生物学性状

受人口爆炸式增长、气候变化、战争以及疫情的影响，当前全球的粮食安全面临着严重的威胁。根据联合国粮农组织（FAO）最新发布的 2022《世界粮食安全和营养状况》报告：在 2021 年，全球约有 23 亿人处于中度或重度粮食不安全状态。而与粮食危机相对的，却是耕地有限地开发和增长，以及过去几年当中重要作物产量增率的停滞不前。因此，迫切需要找到一种快速、可持续的方式，来在有限的耕地当中生产更多的农产品和改良作物营养，以确保未来的粮食安全。而新兴的合成生物学，已经以其构建、控制和编程细胞行为的能力，展现出了其在农业领域应用当中的潜力。2022 年 9 月 5 日，在 Advanced Agrochem 期刊上在线发表了一篇 “合成生物学之于农业领域应用” 的综述文章，题为《合成生物学：未来农业的强大助推器》，文章的通讯作者为中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的周佳海研究员。在该篇综述当中，研究人员一共从 3 个方面给我们介绍了 “合成生物学在农业领域” 当中的应用和发展趋势，其分别为：作物育种、植物在固碳（光合）和固氮上的改进，以及农业中微生物的改造与运用。“合成生物学在农业中的应用，体现其在作物改良中改变代谢途径、遗传回路和植物结构上的潜力。同时，合成生物学的工程微生物，也在可持续农业中发挥着作用，例如生物施肥、生物刺激和生物防治。” 在文章中，研究人员这样写道。合成生物学在农业中的应用（来源：Advanced Agrochem）作物驯化和育种 农作物的驯化，是指植物当中优良的突变性状以人类意愿不断积累留存的过程。在过去，这一过程通常需要经历很长时间才能够完成，有时甚至可能长达数千年。虽然现代育种技术已经极大加快了这一进程，但是缩短至几十年的速度仍然无法应对粮食供应所面临的严峻挑战。 随着基因组学技术的发展，通过对于植物基因组的操纵，作物驯化和作物育种的速度得到了更进一步的飞跃。基于对植物基因组的了解，作物育种工作可以分为 3 个过程：读取（Read）、理解（Interpret）以及书写（Write），而合成生物学，正是书写植物基因组的关键技术之一。 从基因组学到作物育种（来源：Nature Biotechnology） 植物基因组书写技术包括有基因组编辑和基因组设计。 基因组编辑，指的是对于基因组中特定位点的编辑与改造。在这一方向上，李家洋团队建立着有以其为基础的 “野生稻快速从头驯化技术体系”，该系统可以通过针对基因组中不同性状基因的编辑改造，来实现对于作物的快速驯化。 而基因组设计，则指的是对于一整个基因组上的精准设计。在这一块上，黄三文团队开展了马铃薯相关的设计育种工作：基于基因组大数据进行分析、设计和筛选，其最终选择了基因组互补性比较高的自交系进行杂交，成功掩盖杂交种中有害突变的效应，获得了优势显著的杂交种。 杂交马铃薯育种基因组设计示意图（来源：Cell） 此外，与植物基因组书写的工具和策略也在不断发展当中，比如在最近的许多工作中，研究人员利用 CRISPR/Cas 工具，成功在植物中实现在兆碱基范围内以受控方式（如倒位和易位）的可遗传染色体重排。这些策略可能会被应用到作物育种当中。 光合作用与固氮作用• 改造光合作用系统 光合作用是作物的能量来源，也是作物产量的主要决定因素。 一种光合系统的改造策略，在于寻找光合系统中的高效酶并引入替代。比如 Prins 团队在核酮糖 - 1,5 - 二磷酸羧化酶（Rubisco）在上的工作：其在研究小麦族 25 种基因型的 Rubisco 后，发现将普通小麦野生近缘种的 Rubisco 替代进农用小麦后，可以将碳吸收率提高 20%。 替代后更高的同化率（来源：Journal of Experimental Botany） 不过，无论如何提高 Rubisco 的酶活，整体的固碳效率，也仍然是受到天然代谢途径本身的限制。因此，要在更大程度上去提高光合效率，可能需要设计一种新的固碳途径。 Tobias Erb 团队便报道了该策略上的第一个合成途径：用于体外二氧化碳固定的 CETCH 循环（见下图）。之后，研究人员进一步将 CETCH 循环封装在细胞大小的液滴中，使用微流体作为叶绿体模拟物来创建人工光合作用系统。而这种 “合成叶绿体”，将有可能超越自然光合作用。 CETCH 循环（来源：Science）• 引入碳浓缩机制（CCMs） 为了在低 CO2 浓度环境（如水体）中保持较高的光合速率，在蓝细菌等生物中进化出了一种能够在 Rubisco 周围积累 CO2 的机制，称为碳浓缩机制（CCMs）。因此，除了直接提高酶活性外，将 CCMs 引入植物，也被认为是一种潜在的提高植物光合作用效率和产量的方法。 羧酶体（Carboxysomes），是 CCMs 的重要组成部分，这便使得其成为该策略研究、改造和设计的一大对象。 Maureen Hanson 团队首先报道了该方向上的研究，其在替换烟草 Rubisco 的同时引入了羧酶体组装的相关蛋白，而 Cheryl Kerfeld 团队则在蓝细菌中对羧酶体进行了重新设计，得到的嵌合蛋白能够在结构和功能上取代羧酶体组装所需的 4 个基因组分。 天然 β- 羧酶体核心的组装和嵌合蛋白 CcmC（来源：The Plant Cell） 除了羧酶体外，还有着其它方向上关于引入 CCMs 策略的研究。比如 Stephen Long 团队的一项研究：其在大豆中插入了蓝细菌来源的无机碳转运蛋白 B（IctB）基因，最终使得改造后植物的光合 CO2 吸收量和干重都得到了显著增加。• 固氮作用的改进 改进生物固氮途径，提高作物对氮源的利用率，也是合成生物学在农业中应用的重要领域。与光合作用改进类似，将异源固氮基因簇 nif 转移到植物中，是设计与改造的最直接选择。 一直以来，研究人员都在植物不同的区室中尝试着异源固氮基因的设计和表达，比如 Elena Caro 团队的研究：其重新设计了葡萄曲霉（Azotobacter vinelandii）来源的固氮基因 nifH、M、U 和 S，同时利用合成生物学工具最终实现烟草叶绿体中 NifH 的产生。 微生物在农业中的利用• 植物微生物组和微生物肥料微生物是合成生物学中最常用的工具，因此，相较于改变植物本身的固氮能力，建立固氮植物微生物群落可能是一种更加有效且便捷的策略。在这一方向上，天然植物根际促生菌（PGPRs）的发现是研究最为集中的领域。 天然 PGPRs 运用的局限性（来源：The ISME Journal） 目前，有些天然 PGPRs 的研究已经取得了不错的进展，可以显着提高作物产量，并且正在走向商业化。