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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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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

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

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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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合成生物学驱动的蓝细菌光合固碳研究及应用

生命科学 2024年

作者：汪浩张芬芳陈磊孙韬张卫文天津大学生物安全战略研究中心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

蓝细菌是一类以CO2为碳源的光能自养微生物，构建以蓝细菌为底盘的人工细胞不仅可以合成高价值产品，还可减少大气中CO2含量，助力“双碳”目标的实现。即便如此，蓝细菌仍存在生长速率较慢、环境胁迫鲁棒性差及化学品产量低等问题。近... 详细信息

蓝细菌是一类以CO2为碳源的光能自养微生物，构建以蓝细菌为底盘的人工细胞不仅可以合成高价值产品，还可减少大气中CO2含量，助力“双碳”目标的实现。即便如此，蓝细菌仍存在生长速率较慢、环境胁迫鲁棒性差及化学品产量低等问题。近些年，合成生物学技术的跨越式发展使得理性设计底盘，深度理解蓝细菌光合固碳机理、提升蓝细菌光合效率及固碳能力成为可能。为促进理解合成生物学在蓝细菌中的应用，本文梳理了目前蓝细菌中主要的模式底盘，对围绕其开发的遗传改造工具进行总结；随后讨论了蓝细菌中研究光合、固碳机理机制及通过缩短捕光天线、重塑卡尔文循环等方式提升光合固碳效率的相关研究；此后本文对通过改造蓝细菌将CO2转化为高价值化学品的工作进行归纳，最后本文对合成生物学未来如何驱动蓝细菌更高效的利用CO2进行了展望。总之，通过合成生物学方法对蓝细菌进行全方位改造，有望培育出光合固碳效率足够高，既能优化环境又具备大规模工业化生产价值的“超级”蓝细菌底盘。

关键词：蓝细菌碳中和光合固碳系统重构光合细胞工厂合成生物学

幼年期抑制NMDA受体GluN2B亚基功能结合成年后社交应激改变小鼠前额叶皮层神经元周围网络

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生理学报 2024年第1期76卷 1-11页

作者：梁亦睿张雪寒复旦大学脑科学研究院医学神经生物学国家重点实验室教育部脑科学前沿中心上海200032

神经元周围网络(perineuronal nets,PNNs)是一种细胞外基质(extracellular matrix,ECM),被认为是神经系统发育,尤其是皮层发育过程中重要的神经可塑性调节因子。大脑皮层中的PNNs富集在表达小清蛋白(parvalbumin,PV)的中间神经元周围。... 详细信息

神经元周围网络(perineuronal nets,PNNs)是一种细胞外基质(extracellular matrix,ECM),被认为是神经系统发育,尤其是皮层发育过程中重要的神经可塑性调节因子。大脑皮层中的PNNs富集在表达小清蛋白(parvalbumin,PV)的中间神经元周围。越来越多的证据表明,PV阳性神经元和PNNs的异常与多种精神疾病相关,特别是属于发育缺陷疾病的精神分裂症。NMDA受体在精神分裂症的病理生理学中发挥重要作用,NMDA受体的选择性拮抗剂常用于精神分裂症实验模型动物的造模。GluN2B亚基在神经系统发育中发挥至关重要的作用,但GluN2B在精神分裂症中的作用尚缺乏研究。本研究通过腹腔注射GluN2B选择性拮抗剂ifenprodil干扰幼年小鼠(3~4周龄)的GluN2B亚基功能,待小鼠长至成年(9周龄)时,给予小鼠社会应激。用免疫荧光染色方法研究前额叶皮层(prefrontal cortex,PFC)PNNs和PV阳性神经元的变化,用听觉惊吓和前脉冲抑制测试检测PV阳性细胞活性,用免疫印迹技术检测NMDA受体GluN2A和GluN2B亚基蛋白的表达。结果显示,在幼年期GluN2B拮抗剂注射和成年应激处理的小鼠PFC中有更多的PV阳性神经元被PNNs包裹;在需要感觉门控功能支持的前脉冲抑制测试中被激活的PV阳性神经元显著减少;NMDA受体GluN2A/GluN2B亚基蛋白表达比例显著降低。小鼠的这些由幼年期GluN2B拮抗剂注射和成年应激引起的异常,与精神分裂症患者和动物模型中观察到的现象相似。以上研究结果提示幼年GluN2B功能异常,甚至短暂的功能低下,可能是成年后出现精神分裂症症状的风险因素之一。

关键词： NMDA受体 PV阳性中间神经元神经发育精神分裂症前额叶皮层啮齿类动物

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一氧化碳参与的过渡金属催化的插羰环加成反应研究进展

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有机化学 2024年第4期44卷 1045-1068页

作者：李晨龙余志祥北京大学化学与分子工程学院、北京分子科学国家研究中心、生物有机与分子工程教育部重点实验室北京100871

作为一种高效构建环状分子的方法,环加成反应一直以来备受合成化学家的青睐.一氧化碳(CO)气体是一种商业易得且廉价的原料,常作为“一碳”组分参与各种过渡金属催化的环加成反应.近几十年来,得益于金属有机化学的深入研究,CO气体参与的... 详细信息

作为一种高效构建环状分子的方法,环加成反应一直以来备受合成化学家的青睐.一氧化碳(CO)气体是一种商业易得且廉价的原料,常作为“一碳”组分参与各种过渡金属催化的环加成反应.近几十年来,得益于金属有机化学的深入研究,CO气体参与的过渡金属催化的环加成反应得到了迅速发展.此类插羰环加成反应之所以成为有机化学的研究前沿,是因为它们不仅可以用于构建复杂的环状骨架,还可以引入具有广泛衍生化能力的羰基官能团.这篇文章旨在详细介绍CO气体参与的过渡金属催化的插羰环加成反应,并按照不同反应类型进行梳理和总结.

关键词：环状分子一氧化碳(CO)气体过渡金属催化插羰反应环加成反应