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基于受激拉曼散射显微成像的疾病分子标志物研究进展

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中国激光 2024年第15期51卷 110-123页

作者：张朔房霆赫岳蜀华北京航空航天大学生物与医学工程学院北京市生物医学工程高精尖创新中心医用光子学研究所生物力学与力生物学教育部重点实验室北京100191

发现和检测生物分子标志物对疾病的精准诊疗至关重要。尽管荧光显微成像技术常用于细胞分析,但很多生物小分子难以被特异性标记。质谱成像方法则由于有限的空间分辨率和检测过程对组织细胞的损伤,难以原位观测活细胞中生物小分子的时空... 详细信息

发现和检测生物分子标志物对疾病的精准诊疗至关重要。尽管荧光显微成像技术常用于细胞分析,但很多生物小分子难以被特异性标记。质谱成像方法则由于有限的空间分辨率和检测过程对组织细胞的损伤,难以原位观测活细胞中生物小分子的时空变化。基于受激拉曼散射(SRS)的化学显微成像凭借其无标记、高灵敏、高特异、高速、高分辨等优势克服了上述困难,能够对活细胞中重要的生物小分子(例如脂质、氨基酸、葡萄糖和核酸等)的空间分布和代谢转化进行实时定量检测,已在生物医学研究中显示出广阔的应用前景。聚焦于SRS成像在发现和检测疾病分子标志物中的应用,讨论新型SRS成像技术和数据分析方法,为疾病精准诊疗提供新的途径,并展望了该研究方向的发展趋势。

关键词：受激拉曼散射显微成像生物分子标志物疾病精准诊疗

外电场作用下纳米结构表面的固-液界面传热特性

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物理学报 2024年第15期73卷 154-161页

作者：齐凯朱星光王军夏国栋北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室暨传热与能源利用北京市重点实验室北京100124

在固体表面布置纳米结构是一种强化固-液界面传热的简单有效的方法.但是,当固-液界面相互作用较弱时,由于纳米结构并不能被液体浸润,纳米结构的存在反而会弱化固-液界面之间的传热,而外电场的施加则可以解决这一问题.本文基于分子动力... 详细信息

在固体表面布置纳米结构是一种强化固-液界面传热的简单有效的方法.但是,当固-液界面相互作用较弱时,由于纳米结构并不能被液体浸润,纳米结构的存在反而会弱化固-液界面之间的传热,而外电场的施加则可以解决这一问题.本文基于分子动力学模拟的方法,研究了纳米结构固-液界面在外电场作用下的传热特性.通过在2块平行金属板布置数量相同的正负电荷,产生垂直于板面的均匀电场,并在下层金属板上布置了不同尺寸的纳米结构.结果表明:在外电场作用下,纳米结构处会产生电润湿现象,固-液界面的润湿状态能够从Cassie态变为Wenzel态,界面处的Kapitza热阻长度明显减小,因而热流密度显著增大;当电荷量增至发生电冻结的临界值,液态水会产生电冻结现象,其热导率骤增至1.2 W/(m·K),热流密度也随之发生骤增;继续增加电场强度,由于电冻结现象的发生,固-液界面热阻则基本保持不变.

关键词：电润湿纳米结构外电场固-液界面热阻分子动力学

转录因子在植物内质网胁迫中的作用及分子机制研究进展

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植物生理学报 2024年第7期60卷 1055-1067页

作者：白雨婷张文晓周倩向凤宁山东大学生命科学学院植物发育与环境适应生物学教育部重点实验室山东青岛266237

植物的一生常遭受各种胁迫,导致错误折叠蛋白或未折叠蛋白在细胞内积累,进而引发内质网胁迫。植物主要通过内质网质量监控系统(ER quality control,ERQC)、内质网相关降解(ER-associated degradation,ERAD)、未折叠蛋白反应(unfolded pr... 详细信息