但是，许多的 PGPR 田间研究显示出了参差不一的性能，研究人员推测这可能是由于外加的 PGPRs 破坏土壤环境中原本的微生物群落所导致的。 微生物群落内复杂的相互作用阻碍了 PGPRs 的进一步拓展应用。针对这一问题，合成生物学可以从新的角度带来解决方案：利用移动遗传元件（MGE），将目标性状（比如固氮、耐铵能力）转移到选定的根际细菌或整个群落中，用于定制具有理想性状的 PGPRs。 这一策略不仅仅局限于固氮，比如农作物还需要磷等其他化学元素，便可以以微生物磷肥形式进行提供：通过引入重构的植酸酶基因改造了一组根系细菌，这些菌株产生的植酸盐可以为植物提供磷酸盐的供应来源。 工程根系细菌提供微生物磷肥（来源：Applied and Environmental Microbiology）• 土壤修复潜力 目前，全球 1/3 的地表出现了不同程度的退化，每年流失肥沃土壤 240 亿吨，已经对生态系统和农业生产构成重大威胁。而土壤微生物，可以恢复退化土地、改善土壤水力特性同时降低土壤疏水性。 现有的合成生物学研究表明，由多个相互作用的微生物种群所组成的工程微生物联合体，能够执行复杂的任务并承受多变的环境影响。合成微生物群落通过重塑土壤微生物群落结构，为利用微生物修复土壤、提高微生物存活率提供了解决方案，而这，也是未来的一个应用方向。• 农药生物制造 合成生物学中的生物制造方法，是利用细菌、酵母等生物体进行原料的加工和合成。这种绿色生产技术可以替代传统的化学合成，改变农药等农用化学品的生产方式。此外，生物制造还可以减少工业过程中对于能源和资源的消耗，并减少空气、水和土壤的污染和生产成本。 合成生物学之于生物制造（来源：Nature Biotechnology） 在农药的生物制造研究上，有如高江涛团队的研究：其发现了除草剂草甘膦的前体氨基甲基膦酸酯（AMP）的生物合成途径，并进一步地运用合成生物学策略提高了 Streptomyces lividans 中 AMP 的产量，较原始菌株提高了 500 倍。 展望虽然合成生物学已经在农业的各个方面都显示出了巨大的潜力，但目前能够实现或接近商业化的应用仅集中在作物育种、微生物固氮、生物制造等方面。相比之下，固碳、固氮和代谢途径的改造仍处于概念阶段。 部分涉及农业合成生物学的公司名单（来源：Advanced Agrochem） 作为微生物肥料的固氮微生物，是合成生物学目前在农业中较为成熟的应用场景。 比如全球农业领域的龙头企业的先正达集团，其正在制定生物制剂的全面战略：推出了农用微生物肥料新产品，推进生物科技产品的研发进入合成生物学时代。另一巨头，拜耳作物科学，也与合成生物学平台公司 Ginkgo Bioworks 联手成立子公司 Joyn Bio，专注于工程固氮微生物。 此外，拜耳作物科学和先正达集团也在作物生物育种方面进行布局，这其中就包括了 CRISPR 等技术的运用。 合成生物学在农业中的应用（来源：Advanced Agrochem） 在农药的生物制造方面，目前世界上主要的传统农用化学品生产企业仍然主要采用化学合成路线，不过，一些新兴的合成生物学公司，如 Zymergen 和 Provivi，正致力于开发天然农药。而实现生物制造农药的绿色生产，还有着很大的发展空间。参考链接（上滑查看）：[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2773237122000065[2] https://www.fao.org/3/cc0640zh/cc0640zh.pdf[3] https://www.nature.com/articles/s41587-019-0152-9[4] http://www.qibebt.cas.cn/xwzx/kydt/201409/t20140919_4210504.html[5] https://www.nature.com/articles/s41396-020-00835-4

p 　　从20世纪七八十年代起，生物学研究进入了分子生物学的时代。现代生物学的研究核心是什么?研究生物学应该秉承怎样的思维逻辑?5月4日，中国科学院院士邵峰走进华东理工大学“通海讲堂”，深入浅出地为同学们解析现代生物学研究的基本概念、途径和思维逻辑。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/73841826-5f19-4f9a-8ea5-acb444645ab4.jpg" title=" 3.jpg" / /p p 　　 strong 现代生物学研究的三大核心 /strong /p p 　　自现代生物学研究进入了分子生物学的时代，生物化学、遗传学、细胞生物学成为其研究的三大核心和支柱。 /p p 　　生物化学以各种生理和病理生物学过程中生物大分子作用机制和结构基础为研究对象，遗传学主要研究生物学表征和性状的遗传以及表观遗传的物质机制(群体、个体和细胞水平)，而细胞生物学则在细胞水平(体内或体外)研究各种细胞的各种生物学过程。 /p p 　　在研究手段上，生物化学基于生物和生化活性的纯化，基于生化和结构特征信息的探索和假说验证，建立生物学过程的重组体系，研究结构生物学、化学生物学等 遗传学以改变DNA序列看性状变化、突变分析和筛选(正向和反向遗传学分析)、化学遗传学等为研究对象 细胞生物学研究对象为各种细胞活性和功能的测量和测定，各种光学显微成像技术和电子显微成像技术等。 /p p 　　三者在思维方式上亦有不同，如生物化学追求和看重是否能人为的重组和再现所在生物学过程，追求微观和精细的分子机制，苛求逻辑严密性 遗传学强调符合遗传规律，注重Loss of function是否表型，不追求直接和精确的分子机制 细胞生物学则强调“看得见的才可以相信”，注重现象的直接观察和记录，看重和过分依赖个体事件。 /p p 　　 strong 现代生物学研究模式 /strong /p p 　　常见的生物学研究有科学假说驱动和无科学假说驱动。前者有助于解决科学问题，有利于科学思维和能力的训练，成果原创性相对低，也容易有先入为主的偏见 后者有助于发现科学问题，为提出科学假说提供基础，创新性可能高，但不容易阐明机制，相对来说不太利于科学训练。 /p p 　　生物学研究的两种入手模式有追踪特定现象(表型)和追踪某生物大分子。前者的研究不一定容易入手，也不一定有生理意义 后者无特定科学问题，容易走向各种生物学领域。生物学实验的对照有阳性对照和阴性对照。