合成生物学3月科研进展盘点

　　

　　造 物?有 话 说

　　2023年03月总结有代表性论文共计26篇，亮点进展8篇，内容偏向蛋白质工程、生物工程、基因线路、合成生物学元件与工具设计、合成基因组学等4大领域。

　　本文为合成生物学月度科研进展汇总，依据合成生物学契合度、发表期刊影响力、学术创新性、科学传播广度等进行归纳总结。本文仅代表编者观点，排序未有任何实质意义。

　　MARCH

　　#蛋白质工程

　　01

　　机器学习预测酶功能

　　伊利诺伊大学香槟分校赵惠民团队开发了一种基于对比学习的机器学习模型，可用于从少量的实验证据中准确地进行酶的功能注释，该研究发表于《Nature》杂志。

　　在拥有庞大的基因组和宏基因组数据库的情况下，我们的序列数据远远超过酶的功能数据，因此需要从序列数据中进行准确的功能注释。该模型能够非常好地甄别酶的功能，同时，作者还对36种形成碳卤键的酶的预测结果进行了实验验证，发现预测准确度很高，能够区分相似的活性。

　　

　　# 蛋白质工程

　　02

　　对流体中蛋白相互作用的研究揭示新的功能决定机制

　　加州大学伯克利分校徐婷团队在《Nature》杂志发表论文，研究了生物流体中蛋白质的多重相互作用及其如何影响蛋白质的功能和进化，提出了在蛋白质序列水平上，除了已知的单体序列需求外，蛋白质序列还编码着片段间的多重相互作用，以应对随机碰撞的发生。通过设计能够模仿这些相互作用的合成杂聚物，可以在生物流体中模拟蛋白质的单体和集体行为。

　　研究团队从自然蛋白库中提取蛋白质链的化学特性和序列排列，并将这些信息用于设计含有无序、部分折叠和折叠蛋白质的杂聚物集合。每个杂聚物集合体的片段间相似度水平决定了它模拟生物流体中多种功能的能力，包括协助蛋白质在翻译过程中的折叠、保持胎牛血清的生物活性而无需冷藏、提高蛋白质的热稳定性以及在生物相关条件下表现为成合成细胞质的性质。进一步的分子研究将蛋白质序列信息转化为定义范围、多样性程度、时间和空间可用性的分子间相互作用。这一框架提供了有价值的指导原则，可以在合成并实现蛋白质性质、工程化生物/非生物杂化材料以及实现物质向生命的转变方面发挥重要作用。

　　

　　# 生物工程

　　03

　　动物免疫分子提高植物免疫力

　　传统的植物免疫策略往往只是修改已有的天然免疫成分，这种方法会受到新病原体的限制。为了解决这个问题，英国东英吉利大学塞恩斯伯里实验室 Sophien Kamoun团队提出了一种新的策略，利用动物免疫系统中的纳米抗体来提高植物免疫力，相关研究发表于《Science》杂志。

　　通过将纳米抗体与植物NLR进行融合，使其可以识别植物病毒表达的荧光蛋白并触发免疫反应，从而提高植物对病原体的抗性。研究人员通过将纳米抗体序列与植物NLR中的整合结构域进行替换，成功地让NLR具有识别荧光蛋白的能力，证明了这种方法的可行性。进一步的实验证明，改造后的NLR可以显著抑制表达荧光蛋白的马铃薯X病毒的增殖，从而证明这种方法可以增强植物的抗性。这项研究为利用纳米抗体提高植物抗性提供了新的思路和方法。

　　

　　# 基因线路

　　04

　　氧化诱导的蛋白质交联策略

　　来自南京林业大学、中国药科大学和南京中医药大学的研究团队开发了一种氧化诱导的蛋白质交联策略，通过遗传密码扩增将乙烯基硫醚基团掺入大肠杆菌和哺乳动物细胞中的蛋白质中，相关研究发表于《ACS Synthetic Biology》。

　　研究团队证实乙烯基硫醚可以通过外源性添加的氧化剂或细胞环境中的活性氧以及光催化剂选择性氧化，转化为迈克尔反应受体，从而实现荧光标记和蛋白质交联。

　　

　　# 基因线路

　　05

　　能够精确预测表达的哺乳动物转录系统

　　中国科学院深圳先进技术研究院娄春波团队描述了一种无需宿主和局部DNA环境的哺乳动物转录系统，可逐渐微调单个和多个基因的表达，以获得可预测的比例关系，该研究发表于《Nature Communications》。该转录系统由来自噬菌体及其相应RNA聚合酶（RNAP）的一组模块化和可编程的启动子库和一个加盖酶组成。