植物的一生常遭受各种胁迫,导致错误折叠蛋白或未折叠蛋白在细胞内积累,进而引发内质网胁迫。植物主要通过内质网质量监控系统(ER quality control,ERQC)、内质网相关降解(ER-associated degradation,ERAD)、未折叠蛋白反应(unfolded protein response,UPR)以及自噬来抵抗内质网胁迫。其中UPR是一种通过信号转导来增强蛋白质折叠和修复能力以及促进错误折叠蛋白降解的途径,植物UPR中IRE1和bZIP17/28两种途径已被证实。许多转录因子(transcription factors)参与响应内质网胁迫,主要涉及bZIP、NAC、HSF、WRKY和NF-Y核因子等基因家族,是作物抗逆遗传改良的目标基因,因此研究内质网应激调控机制具有重要意义。本文主要简述了内质网应激中ERQC、ERAD、UPR以及自噬反应的一般原理并对参与内质网应激的转录因子的调控机制研究进展进行综述,以期为植物内质网胁迫中转录因子的作用机制解析及作物抗逆遗传改良提供参考。

关键词：植物转录因子内质网胁迫 UPR 逆境胁迫

构建整合型重组枯草芽孢杆菌高效合成胍基乙酸

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生物工程学报 2024年第9期40卷 3025-3038页

作者：廖雅芯张杰张显饶志明徐美娟江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室江苏无锡214122

胍基乙酸作为一种能源性物质,在食品、医药和饲料等行业有着广泛的应用前景,但目前尚未实现利用生物法工业化生产胍基乙酸。本研究在食品级安全菌株枯草芽孢杆菌中设计胍基乙酸的合成路线,利用调控关键酶表达、解除反馈抑制、增加膜通... 详细信息

胍基乙酸作为一种能源性物质,在食品、医药和饲料等行业有着广泛的应用前景,但目前尚未实现利用生物法工业化生产胍基乙酸。本研究在食品级安全菌株枯草芽孢杆菌中设计胍基乙酸的合成路线,利用调控关键酶表达、解除反馈抑制、增加膜通透性等技术,实现全细胞催化高效合成胍基乙酸。首先基于进化树挖掘筛选最佳L-精氨酸:甘氨酸脒基转移酶,利用强启动子与基因组整合相结合的策略提高关键酶表达水平;其次,引入谷氨酸棒杆菌中用于L-精氨酸合成的鸟氨酸循环途径,缓解副产物L-鸟氨酸对酶的反馈抑制,并敲除L-精氨酸降解途径,强化底物再生;再次,增强N-乙酰胞壁-L-丙氨酸酰胺酶(N-acetylmuramoyl-L-alanine amidase,LytC)基因表达,改善细胞膜通透性;最后,使用菌株Bs-13在最佳转化条件下,经24 h获得13.1 g/L胍基乙酸,转化速率为0.54 g/(L·h),底物甘氨酸的转化率为92.7%。以上策略一定程度上提高了胍基乙酸的生产效率,为生物法合成胍基乙酸提供了参考。

关键词：胍基乙酸 L-精氨酸:甘氨酸脒基转移酶全细胞催化鸟氨酸循环细胞通透性枯草芽孢杆菌

改进的局部最值分段多项式拟合算法精确校正拉曼光谱基线

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光谱学与光谱分析 2024年第4期44卷 1073-1080页

作者：田超凡李剑君翁国军朱键赵军武西安交通大学生命科学与技术学院教育部生物医学信息工程重点实验室陕西西安710049

基线校正作为拉曼光谱预处理极为关键的步骤之一,对进一步拉曼光谱数据分析和实现拉曼成像等有重要意义。目前,最常用的基线校正算法基于多项式拟合,由于其采用手动或半手动的形式,因此依赖人工经验,对用户的专业性要求较高,处理过程繁... 详细信息

基线校正作为拉曼光谱预处理极为关键的步骤之一,对进一步拉曼光谱数据分析和实现拉曼成像等有重要意义。目前,最常用的基线校正算法基于多项式拟合,由于其采用手动或半手动的形式,因此依赖人工经验,对用户的专业性要求较高,处理过程繁琐,处理结果差异较大。同时,在使用过程中,多项式阶数及移动分段窗口难以选择确定,因此处理的结果常出现欠拟合或过拟合现象。针对传统多项式拟合算法的此类局限性,改进了局部最值分段多项式拟合(NPPF)算法用于精确校正拉曼光谱基线。首先采用了改进的基于分段的局部最值算法,选取光谱中最宽峰底部轮廓的近似横向宽度作为背景点窗口宽度,依次选取窗口内的最小两个值作为需要拟合的背景基线点,避免直接比较或者人工选取导致的背景点选取困难,实现更准确地选取每个背景轮廓基线点。然后通过每个窗口三次拟合迭代覆盖的方式,得到三个拟合曲线函数,选取窗口内每个点对应三个曲线函数值,分别计算与前一拟合值的差值绝对值,取绝对值最小的曲线函数值作为此点拟合曲线值,从而较好地避免了传统分段多项式拟合(PPF)算法中的欠拟合和过拟合现象,同时也确定了拟合过程中的阶数和分段窗口。模拟了两种不同背景类型的拉曼光谱,将NPPF与PPF算法分别对两种模拟光谱进行处理比较,发现NPPF处理结果均方根误差(RMSE)小,证实NPPF较于PPF的优越性。最后,对实际样品(烯啶虫胺、罗丹明6G)的拉曼光谱进行了NPPF和PPF对比处理,发现NPPF的拟合基线较为准确,证实该算法NPPF在拉曼光谱基线校正预处理中具有广泛的实际应用价值和前景。