严格意义上来说，对照完整的实验是不可能的，阳性结果一定需要阴性对照，而阴性结果一定需要阳性对照，但最具原创性的实验往往没有对照实验。 /p p 　　 strong 科学研究需要批判性思维 /strong /p p 　　几乎所有的生物学研究都不同程度上是在“盲人摸象”，科学家不可能做到在不同层次(分辨率)，实时、动态和实地观察研究对象特别是生物大分子的活动。 /p p 　　生物学研究既是科学也是艺术，生物学既需要理性但有时又不能太过理性，同时也需要严密逻辑的分析型思维。生物学的研究特别需要批判性思维——即科学的本质就是怀疑。在生物学研究过程中要避免几大误区，比如——目标科学问题没有意义且可能的发现没有新意 研究体系不合适，不成熟或错误 途径和路线错误 切勿先入为主 逻辑不够严谨 数据解释不完整等。 /p p 　　希望有志于从事科学研究的学生能够坚持做自己想做的科学问题，坚持自己的选择，不随波逐流，更不要被外界环境所扰。在科学问题的研究中，不怕被边缘化，要抓住机会，致力于做原创的科研，做能够“影响他人、养活他人”的科研。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp strong 附：邵峰简介 /strong /p p 　　邵峰，中国科学院院士，2003年在美国密西根大学生物化学系获得博士学位。自2005年回国后，邵峰以通讯作者的身份在《自然》《科学》《细胞》三大杂志上发表研究论文 11篇，2015年当选为中科院院士和EMBO的外籍成员，2016年当选为美国微生物学院院士。他长期研究病原细菌和宿主相互作用机理，在致病菌毒力机制以及抗细菌天然免疫方向均取得系列重要原创性发现，为败血症药物和细菌疫苗的研发提供了新的理论基础，曾获得多项国际和国内重要奖项，包括周光召杰出青年基础科学奖、HHMI国际青年科学家奖、国际蛋白质学会鄂文西格青年科学家奖、吴阶平-保罗杨森基础医学奖以及何梁何利基金科学与技术奖等。 /p

X射线晶体学技术是人们了解原子世界的利器，人们通过这一技术获得了许多重要的生物学结构。在晶体学技术百年诞辰之际，Cell杂志发表了清华大学施一公教授的前沿文章。这篇综述性文章全面介绍了X射线晶体学技术和结构生物学的历史和现状，读者现在可以在Cell网站免费获取全文。 　　1914年，德国科学家Max von Laue因为发现晶体中的X射线衍射现象，获得了诺贝尔物理学奖，这一发现直接催生了X射线晶体学。从那以后，研究者们用这一衍射技术解析了大量复杂分子的晶体结构，从简单的矿物、高科技材料(如石墨烯)到病毒等生物学结构。 　　自1957年确定了肌红蛋白的结构以来，X射线晶体学技术就成为了结构生物学的重要工具，为人们不断揭示生命的奥秘。这一技术不仅增进了我们对细胞的认识，还大大推动了现代医学的发展。 　　这篇文章首先从结构生物学的角度，回顾了X射线晶体学技术的发展简史。随后，施一公教授以蛋白激酶和膜整合蛋白为例，阐述了结构生物学的发展和现状，探讨了技术发展带来的影响并对未来进行了展望。 　　作者简介： 　　施一公，世界着名的结构生物学家，美国双院外籍院士，中国科学院院士。曾是美国普林斯顿大学分子生物学系建系以来最年轻的终身教授和讲席教授。 　　2008年2月至今，受聘清华大学教授 2009年9月28日起，任清华大学生命科学学院院长。获2010年赛克勒国际生物物理学奖。2013年4月当选美国艺术与科学院外籍院士、美国科学院外籍院士。2013年12月19日，施一公当选中国科学院院士。2014年4月2日，施一公获爱明诺夫奖，成为获此奖项的第一位中国人。该奖为国际知名奖项，由瑞典国王亲自颁发。 　　主要科研领域与方向：主要运用结构生物学和生物化学的手段研究肿瘤发生和细胞凋亡的分子机制，集中于肿瘤抑制因子和细胞凋亡调节蛋白的结构和功能研究与重大疾病相关膜蛋白的结构与功能的研究 　　推荐阅读 　　英文全文下载：A Glimpse of Structural Biology throughX-Ray Crystallography

3月10日，中国农业科学院棉花研究所内彩旗飘舞，喜气洋洋。棉花生物学国家重点实验室揭牌仪式在此举行。 　　该国家重点实验室在农业部棉花遗传改良重点开放实验室、河南省棉花生物学重点实验室和河南省植物逆境生物学重点实验室基础上组建而成，主要开展棉花遗传多样性与新基因挖掘、棉花纤维品质性状形成机理、棉花高产分子机理与品种设计、棉花抗逆机理与环境调控等方面的研究。棉花所所长喻树迅院士任实验室主任。 　　中国农科院副院长刘旭出席揭牌仪式并讲话。他表示，中国农科院将对棉花生物学国家重点实验室建设给予全面支持，为实验室发展提供良好的外部环境。他希望实验室积极参与国际学术前沿探索，引导重大原始创新性工作，提升我国棉花生物学基础研究水平 积极参与国际竞争，获得应用基础研究方面的重大突破 大力推进国内外学术交流与合作，加强人才队伍建设与培养，建成具有国际水平的国家棉花生物学基础研究公共平台、国内外学术交流中心和优秀人才培养基地。 　　科技部、农业部、河南省科技厅、河南大学等单位的代表参加了揭牌仪式。

p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/a30b56e7-51e3-4fed-aa1a-7c72bf69ff0e.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" style=" text-align: center max-width: 100% max-height: 100% " / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 英国剑桥分子生物学实验室的冷冻电子显微镜图片 /span span style=" color: rgb(127, 127, 127) " 来源：剑桥MRC分子生物学实验室 /span /p p 　　一项革命性的蛋白质三维形状测定技术正在蓬勃发展。上周，一个收集由冷冻电子显微镜（cryo-EM）测定的蛋白质和其他分子结构的数据库，获得了第10000个数据条目。 /p p 　　据《自然》报道，近年来，各实验室向电子显微镜数据库（EMDB，由欧洲生物信息研究所建立，旨在满足学术界对于冷冻电镜数据的需求）提交的数据呈指数级增长，这主要因为全世界实验室cryo-EM数量的爆发式增长。尽管数据库也接收其他电子显微镜结构分析的数据，但其中绝大部分数据来自cryo-EM。 /p p 　　cryo-EM通过将蛋白质或其他生物分子急速冷冻，并用电子对其轰击，从而生成单个分子的显微图像。