　　通过RNAP对启动子的相对结合亲和力来定量测定单基因的相对表达，而多基因表达比例则通过一个简单的生物化学模型进行预测。研究团队使用这些可编程和模块化的启动子来可预测性地调节流感病毒样颗粒的三个组分的表达。最优比例的调节使得完整病毒样颗粒复合物的产量增加了2倍。这种宿主无关的正交转录系统提供了一种多蛋白质表达剂量依赖性控制的平台，可应用于高级疫苗工程、细胞命运编程和其他治疗应用。

　　

　　# 基因线路

　　06

　　光受体介导的人工细胞内响应系统

　　北京化工大学林艺扬教授团队和中科院化学所乔燕研究员团队在《Science Advances》发表文章，报道了一种人工细胞系统，能够感知和传递外部信号以激活下游靶点并协调原细胞反应，从而构建细胞间通信。研究团队报告了一个由光受体介导的合成信号通路，其中集成了光能收集、光-化学能转换、信号传递和放大的功能，并最终导致原细胞区室化。

　　设计的关键在于一种钌-联吡啶配合物，它作为一种膜锚定光受体，能将可见光转化为化学信息，并通过翻转运动跨越脂质膜传递信号。通过将受体介导的光转导与生物识别和酶级联反应相耦合，研究团队进一步开发了原细胞信号编码布尔逻辑门。这项研究展示了一个最小的细胞模型，模拟能够将光能转化为细胞内响应的光受体细胞，并为复杂的代谢和信号通路的信息流提供了模块化控制的途径。

　　

　　#?合成生物学元件与工具设计

　　07

　　让蛋白直接靶向输送到特异细胞

　　麻省理工学院张峰团队研究了细胞内共生细菌进化出来的外胞质收缩注射系统（eCISs）与宿主生物接口的机制，这些系统可以通过穿透细胞膜来将蛋白质高效地注入真核细胞中，相关研究发表于《Nature》杂志。通过对Photorhabdus asymbiotica中PVC-eCISs系统的研究，发现目标选择是通过PVC尾纤维远端结合元素对靶标受体的特异性识别实现的。

　　通过模拟结构引导的尾纤维工程，PVCs可以重新编程以瞄准特异靶标，包括人类细胞和小鼠，并且效率接近100%。最后，研究还证明PVCs可以装载各种蛋白负载物，包括Cas9、基因编辑相关酶和毒素，并将其功能性地输送到人类细胞中。该研究表明PVCs是可编程的蛋白质输送装置，具有基因治疗、癌症治疗和生物控制等潜在应用。

　　

　　#?合成基因组学

　　08

　　百“毒”不侵的大肠杆菌

　　此前Akos Nyerges报道了通过删减大肠杆菌密码子（64种缩减为61种）来防止病毒感染和基因转移的想法。然而，研究人员发现，一些病毒自带的tRNA可能会让这种抵御机制失效。最近，哈佛大学Akos Nyerges和George Church团队合作在《Nature》杂志发文，对此前的设计进行了进一步完善，通过采取替换密码子的策略，将6个编码丝氨酸的密码子中的两个替换为亮氨酸，而亮氨酸与丝氨酸在结构和性质上存在较大差异，这会导致病毒蛋白错误翻译，从而无法进一步包装。

　　另外，研究人员对该系统的安全性也进行了设计。首先，由于密码子的差异，水平基因转移将无法扩散经改造的基因（例如，经改造的大肠杆菌基因转移到未经改造的大肠杆菌中，这些受体菌株会将本应翻译成亮氨酸的密码子翻译成丝氨酸，从而产生序列乱码的蛋白质）。其次，经设计的细菌必须依靠实验室生产的非天然氨基酸生存，如果发生逃逸，它们会因为缺乏非天然氨基酸来源而死亡。

　　专题介绍

　　合成生物学每月科研进展专栏以总结合成生物学最新科研进展为首要任务，涉猎包括但不限于Nature、Science、Cell?、Nature子刊、Science子刊、Nucleic Acids Research、PNAS等20多种核心期刊，内容跨定量合成生物学、合成基因组学、合成生物化学、合成微生物组学、合成免疫学、基因组工程、材料合成生物学、细胞与基因治疗、合成生物自动化设备、基因线路、蛋白质工程、代谢工程、合成生物学元件与工具设计等领域，旨在以最快捷的方式、最便利的平台让读者获取到自己感兴趣的合成生物学最新研究成果。

　　

　　

　　

　　作者/捉蝴蝶的猫

　　审核/鸿鹄居士

　　编辑/莫十二