关键词：拉曼光谱多项式拟合基线校正局部最值

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代谢工程改造酿酒酵母高效合成游离脂肪酸

食品与发酵工业 2024年第2期50卷 15-22页

作者：朱满志陈献忠沈微杨海泉夏媛媛江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室江苏无锡214122

该文以酿酒酵母BY4741作为底盘细胞,通过系统代谢工程改造提高游离脂肪酸(free fatty acid,FFAs)的合成。首先,通过删除酰基CoA合成酶FAA1、FAA4以及FAT1的编码基因,提高FFAs的合成,酵母工程菌株FFAs达到384.4 mg/L。进一步,通过敲除PO... 详细信息

该文以酿酒酵母BY4741作为底盘细胞,通过系统代谢工程改造提高游离脂肪酸(free fatty acid,FFAs)的合成。首先,通过删除酰基CoA合成酶FAA1、FAA4以及FAT1的编码基因,提高FFAs的合成,酵母工程菌株FFAs达到384.4 mg/L。进一步,通过敲除POX 1、FAA 2和PXA 2基因,破坏了酵母细胞的β-氧化途径,使细胞外FFAs进一步提高,达到了394.9 mg/L。随后,通过敲除磷脂酸磷酸酶编码基因DPP 1,LPP 1,PAH 1,降低了磷脂酸(phosphatidic acid,PA)的去磷酸化水平,上调了获得的多基因缺失的酵母工程菌(Δfaa 1Δfaa4Δfat1Δpox1Δfaa2Δpxa2Δdpp1Δlpp1Δpah1)能够产生497.3 mg/L的细胞外游离脂肪酸,以及1332.2 mg/L的总脂肪酸。通过组合代谢工程产生的平台菌株,为未来发展脂质相关的细胞工厂提供了基础。

关键词：游离脂肪酸 β氧化酿酒酵母磷脂酸酰基CoA

Amycolatopsis sp.的全基因组测序及香兰素合成途径分析

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食品与发酵工业 2024年第4期50卷 25-30页

作者：王冠娜郑义培郑璞江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室江苏无锡214122

拟无枝酸菌(Amycolatopsis sp.)CCTCC NO:M2011265是一株可以转化阿魏酸生成香兰素菌株,该研究利用Illumina Hiseq测序平台对拟无枝酸菌进行全基因组测序、拼接、基因预测及功能注释,并从拟无枝酸菌的全基因组中筛选和鉴定参与香兰素合... 详细信息

拟无枝酸菌(Amycolatopsis sp.)CCTCC NO:M2011265是一株可以转化阿魏酸生成香兰素菌株,该研究利用Illumina Hiseq测序平台对拟无枝酸菌进行全基因组测序、拼接、基因预测及功能注释,并从拟无枝酸菌的全基因组中筛选和鉴定参与香兰素合成的功能基因。结果表明,总共组装得到64个scaffolds,整个基因组组装大小约为8425551 bp,总GC含量为71.89%。通过生物信息学分析发现了香兰素合成关键基因ech、fcs和ech2基因,及香兰素分解代谢基因vdh基因,其中ech和fcs为一个基因簇,并进一步构建过表达ech-fcs-ech2菌株,其摇瓶发酵表明转化阿魏酸生成香兰素速率加快,发酵时间显著缩短。该研究获得的拟无枝酸菌的全基因组信息为解析其转化阿魏酸生成香兰素发酵过程中的代谢机理提供遗传信息基础,也为通过代谢工程获得高产香兰素菌株的研究提供理论支持。