它们被用来重建分子的三维形状或结构。这有助于揭示蛋白质如何工作、它们在疾病中如何发挥作用，以及如何用药物靶向它们。 /p p 　　此前几十年，X射线晶体衍射一直是备受结构生物学家青睐的研究方法，该方法首先使蛋白质结晶，然后用X射线对其连续打击，并根据衍射光的信号模式重建它们的形状。 /p p 　　X射线晶体衍射法虽然能够生成高质量的分子结构，但并不是所有蛋白质都可轻易使用，因为有些蛋白质可能需要数月或数年才能结晶，而有些甚至根本无法结晶。 /p p 　　这便体现出cryo-EM的优越性，该方法无需蛋白质结晶，但这项技术也存在局限，比如它经常生成低分辨率结构。 /p p 　　2012到2013年，由于在硬件和软件方面的突破，催生了更灵敏的电子显微镜和可将拍摄到的图像转换成分辨率更高的分子结构的复杂软件。 /p p 　　该项技术专家、英国剑桥MRC分子生物学实验室（LMB）结构生物学家Sjors Scheres说，这为cryo-EM的迅猛发展铺平了道路。 /p p 　　LMB结构生物学家Richard Henderson因对cryo-EM技术发展的贡献获得了2017年诺贝尔化学奖。他说，即使在这项技术取得进步后，最初的增长也很缓慢，因为只有少数实验室配置了该设备。但当他们开始使用冷冻技术绘制分子的详细结构图像时，比如被称作蛋白质制造机器的核糖体，这项技术很快就引起了其他科学家及其所在机构和资助者的注意。 /p p 　　Henderson说：“所有投资于其他研究和做出错误决定的人，花了一年的时间才赶上来。” /p p 　　他预计，到2024年，利用冷冻电镜技术测定蛋白质结构的数量将超过X射线晶体衍射法。cryo-EM已经取代了X射线晶体衍射，成为科学家特别感兴趣的研究嵌入细胞膜的蛋白质的工具。许多膜蛋白与疾病有关，可为药物提供靶点。 /p p 　　此外，Henderson还认为cryo-EM的发展将在某个时期开始放缓。他说，影响其快速增长的一个因素是成本高，一台如此强大的显微镜其成本可能超过500万英镑（700万美元）。而它们每天的运行成本也高达数千英镑，并且需要专门的实验室来安置，以降低震动。 /p p 　　Henderson正在努力说服相关公司开发性能好且价格更便宜的cryo-EM，以进一步推广这项技术。（徐锐） /p p br/ /p

冷冻电子显微学近年来在电子显微镜的硬件设备及结构解析的软件算法等方面取得了多个重要的技术突破, 正在成为结构生物学研究的重要技术手段, 为越来越多的生物学研究者所重视. 冷冻电子显微学的技术特点决定了它所具备的一些独特优势和发展方向, 同时作为一个正在迅速发展的科学技术领域, 需要多学科的交叉促进. 　　近期来自清华大学生科院的王宏伟发文介绍了冷冻电子显微学的研究现状及面临的技术挑战, 并提出未来可能实现结构生物学与细胞生物学不同尺度的研究在冷冻电子显微学技术上融合的新方法. 　　结构生物学是 20 世纪后半叶, 尤其是在 80~90年代蓬勃发展起来的重要学科. 通过对生物大分子(蛋白质、核酸及其复合体)的三维空间结构的测定, 结构生物学可以在微观尺度上精确地描述复杂生物大分子的形状, 原子与分子组合方式, 及其表面带电、亲疏水等物理性质, 从而为生物大分子发挥生物学功能的机理提供关键的解释. 进入 21 世纪以来, 结构生物学研究的技术手段日益成熟, 在现代生物学研究的各个分支领域中均发挥着重要的作用. 至今为止, 国际蛋白质结构数据库中的结构数据已经超过 100000, 其中绝大部分结构由 X 射线晶体学及核磁共振波谱学解析而来. 　　近年来, 技术的进步使得结构生物学新的研究手段取得了长足的进展. 2013 年 12 月份发表在Nature 上的利用冷冻电子显微学解析获得 TRPV1 原子分辨率结构的两篇文章, 在结构生物学领域造成了巨大的反响. 美国加州大学旧金山分校的程亦凡研究组与 Julius 研究组合作, 利用冷冻电子显微学技术首次获得了 300 kD膜蛋白 TRPV1的 3.4 Å 分辨率的三维结构, 并建立了该分子的原子模型. 　　其实在过去的几年间, 已经有若干工作报道了利用冷冻电子显微学解析病毒、蛋白酶体复合物、核糖体等近原子分辨率模型. 这些工作的里程碑式意义在于: 高分辨率结构解析过程不需要生长三维晶体, 样品用量非常少, 而且可以在短时间内同时获得多个复合体状态的三维结构. 短短一年里, 冷冻电子显微学技术作为直接解析生物大分子原子分辨率结构的技术手段受到人们的广泛关注. 　　事实上, 电子显微学是结构生物学研究中的老兵. 该技术自从 20 世纪 50~60 年代以来, 一直在研究细胞、 亚细胞及生物大分子结构的研究中扮演着独特的角色, 揭示了很多重要的细胞内精细结构. 在研究生物大分子的结构方面， 该技术采取与 X 射线晶体学及核磁共振波谱学迥然不同的原理, 在过去的几十年里逐渐建立了成熟的图像处理及分析算法, 成为结构研究的一种独特技术手段. 近 10 年来, 该领域的日臻成熟以及科研团队的扩大更快地催生了冷冻电子显微学成像技术与结构解析技术的革命性突破. 自从 2008 年以来, 冷冻电子显微学已经连续获得多种生物大分子复合体的原子分辨率结构, 而且高分辨率结构的解析速度正在呈现迅速上涨的趋势。 　　冷冻电子显微学从 20 世纪中叶开始, 经历了 80年代到 90 年代的技术方法建立时期, 21 世纪初的技术成熟期, 在过去的两年里发生了革命性的技术进步, 进入了快速发展期. 结构生物学和细胞生物学研究者如何抓住这个契机, 如何尽快适应新的局面, 掌握新的技术, 充分发挥该技术的优势从而更加更深入地研究生命现象, 将是未来几年里的一个主题. 数学、物理学、计算机科学、材料科学、化学等众多领域的研究者们必将在未来冷冻电子显微学的新技术新方法的开发中发挥重要的作用, 成为该技术的进一步完善与成熟的重要力量. 　　冷冻电子显微学领域研究者们则需要以主动开放的态度吸引其他领域研究者的合作, 并积极迎接来自更多领域研究者的挑战, 保持并发展自己的技术特长, 站在技术发展的制高点上选准研究方向, 始终在冷冻电子显微学的技术前沿上开疆拓土. 　　原文检索： 　　王宏伟. 冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望. 中国科学: 生命科学, 2014, 44: 1020&ndash 1028 　　Wang H W. Current status and future perspective of cryo-electron microscopy in structural biology. SCIENTIA SINICA Vitae, 2014, 44: 1020&ndash 1028 doi: 0.1360/052014-140

