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DNA存储场景下基于引物索引矩阵的文件高效随机检索方法

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电子与信息学报 2024年第6期46卷 2568-2577页

作者：张淑芳李予辉李炳志天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072 天津大学化工学院系统生物工程教育部重点实验室和合成生物学前沿科学中心天津300072 天津大学合成生物前沿研究院天津300072

DNA分子具有密度高和稳定性的优势,有望成为下一代海量数据存储需求的介质,近年来受到广泛关注。目前将引物作为文件的唯一标识,基于聚合酶链式反应(PCR)扩增技术可实现对DNA池存储文件的随机检索,但对引物与文件之间的分配和映射关系... 详细信息

DNA分子具有密度高和稳定性的优势,有望成为下一代海量数据存储需求的介质,近年来受到广泛关注。目前将引物作为文件的唯一标识,基于聚合酶链式反应(PCR)扩增技术可实现对DNA池存储文件的随机检索,但对引物与文件之间的分配和映射关系没有进行深入研究,仍然采用随机分配的方式来关联引物与文件,这会导致目标引物序列的查找效率降低,且保存引物与文件的映射关系表会造成大量的数据冗余。为了提供一种高效的硅基计算设备与碳基存储系统的连接桥梁,有效降低存储引物与文件映射关系所带来的数据冗余,该文提出一种基于引物索引矩阵的DNA存储随机检索方法。该方法通过将存储文件集按照文件的不同属性进行划分来构建引物索引矩阵,同时将引物库中的引物按照转换规则转化为有序引物库,最后优化引物与文件之间的映射关系,以实现对文件的高效、多维度检索。实验结果表明,在存储不同规模的文件集时,运用所提算法建立对应的引物索引矩阵,可将引物检索效率提高为常数级时间复杂度,并且存储引物与文件的映射关系所需要的额外存储空间从原来的线性增长优化为对数增长。

关键词： DNA存储随机检索引物索引矩阵

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解脂耶氏酵母生物合成芳香族氨基酸衍生物的合成生物学策略

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微生物学通报 2024年

作者：陈茁朱源李伟国闫晓光颜丙扬乔建军赵广荣天津大学化工学院教育部合成生物学前沿科学中心系统生物工程教育部重点实验室天津大学浙江绍兴研究院

芳香族氨基酸衍生物广泛存在于自然界中，具有多种生物活性，包括抗氧化、抗炎、神经保护和抗癌特性。在食品、化妆品、营养保健品、化学等领域，尤其是制药工业中发挥着重要作用。近年来，解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）作为一... 详细信息

芳香族氨基酸衍生物广泛存在于自然界中，具有多种生物活性，包括抗氧化、抗炎、神经保护和抗癌特性。在食品、化妆品、营养保健品、化学等领域，尤其是制药工业中发挥着重要作用。近年来，解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）作为一种非常规模式生物，因其独特的生理生化特性在生物合成领域展现出独特的潜力，特别是在芳香族氨基酸衍生物的合成上，包括白藜芦醇和柚皮素等。由于其独特的胞质环境和高通量的乙酰辅酶A，解脂耶氏酵母成为合成芳香族氨基酸衍生物的理想宿主。本文总结了解脂耶氏酵母在生产芳香族氨基酸衍生物方面的合成生物学策略，并汇总目前解脂耶氏酵母合成芳香族氨基酸衍生物的进展，对解脂耶氏酵母底盘细胞在合成生物学未来的发展和挑战进行了展望。

关键词：解脂耶氏酵母芳香族氨基酸衍生物合成生物学代谢工程

基于工程化盐单胞菌TDZI-08一锅法合成衣康酸

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生物工程学报 2024年

作者：张静元跃王智文陈涛教育部合成生物学前沿科学中心与系统生物工程重点实验室天津大学化工学院菏泽学院农业与生物工程学院

衣康酸(itaconic acid， IA)是12种高附加值平台化合物之一，广泛应用于涂料、黏合剂、塑料、树脂和生物燃料等领域。本研究基于前期构建的工程化盐单胞菌TDZI-08，通过排查阻碍因素、优化碳源、氮源、诱导剂添加时间和表面活性剂添加... 详细信息

衣康酸(itaconic acid， IA)是12种高附加值平台化合物之一，广泛应用于涂料、黏合剂、塑料、树脂和生物燃料等领域。本研究基于前期构建的工程化盐单胞菌TDZI-08，通过排查阻碍因素、优化碳源、氮源、诱导剂添加时间和表面活性剂添加量等，建立了一锅法催化柠檬酸合成衣康酸工艺。在5 L发酵罐中利用TDZI-08进行开放式不灭菌一锅法合成，最高产生了40.50 g/L衣康酸，催化阶段得率为0.68 g衣康酸/g柠檬酸，总得率为0.42 g衣康酸/g (柠檬酸+葡萄糖酸)。本研究中一锅法合成体系工艺简单，且无需灭菌和无菌操作，表明盐单胞菌具有较好的衣康酸工业化生产潜力。

