目前存在易产生黑色沉淀、染色神经元形态结构不完整等问题。对重铬酸钾(K_(2)Cr_(2)O_(7))和硝酸银(AgNO_(3))如何影响银染高尔基染色方法的染色效果进行了研究,通过研究染色液组成成分重铬酸钾、硝酸银质量浓度变化和组分的不同作用方式,实现了对银染高尔基染色方法的优化。结果表明,35 mg/mL多聚甲醛(Paraformaldehyde,PFA)和20 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)混合液染色效果要明显优于20 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)单独染色效果,在K_(2)Cr_(2)O_(7)的质量浓度优化过程中,80 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)的染色效果最佳,35 mg/mL PFA与20 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)混合溶液和80 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)最佳染色时长比为3∶1,染色过程中AgNO_(3)的最佳质量浓度为10 mg/mL,在最终的染色液组成成分以及作用方式中40 mg/mL PFA固定2 d、35 mg/mL PFA和20 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)混合溶液处理3 d、80 mg/mL K_(2)Cr_(2)O_(7)处理1 d和10 mg/mL AgNO_(3)处理5 d对脑组织神经元形态的可视化具有最佳效果。优化后的银染高尔基染色方法可实现对神经元的完整形态结构染色,同时在染色过程也将产生更少的成像杂质沉淀噪点。该工作将提供一种新的高尔基改良染色方法,实现神经元完整形态结构的染色,有望为研究脑神经元结构变化与脑疾病之间的关系提供新的染色方法。

关键词：重铬酸钾硝酸银神经元形态银染高尔基染色

铑催化苯甲酰亚胺导向C—H活化合成茚[1,2-c]异喹啉-11-酮

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化学学报 2024年第6期82卷 565-569页

作者：黄佳鑫刘敏徐辉戴辉雄中国科学院上海药物研究所原创新药研究全国重点实验室上海201203 中国科学院上海有机化学研究所金属有机化学国家重点实验室上海200032 中国科学院大学北京100049

茚并[1,2-c]异喹啉是一类非常重要的有机杂环骨架,在药物化学、有机光电材料方面有着广泛的应用.本工作以苯甲酰亚胺乙酯及α-重氮-1,3-二酮为底物,通过金属铑催化,构建了茚[1,2-c]异喹啉酮骨架.进一步通过还原反应,高效合成具有生物活... 详细信息

茚并[1,2-c]异喹啉是一类非常重要的有机杂环骨架,在药物化学、有机光电材料方面有着广泛的应用.本工作以苯甲酰亚胺乙酯及α-重氮-1,3-二酮为底物,通过金属铑催化,构建了茚[1,2-c]异喹啉酮骨架.进一步通过还原反应,高效合成具有生物活性的茚并[1,2-c]异喹啉产物.该反应具有良好的底物普适性和官能团兼容性.机理试验表明该反应可能经历了五元环铑中间体,且碳氢键活化为反应的决速步.

关键词：茚并[1,2-c]异喹啉 C—H键活化铑催化