如果继续发展下去，并且所有技术问题都得到解决，冷冻电镜确实会成为一种占据统治地位的技术，而不仅仅是第一选择。　　在英国剑桥市一座钢结构建筑深处的地下室里，一场大规模的“叛乱”正在上演。　　一个约3米高的庞大金属箱正通过消失在屋顶上的橙色粗电缆，静悄悄地发射兆兆字节的数据。这是全球最先进的冷冻电子显微镜之一：一台利用电子束为冷冻的生物分子成像并揭秘其分子形状的设备。英国医学研究委员会分子生物学实验室(LMB)结构生物学家Sjors Scheres像个矮子一样站在这台价值500万英镑(合770万美元)的设备旁边介绍说，这台显微镜非常敏感，以至于一个叫喊声就能毁掉试验。　　在全球实验室中，类似这样的冷冻电镜正影响着结构生物学领域。过去3年里，它们揭示了制造蛋白的核糖体细节，而这些发现正在以飞快的速度发表于顶级期刊。结构生物学家们毫不夸张地认为，他们的领域正处于一场革命当中：冷冻电镜能快速创建那些抗拒X射线结晶学和其他方法的分子的高分辨率模型。与此同时，利用此前技术获得诺贝尔奖的实验室正争先恐后地学习这种“新贵”方法。　　挑战“王者”　　当1973年生物学家Richard Henderson到LMB研究一种被称为菌视紫红质的蛋白时，利用光能量推动质子穿过细胞膜的X射线结晶学是毫无疑问的“王者”。Henderson和他的同事Nigel Unwin利用这种蛋白制成二维晶体，但它们并不适合X射线衍射。因此，两人决定尝试电子显微镜。　　当时，电子显微镜用于研究被重金属染色剂处理过的病毒或组织切片。一束电子被射向样品，其中挣脱开来的电子被探测到并用于描绘它们所撞入的材料结构。这种方法产生了烟草病菌的首幅清晰图像，但染色剂使观察单个蛋白变得困难，更不用说X射线所能揭示的原子水平上的细节。　　在一个关键步骤中，当Henderson和 Unwin利用电子显微镜对菌视紫红质的晶片进行成像时，他们省略了染色剂，相反把晶体放在金属网格上，以便使蛋白凸显出来。“你能看到蛋白中的原子。”和Unwin在1975年发表了菌视紫红质结构的Henderson介绍说。“这是一个巨大的进步。”美国加州大学旧金山分校细胞生物学家David Agard表示，“这就是说，利用电子显微镜研究蛋白结构将成为可能。”　　冷冻电镜领域在上世纪八九十年代得到发展。一个关键进步是将液态乙烷用于瞬间冻结溶液中的蛋白并使其保持静止。不过，通常情况下，这种技术仍然只能将蛋白结构解析到10埃(1埃相当于1纳米的十分之一)的分辨率——与X射线晶体学超过4埃的模型相比并没有竞争力，并且远远无法满足将这些结构用于药物设计的要求。当诸如美国国立卫生研究院等资助者把上亿美元投资到野心勃勃的晶体学项目时，对冷冻电镜的资助远远落后于此。　　1997年，当Henderson参加关于3D电子显微镜的年度高登研究会议时，一位同事在开幕式上发表了颇有挑衅意味的声明：冷冻电镜是一种“小生境”方法，不可能取代X射线晶体学。不过，Henderson能看到一个不同的未来，并且在随后的演讲中进行了反驳。“当时我说，我们应当让冷冻电镜在全球统治所有结构学方法。”他回忆道。　　革命从此开始　　此后第二年，Henderson、Agard和其他冷冻电镜的狂热支持者有条不紊地实现了各种技术改善，尤其是找到了感知电子的更好方法。在数码相机风靡世界很久之后，很多电子显微镜专家仍然偏好过时的胶片，因为它能比数字传感器更高效地记录电子。不过，和显微镜生产厂商一道，研究人员开发出远超胶片和数码相机探测器的新一代直接电子探测器。　　这些从2012年左右获得应用的探测器，能以每秒几十帧的速率捕捉单一分子的速射图像。与此同时，诸如Scheres等研究人员编写了复杂的软件程序，将上千幅2D图像转变成在很多情况下可与晶体学解析的分子图像质量相媲美的3D模型。　　冷冻电镜适合能忍受电子轰击而不会四处晃动的稳定、大型分子，因此通常由几十个蛋白制成的分子机器是很好的目标。而研究证明，没有什么比由RNA相互缠绕支撑的核糖体更加合适了。通过X射线晶体学解析核糖体结构的方法，让3位化学家获得了2009年诺贝尔化学奖。过去几年里，不同的研究团队迅速发表了来自众多生物体的核糖体冷冻电镜结构，包括首个人类核糖体高分辨率模型。在由分享了2009年诺贝尔奖的Venki Ramakrishnan领导的LMB实验室，X射线晶体学在很大程度上变得无人问津。他认为，对于大型分子来说，“冷冻电镜将大幅取代晶体学技术的预测是可靠的”。　　今年5月，加拿大多伦多大学结构生物学家John Rubinstein和他的同事利用约10万幅冷冻电镜图像，创建了一种名为V-ATPase、形状类似转子的酶的“分子影片”。V-ATPase通过燃烧三磷酸腺苷(ATP)推动质子进出细胞液泡。“我们看到的是一切事情都在灵活进行。”Rubinstein说，“它在弯曲、扭动和变形。”在他看来，这种酶的灵活性能帮助其高效传递ATP释放的能量。　　统治结构生物学领域　　像任何新兴领域一样，冷冻电镜领域也有着成长的烦恼。一些专家担心，竞相利用此项技术的研究人员会产生有问题的结果。2013年发表的一种艾滋病病毒表面蛋白的结构，便受到科学家的质疑。他们认为，用于构建模型的图像是白噪声。从那以后，虽然其他团队产生的X射线和冷冻电镜模型对原始模型提出了挑战，但这些研究人员一直坚守他们的成果。　　今年6月，在高登会议上，想要更多质量控制的研究人员通过一项决议，督促各期刊为审稿人提供关于冷冻电镜结构如何被创建的细节资料。　　成本也会减缓此项技术的扩散。据Scheres估算，LMB每天花费约3000英镑运行其冷冻电镜设备，还要加上1000英镑的电费。大部分电费是由储存和处理图像所需的计算机产生的。“对于很多实验室来说，这是一项很高的开支。”　　为了让冷冻电镜的使用更加便利，一些资助者建立了研究人员能预定时间的共享设备。霍华德休斯医学研究所(HHMI)在其弗吉尼亚州珍利亚农场校区运营着一个对HHMI资助的研究人员开放的冷冻电镜实验室。在英国，由政府和惠康基金会资助的一台全国性冷冻电镜设备，今年在牛津附近的迪德科特开始运行。“人们想要了解冷冻电镜，已成为当下的一股浪潮。”帮助建立上述设备的伦敦大学伯克贝克学院结构生物学家Helen Saibil表示。　　追赶这一浪潮的还有纽约洛克菲勒大学生物物理学家Rod MacKinnon。他因确定了特定离子通道的晶体结构而共同分享了2003年诺贝尔化学奖，但如今却在深入研究冷冻电镜。“我正处在学习曲线的陡坡上，而这总是令我兴奋不已。”MacKinnon希望利用冷冻电镜研究离子通道是如何打开和关闭的。　　当Henderson在1997年反驳说冷冻电镜将统治结构生物学世界时，他或许是在口是心非。但将近20年以后，他的预言已不像当时看上去的那么夸张。“如果继续发展下去，并且所有技术问题都得到解决，冷冻电镜确实会成为一种占据统治地位的技术，而不仅仅是第一选择。”Henderson说，“我们或许已经成功了一半。”