关键词：盐单胞菌衣康酸一锅法合成工艺优化

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工程微藻的生物安全风险、管控及生物封存

生物工程学报 2024年

作者：王晋宋馨宇陈磊张卫文教育部合成生物学前沿科学中心教育部系统生物工程重点实验室天津大学生物安全战略研究中心天津大学化工学院合成微生物学实验室

微藻具备利用太阳能固定CO2并转化为有机物的能力，已成为有前途的绿色细胞工厂。随着生物技术快速发展，前沿生物技术在光合微藻中的研究与应用不断拓展，对微藻的工程改造日益全面和深入，比如通过合成生物学和基因组编辑技术对微藻... 详细信息

微藻具备利用太阳能固定CO2并转化为有机物的能力，已成为有前途的绿色细胞工厂。随着生物技术快速发展，前沿生物技术在光合微藻中的研究与应用不断拓展，对微藻的工程改造日益全面和深入，比如通过合成生物学和基因组编辑技术对微藻进行工程改造，使其有潜力应用于医学、农业、食品、能源、环境等领域。然而，与此同时，工程微藻在环境中存活和扩散的风险也随之增加，给生态环境和人类健康带来潜在安全风险。为避免其在环境中扩散对生态环境和人体健康造成生物安全风险，需要强化工程微藻生物安全风险管控政策，并针对其开发生物风险防控技术。为了这一目标，研究人员开发了生物封存系统(biocontainment)，包括利用有毒蛋白设计杀伤开关等主动策略和敲除必需基因制造营养缺陷型菌株等被动策略，对工程微藻进行空间上的封存。本文对近几年前沿生物技术在微藻生物工程领域的应用、工程微藻逃逸的生物安全风险及管理规范以及工程微藻中建立的多种新型生物封存技术的研究进展进行了总结和评述，最后对微藻生物封存领域的未来发展方向进行了展望。

关键词：工程微藻前沿生物技术生物安全风险管理生物封存

外源添加剂对微藻生长和高价值生物产物积累的影响

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生物工程学报 2024年

作者：吴亚伟王方忠陈磊张卫文教育部合成生物学前沿科学中心教育部系统生物工程重点实验室天津大学化工学院合成微生物学实验室天津大学生物安全战略研究中心

近年来，随着合成生物学的飞速发展，基因工程和分子操作手段日益完善。微藻作为微生物细胞工厂的代表性宿主菌株之一，在生产油脂、色素、蛋白质和生物燃料等高附加值生物产品方面得到了广泛的应用，并在生化能源、食品药品以及环境保... 详细信息

近年来，随着合成生物学的飞速发展，基因工程和分子操作手段日益完善。微藻作为微生物细胞工厂的代表性宿主菌株之一，在生产油脂、色素、蛋白质和生物燃料等高附加值生物产品方面得到了广泛的应用，并在生化能源、食品药品以及环境保护等领域展现出广阔的应用前景。然而，目前基于微藻工艺的生产效率仍然很低，限制了其大规模的工业应用。除了改良菌种和优化培养外，基于外源化学添加剂进行调控也是一种有益的优化策略。这种方法依赖于直接的表型筛选，不需要深入解析生物产品合成过程中涉及的代谢和分解代谢途径中的分子靶点，就可以快速提高微藻高附加值生物产品的产量，获得所需的表型。虽然已有大量关于使用外源添加剂等替代手段来提高微藻生长和高附加值生物产品的产量的研究，但关于添加剂的种类、用途和所针对的菌株以及相关的分子作用机制的分类总结还不够系统和全面。本综述对近年来应用化学诱导剂或增强剂来改善微藻培养中细胞生长和高附加值生物产物积累的实例进行总结，重点介绍了用于微藻培养的外源添加剂的种类、外源添加剂及其组合对微藻生长和高价值生物产品积累的影响以及相关作用的分子机制。希望能为研究人员利用合成生物学的方法来开发合适的细胞底盘以及利用微藻来进行大规模的工业化生产提供有用的信息。

关键词：添加剂微藻生长生物产物

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石油烃污染物降解菌株耐受性的研究进展

生物工程学报 2024年

作者：王珊珊朱肖倩曹志北王璐丁明珠天津大学化工学院天津大学合成生物学前沿科学中心系统生物工程教育部重点实验室天津大学合成生物前沿研究院提高油气采收率全国重点实验室中国石油集团科学技术研究院有限公司

石油烃污染已成为全球环境问题之一，对环境和人类健康造成严重威胁。在石油烃污染环境修复过程中，微生物修复起着至关重要的作用。然而，被石油烃污染的环境中存在着多种胁迫因素，这些因素限制了微生物修复的效率。本文综述了石油烃... 详细信息

石油烃污染已成为全球环境问题之一，对环境和人类健康造成严重威胁。在石油烃污染环境修复过程中，微生物修复起着至关重要的作用。然而，被石油烃污染的环境中存在着多种胁迫因素，这些因素限制了微生物修复的效率。本文综述了石油烃污染环境中常见的胁迫因素，以及微生物对这些因素的响应机制，重点探讨了提高石油烃降解微生物耐受性的方法，如非理性改造、基于系统生物学工具或耐受机制进行理性改造、构建微生物混菌体系等。这些方法的应用有望提高微生物在石油烃污染环境中的生存能力和修复效率，为环境修复提供新的思路和技术支持。