关键词：香兰素拟无枝酸菌全基因组测序阿魏酸基因功能注释

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代谢工程改造热带假丝酵母生产鼠尾草酸

食品与发酵工业 2024年第3期50卷 45-51,I0002,I0003页

作者：霍达陈献忠杨海泉曹钰江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室江苏无锡214122

鼠尾草酸(carnosic acid,CA)是一种酚类二萜化合物,广泛存在于鼠尾草等唇科类植物中。CA具有抗肿瘤等多种生理以及药理活性,在日化、食品、医疗领域应用价值巨大。热带假丝酵母具有鲁棒性强、耐高温、产油脂等特性,因而在萜类化合物高... 详细信息

鼠尾草酸(carnosic acid,CA)是一种酚类二萜化合物,广泛存在于鼠尾草等唇科类植物中。CA具有抗肿瘤等多种生理以及药理活性,在日化、食品、医疗领域应用价值巨大。热带假丝酵母具有鲁棒性强、耐高温、产油脂等特性,因而在萜类化合物高效生产方面极具潜力。该研究根据热带假丝酵母密码子偏好性对来源于鼠尾草的铁锈醇合酶基因CYP76AH24和鼠尾草酸合酶基因CYP76AK6、来源于拟南芥的细胞色素还原酶基因ATR1进行全序列密码子优化以及基因合成。以生产鼠尾草酸前体次丹参酮二烯热带假丝酵母1C2PM04作为出发菌株,将上述基因整合到其基因组中成功合成鼠尾草酸。利用模块化工程与酵母不同亚细胞区室的空间组合,将上述3条基因以模块化的方式导入胞质和过氧化物酶体中进行表达,鼠尾草酸产量分别为10.25 mg/L和4.64 mg/L。通过下调角鲨烯合酶基因ERG9,降低法尼基焦磷酸池的消耗进而改变代谢通量进一步提高鼠尾草酸产量,效价达到26.3 mg/L。将细胞色素P450酶和细胞色素还原酶进行融合表达,测试以刚性linker(E3AK,E3AK×2,E3AK×3)和柔性linker(G4S,G4S×2,G4S×3)为连接肽,融合表达CYP76AH24和ATR1,鼠尾草酸产量提高1.54倍。该文通过增加CPR拷贝数,增加电子供体,进一步提高鼠尾草酸表达水平,产量达到78.24 mg/L。

关键词：热带假丝酵母鼠尾草酸细胞色素P450 融合蛋白代谢工程

基于尿苷二磷酸葡萄糖循环再生系统高效转化酪醇合成红景天苷

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生物工程学报 2024年第9期40卷 3127-3141页

作者：魏晨昱黄珠莹沈知行张显饶志明胡晓清徐美娟江南大学生物工程学院工业生物技术教育部重点实验室江苏无锡214122

红景天苷是一种在食品、医药等领域应用广泛的功能性成分,其传统生产方法为植物提取,原料成本高昂且提取过程繁琐。本研究通过生物合成法,以酪醇为底物高效生产红景天苷。在利用糖基转移酶实现酪醇糖基化的同时,引入蔗糖合酶构建尿苷二... 详细信息

红景天苷是一种在食品、医药等领域应用广泛的功能性成分,其传统生产方法为植物提取,原料成本高昂且提取过程繁琐。本研究通过生物合成法,以酪醇为底物高效生产红景天苷。在利用糖基转移酶实现酪醇糖基化的同时,引入蔗糖合酶构建尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphosphate glucose,UDPG)循环再生系统。通过比较,筛选出糖基转移酶UGT33以及蔗糖合酶AtSUS,构建重组大肠杆菌(Escherichia coli)BL21/pETDuet-AtSUS-UGT33,并针对基因的拷贝数进行了优化,确定糖基转移酶与蔗糖合酶的最优拷贝数比例为3:1。进一步对重组菌株的全细胞催化条件进行优化,在最适反应温度、pH、菌体量、底物浓度、适量金属离子的最优反应条件下,在5 L发酵罐转化24 h,红景天苷最高产量达到8.17 g/L。本研究为利用微生物高效生产红景天苷提供了一定的参考意义。

关键词：红景天苷糖基转移酶蔗糖合酶尿苷二磷酸葡萄糖循环再生全细胞催化