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安捷伦科技生物信息学套装新增整合生物学分析功能 GeneSpring 现可实现通路水平的多组学及新一代测序数据分析 2012 年 3 月 27 日，加利福尼亚州圣克拉拉市&mdash &mdash 安捷伦科技公司（纽约证交所：A）今日发布了其广受欢迎的生物信息学软件的重要扩展版本 GeneSpring 12.0，该软件的推出使医学研究水平达到一个新的高度。使用新版 GeneSpring，用户可以在熟悉的软件环境中分析新一代测序数据，并可以在通路水平进行跨多组学平台数据的联合分析。 这些新功能是在GeneSpring 之前已有的转录组学、基因组学、代谢组学和蛋白组学的数据分析模块上的进一步扩展。 安捷伦副总裁生物系统事业部总经理 Gustavo Salem 谈到：&ldquo 随着GeneSpring 12.0 的发布，安捷伦再次实现了一直以来的承诺，提供先进的仪器和功能强大的软件，帮助系统生物学研究人员取得研究成果。GeneSpring 生物信息学软件套装集复杂分析、可视化和数据管理于一体，让新一代整合生物学研究成为现实。&rdquo 从现在起到 8 月 17 日截止，所有客户均可免费测试集成了新型通路构建模块（Pathway Architect module）的 GeneSpring 12.0 。 GeneSpring 12.0还包含可以用于新一代测序数据分析的 NGS 模块。NGS 模块经过设计和测试，可与安捷伦 SureSelect 靶向序列捕获平台联用，也可用于不采用靶向序列捕获的新一代测序实验。质量控制（QC）管理工具是 NGS 模块的一个重要组成部分，为研究人员提供了针对靶向序列捕获结果图形化、测序碱基质量、序列比对以及拼接等环节质量控制的工具。GeneSpring NGS 模块中的 DNA-SEQ 工作流程，包括可以用于已知和未知变体鉴定和特征图谱分析、SNP标注、SNP 效应预测、结构变异检测的工具。RNA-SEQ 工作流程，则支持在绝对和相对空间进行 mRNA 特征图谱分析，可以实现基因和剪切变异体的检测和差异表达分析。该工作流程包括用于新基因和外显子检测、基因融合分析以及复杂的统计和通路分析的工具。 安捷伦的全新生物信息学软件GeneSpring 12.0，能够帮助对新一代测序生物信息学没有经验的的生物学家，通过工作流程向导轻松实现测序数据的管理和分析。生物信息学中心也可以使用该软件，简化数据的分组、分类和研究过程。GeneSpring 12.0 还可以结合安捷伦免费的 eArray portal 使用，用户通过简便易用的界面就可以完成定制实验。 整合来自不同组学技术的数据是系统生物学研究的重要组成部分，涉及在相同或非常相近的生物样品中检测不同生物学组分的丰度。研究人员可使用 GeneSpring 通路构建模块对几乎所有的生物学组分进行通路水平的联合分析。这些生物学组分包括转录本、剪切变异体、变异分析得出的受影响基因组合、代谢物以及蛋白质。 GeneSpring 通路构建模块，能够帮助科学家观察和分析人工注释的通路内容。该功能通过WikiPathways公众数据库，来完善建立、注释和查询生物通路方面的信息。用户还可以通过连接另一个公众数据库 BridgeDB ，实现在多个公开和专有注释数据库中进行生物标记物的比对分析。任何单组学实验的原始数据都可以合并到多组学实验当中，通过联合分析，找出在许多生物学过程中均涉及的具备显著统计学意义的通路，例如信号传导、疾病恶化或毒性等。 GeneSpring 12.0 的定制化功能现已支持 Jython 和 R 编程语言。通过嵌入式脚本编辑器，生物信息学科学家可在 GeneSpring 12.0 的编程框架中编写、执行和保存自己的算法和工作流程。 GeneSpring 12.0 由安捷伦与 Strand Scientific Intelligence 公司联合研发，基于 Strand 的 Avadis技术平台，该平台专门为科学家简化和应对复杂的生命科学挑战而设计。 要了解更多有关 GeneSpring 12.0 的信息，包括要参加一系列的免费在线研讨会，请访问 www.genespring.com.cn。 关于安捷伦科技 安捷伦科技公司（纽约证交所：A）是全球领先的测量公司，同时也是化学分析、生命科学、电子和通信领域的技术领导者。公司的 18,700 名员工为 100 多个国家的客户提供服务。在 2011 财政年度，安捷伦的业务净收入为66 亿美元。要了解安捷伦科技的信息，请访问：www.agilent.com.cn 编者注：更多有关安捷伦科技公司的技术、企业社会责任和行政新闻，请访问安捷伦新闻网站：www.agilent.com.cn/go/news。

安捷伦科技将生物信息学系统扩展为综合生物学套装 2010年 11 月 15 日，北京 &mdash 安捷伦科技公司（纽约证交所：A）今日发布了GeneSpring GX 11.5，这是广泛使用的生物信息学软件的扩展版，能够对多种类型的生物学数据进行可视化和分析。目前 GeneSpring GX 11.5 是首款可同时对外显子芯片、蛋白组学和代谢组学实验进行解读的软件，该工具的界面与以前的版本类似。 这些新功能与现有的 GeneSpring GX 应用相结合，用于基因表达分析、基因组拷贝数分析、全基因组关联分析以及转录组学数据分析。 安捷伦副总裁兼生物系统部总经理 Gustavo Salem 说：&ldquo 安捷伦致力于提供精密的新型仪器和软件工具，以帮助研究人员实现系统生物学的美好前景。这个多组学生物信息学软件只是我们致力于推动未来生物医学研究突破的一部分。&rdquo Agilent GeneSpring GX 11.5 是与 Strand Scientific Intelligence 公司联合研发的，基于 Strand的 Avadis技术平台之上，该平台专门为科学家简化和应对复杂的生命科学挑战而设计。 