关键词：石油烃污染环境修复胁迫响应微生物耐受性

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噬菌体与细菌基于群体感应的双向互作

中国生物工程杂志 2024年第1期44卷 107-117页

作者：孙舒扬吴胜波张欣乔梁畅畅乔建军天津大学化工学院天津300072 天津大学浙江研究院(绍兴) 绍兴312300 天津大学系统生物工程教育部重点实验室天津300072 天津化学化工协同创新中心合成生物学平台天津300072

在长期的共同进化过程中,噬菌体与细菌宿主之间产生了复杂的相互作用关系。群体感应(quorum sensing,QS)机制在噬菌体和细菌的双向相互作用中扮演了重要角色。综述细菌宿主对群体感应机制的利用,群体感应对生物被膜调节、噬菌体吸附过... 详细信息

在长期的共同进化过程中,噬菌体与细菌宿主之间产生了复杂的相互作用关系。群体感应(quorum sensing,QS)机制在噬菌体和细菌的双向相互作用中扮演了重要角色。综述细菌宿主对群体感应机制的利用,群体感应对生物被膜调节、噬菌体吸附过程以及调控CRISPR-Cas系统等方面所起到的效果,从噬菌体对群体感应机制的介入,总结群体感应机制在噬菌体溶原-裂解性调节以及噬菌体对群体感应机制的抑制,探讨对噬菌体QS机制的挖掘和解析,以期为群体感应机制在噬菌体治疗等领域的应用提供理论依据。

关键词：群体感应噬菌体-细菌宿主溶原-裂解微生物相互作用

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群体感应基因电路的设计与应用进展

微生物学通报 2024年

作者：周永胜王海娇乔建军财音青格乐吴胜波天津大学浙江绍兴研究院天津大学化工学院天津化学化工协同创新中心合成生物学平台系统生物工程教育部(天津大学)重点实验室

群体感应（quorum sensing， QS）是一种细菌协调菌群行为的通讯系统。自然界中广泛存在的QS系统通过对外界环境的感知来提升微生物群落生殖繁衍的能力。由于其自主感知和密度依赖的自然特性和模块化、易于工程化改造的特性在合成生物... 详细信息

群体感应（quorum sensing， QS）是一种细菌协调菌群行为的通讯系统。自然界中广泛存在的QS系统通过对外界环境的感知来提升微生物群落生殖繁衍的能力。由于其自主感知和密度依赖的自然特性和模块化、易于工程化改造的特性在合成生物学技术的推动下，取得了快速的发展和应用。QS的机制阐明为基因回路的设计并用来验证和执行预期的生物功能奠定了基础。但是，如何保证QS基因回路的有效性和功能稳定性是合成生物学应用的重大挑战。因此，本综述中先对自然常见的QS调控机制和基因电路的发展进行整理，然后对其在细胞之间通讯中的组装优化进行分析和概括，接着对其在群落中的应用进展进行了梳理，最后对QS基因电路如何更好地应用于微生物改造提出了建议和发展趋势。

关键词：群体感应细胞通讯基因回路人工合成菌群动态调控

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鼠伤寒沙门氏菌群体感应干扰策略研究进展

食品与发酵工业 2024年

作者：肖雪张红蕊张鹏乔建军财音青格乐吴胜波天津大学化工学院天津大学浙江研究院(绍兴) 系统生物工程教育部(天津大学)重点实验室天津化学化工协同创新中心合成生物学平台

鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella enterica serovar Typhimurium）作为常见的食源性致病菌，由于其耐药性问题而严重危害公共健康。研究表明干扰致病菌的群体感应( quorum sensing， QS )系统是解决其耐药性问题的有效方案之一。QS是细胞间... 详细信息

鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella enterica serovar Typhimurium）作为常见的食源性致病菌，由于其耐药性问题而严重危害公共健康。研究表明干扰致病菌的群体感应( quorum sensing， QS )系统是解决其耐药性问题的有效方案之一。QS是细胞间的一种通讯机制，涉及多种代谢活动，例如生物被膜形成、运动性、毒力因子、黏附和侵袭等过程。为了系统地总结鼠伤寒沙门氏菌的群体感应及其相应的干扰策略，该文首先介绍了S. Typhimurium包含的N-高丝氨酸内酯类、2型自诱导分子、3型自诱导分子、吲哚和扩散信号分子等介导的5种QS系统。然后从信号分子合成、胞外运输及反应、与受体蛋白相互作用3方面总结了对不同QS系统的抑制和促进策略。指出了未来QS干扰策略的开发应更多立足于多靶点和多层次的系统网络，以期为解决沙门氏菌耐药性开辟新的思路。

关键词：群体感应干扰群体感应猝灭,肠道致病菌,抗生素耐药性生物被膜毒力因子