GeneSpring GX 11.5 增加了用于选择性剪接、代谢组学和蛋白组学分析的新功能，还改进了现有的分析和可视化工具。 在基因组学方面，GeneSpring GX 11.5 的剪接分析得到了极大的扩展与改进，可支持新推出的安捷伦外显子芯片平台。借助 Agilent SurePrint G3 外显子芯片，研究人员可在一次实验同时鉴别出基因水平和外显子水平的表达差异，从而捕获到微小但至关重要的生物变化。使用安捷伦 GeneSpring GX 11.5 生物信息学系统，研究人员可同时分析基因水平和外显子剪接水平的数据，在生物学环境中理解复杂的基因表达行为，从而提高效率，加速研究进程。 GeneSpring GX 11.5 集成了 Agilent Mass Profiler Professional，从而增加了全新的代谢组学和蛋白组学分析功能，并能在 GeneSpring 平台上实现安捷伦质谱分析的所有功能。现在研究者可以在同一窗口中加载多种分别代表了转录组学、基因组学、代谢组学和蛋白组学的实验类型。这样用户就可以在多个实验间切换自如，不再需要单独加载各个实验。 这种组织方式还使得研究者进行生物学研究时，可以便捷地将多类数据结合到一个逻辑单元中，并同时比较不同实验类型的结果。 GeneSpring 的一个重要特点是用户可方便地比较异构数据，并且能深入地进行生物学处境化。不同芯片平台和有机体间的探针自动翻译使得研究者可以通过简单的拖放功能，进行结果比较。这项无缝翻译技术使研究者可以快速鉴别具有统计学显著重复内容的实体列表。 GeneSpring 11.5 版本为客户增加了先进的数据管理功能，如综合备份工具和改进的数据迁移工具。它还整合了 GeneGo 的MetaCore 路径分析工具，使 GeneSpring 的统计分析与 MetaCore 的路径分析优势得以强强联合。 关于安捷伦科技 安捷伦科技公司（纽约证交所：A）是全球领先的测量公司，是通信、电子、生命科学和化学分析领域的技术领导者。公司的 18,500 名员工在 100 多个国家为客户服务。在 2010 财政年度，安捷伦的业务净收入为 54 亿美元。要了解安捷伦科技的信息，请访问：www.agilent.com.cn

泽泉科技应邀于2016年10月9日至12日参加了在武汉举办的2016全国植物生物学大会。本次大会由中国遗传学会、中国细胞生物学学会、中国植物学会、中国植物生理与植物分子生物学学会、中国作物学会联合举办，其主旨为展示我国植物生物学研究的最新成果和进展，促进现代农业绿色发展与相关领域科研人员之间的交流与合作，吸引了来自中国科学院遗传所、中国农科院、中国农业大学、中科院植物所、武汉大学、中科院植物生理生态研究所等全国100多个科研机构及院校的1500多名专家学者到会。 大会邀请国内具有重要学术影响的专家学者以及优秀青年科学家进行报告，围绕植物基因组学与基因组演化、植物表观遗传学、植物细胞生物学、植物发育生物学、植物激素生物学、非生物胁迫适应机理、生物胁迫与植物免疫、光合作用与光信号、作物营养学与代谢组学、复杂农艺性状解析与分子育种等10个专题进行了交流和研讨。陈晓亚院士、李家洋院士、戚益军教授、张启发院士、赵进东院士、朱健康院士、朱英国院士等做了大会报告，88名中青年科学家做了分会报告。除口头报告外，大会收到会议摘要150余篇、墙报120余份。口头报告和墙报展示充分体现了我国植物生物学研究的突出进展，使大会成为具有国际一流水准的学术盛会。 与会期间，泽泉科技与参会老师热烈讨论了许多技术问题，推广了很多结合实验的技术解决方案。例如，与来自中科院遗传所的老师讨论了利用X光研究根系的详细细节，根据老师的具体实验需求，我们还提供了利用LemnaTec 3D或者CT三维成像技术来帮助他完成实验需求的方案。再如，我们与来自北京大学的老师探讨了Imaging-PAM和GFS-3000的使用，这两台设备不仅可以单独使用，完成对叶绿素荧光和植物气体交换的单独测量，用以表现其光系统、电子传递链和碳同化等不同位置的活性；这两台设备还可以联合使用，实现光系统和碳同化的同时监控。再如，与来自四川农业大学的老师探讨了植物培养的解决方案，我们不仅提供国际上应用最多的CONVIRON植物培养箱，还可以根据客户的不同培养需求，提供不同的LED培养解决方案，能够真正实现一箱多用，为客户解决了很多植物培养方面的困难。 展会期间，泽泉科技提供了很多卓有成效的系列产品解决方案，为的就是从实验方面为客户解决一些问题，而不是单纯的产品销售。目前，泽泉科技的自有品牌“高通量植物基因型-表型育种平台——AgriPheno™ 正日趋受到广大客户的认可，我们愿意与更多的客户合作，共同为我国农业做出一份贡献！

仪器信息网讯 中共中央、国务院近日印发的《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》昨日对外发布。文件在&ldquo 围绕建设现代农业，加快转变农业发展方式&rdquo 中提到，要加强农业转基因生物技术研究、安全管理、科学普及。 　　尽管近年来关于转基因技术的争论一直不断。但是转基因作物往往具有十分优秀的抗旱、抗虫、高产等性状，增强了人类应对食物短缺、能源匮乏、环境污染等一系列全球挑战的能力。在早前我国发改委编制的《国家战略性新兴产业发展&ldquo 十二五&rdquo 规划》中,生物育种产业被列为七大国家战略性新兴产业之一。转基因技术作为关系到国家核心竞争力的和国家长远发展的战略性新兴产业之一。推进转基因生物技术研究和应用是大势所趋。 　　目前，我国农业转基因生物技术存在一系列问题。例如，我国从事转基因研究的机构，多数由从事基因克隆单位承担，具有新品种选育研究的能力的单位较少从事转基因研究工作 我国具有重要利用价值和自主知识产权的转基因技术仍然较少 我国很多企业对转基因生物技术重视不够。研发资金的投入很少等等。 　　转基因农业生物技术研究是以重组DNA技术为核心，应用基因扩增仪(PCR)，凝胶电泳仪，凝胶成像仪，基因测序仪等获取外源DNA，再利用基因导入仪(基因枪)等将外源DNA导入受体植物。研究过程中也将会应用分子杂交仪，核酸提取仪等分子生物学仪器和基因芯片相关仪器。2015年一号文件的发布，将会为转基因生物技术研究产生巨大的推动作用，并将鼓励更多单位从事转基因研究工作。也将促进国家和企业对于转基因生物技术研发资金投入。由此可预计，在近两年内，转基因农业生物技术研究的加强将会为基因扩增仪(PCR)，基因测序仪等分子生物学仪器市场带来重大发展机会。

仪器信息网讯 近日，2021年中央一号文件《中共中央 国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》发布。这是新世纪以来，中央连续发出的第18个一号文件，为农民送去了牛年新春的“政策大礼包”。文件特别指出要打好种业翻身仗，重视之程度前所未有。打好种业翻身仗 分子育种等是重要工具在打好种业翻身仗部分内容，文件提出要加强农业种质资源保护开发利用。特别强调对育种基础性研究以及重点育种项目给予长期稳定支持，并加快实施农业生物育种重大科技项目。进入21世纪，我国农业育种领域步入崭新阶段，生物技术的不断发展极大影响了农业育种的趋势，现代分子技术辅助大田育种，使农产品产量和性能都极大的提高。育种技术除了众所周知的杂交育种，还有单倍体育种、诱变育种、分子标记辅助育种、分子设计育种、转基因育种等等。其中转基因技术自诞生以来即遭受强大的舆论压力，但就技术成就来看，转基因技术是现代农业重要的生物育种技术工具，是农业育种即改良的有效方法。转基因技术长期向好 分子生物学仪器迎来巨大机会近日农业农村部也发布了《农业农村部办公厅关于鼓励农业转基因生物原始创新和规范生物材料转移转让转育的通知》，支持从事新基因、新性状、新技术、新产品等创新性强的农业转基因生物研发活动，鼓励农业转基因生物原始创新。转基因农业生物技术研究是以重组DNA技术为核心，应用基因扩增仪(PCR)，电泳仪，凝胶成像仪，基因测序仪等获取外源DNA，再利用基因导入仪(基因枪)等将外源DNA导入受体植物。研究过程中也将会应用分子杂交仪、电转仪、核酸提取仪等分子生物学仪器和基因芯片相关仪器。中国政府采购网某单位采购小麦分子育种技术仪器设备的公告2021年一号文件的发布，将会为转基因生物技术研究产生巨大的推动作用，并将鼓励更多单位从事转基因研究工作，也将促进国家和企业对于转基因生物技术研发资金投入。由此可预计，在近两年内，转基因农业生物技术研究的加强将会为基因扩增仪(PCR)，基因测序仪等分子生物学仪器市场带来重大发展机会。分子育种所需仪器（部分）

p style=" text-indent: 2em " 2020年3月初的一天，武汉战“疫”正紧。武汉市金银潭医院院长张定宇接待了一批特殊的客人，他们带来了一种治疗新冠肺炎的新型干细胞药物。 /p p style=" text-indent: 2em " 干细胞药物，即便对很多专业医学人士来说，也是个新鲜事物。“干细胞是什么？”“有用吗？用了会有什么后果？”“做可以，你们要承担所有责任！”这支来自干细胞与生殖生物学国家重点实验室的战“疫”科技攻关团队，一腔热血逆行武汉，却吃了不少闭门羹。 /p p style=" text-indent: 2em " 幸运的是，张定宇信任他们。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 多年积淀 一朝亮剑 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 3月5日，CAStem细胞注射液治疗新冠病毒致呼吸窘迫综合征（ARDS）临床试验在金银潭医院正式启动。 /p p style=" text-indent: 2em " CAStem是一款干细胞药物的名字，意为“中科院的干细胞”，是实验室自主研发的干细胞药物。干细胞与生殖生物学国家重点实验室副研究员、国家干细胞库执行主任郝捷请同事把这几个字母写在自己的防护服上，坚定地走进了医院的隔离区。 /p p style=" text-indent: 2em " 在这里，她看到凝聚了大家智慧和心血的细胞药物一滴一滴输入新冠肺炎患者体内。医护人员发现，这些接受了干细胞药物治疗的病人的呼吸功能、肺部病灶特别是肺纤维化症状均有改善。 /p p style=" text-indent: 2em " 在送接受过干细胞药物治疗的痊愈患者出院时，一位患者激动地对他们说：“你们研发的药物太好了，给了我第二次生命！” /p p style=" text-indent: 2em " 不仅在武汉，这支队伍还先后在北京、哈尔滨开展相关临床研究工作，三地共救治74名患者。 /p p style=" text-indent: 2em " CAStem——这个带有鲜明中科院烙印的产品，成为新冠肺炎疫情期间国家药品监督管理局批复的唯一一个具有自主产权的干细胞药物，更入选了国家救治新冠患者的“三药三方案”。 /p p style=" text-indent: 2em " 4月14日，科技部负责人在国务院联防联控机制召开的新闻发布会上郑重宣布：干细胞应用于新冠肺炎的临床治疗安全性良好！ /p p style=" text-indent: 2em " 此次抗疫攻关中，干细胞与生殖生物学国家重点实验室亮出两件利器：CAStem干细胞注射液和新一代恒温CRISPR法核酸检测试剂盒（CASdetec）。后者革新了核酸检测的技术原理，有望摆脱对昂贵PCR仪器的依赖，让检测走进社区甚至家庭。 /p p style=" text-indent: 2em " 多年关注呼吸系统疾病、把干细胞药物推向临床一线、开发新一代核酸检测技术、致力于相关标准及知识产权政策发布和完善、全链条布局打通创新成果转化渠道& #8230 & #8230 干细胞与生殖生物学国家重点实验室积淀多年的工作，在疫情暴发的非常时期发挥了重要作用。 /p p style=" text-indent: 2em " “这次疫情的考验让我们知道，这是一支召之即来、来之能战、战之能胜的队伍，是一群有家国情怀的人的聚集体。”中科院院士、干细胞与生殖生物学国家重点实验室研究员周琪说。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 时代变迁 奋斗不变 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 干细胞与生殖生物学国家重点实验室的前身是“计划生育生殖生物学国家重点实验室”，于1991年成立。它是我国最早开展生殖生物学研究的基地，是美国洛氏基金会在全世界设立的“二十一世纪生殖与避孕研究网络”7个成员之一，也是世界卫生组织在全世界设立的6个“胚胎着床研究中心”之一，在世界和中国生殖研究领域占有一席之地。 /p p style=" text-indent: 2em " 进入新世纪，世界科技格局和研究范式发生全新变化，实验室前瞻性布局了生殖工程研究方向，把前沿生殖技术的创建及应用列为实验室的重要发展目标，并以此为核心，不断壮大干细胞研究团队，到2015年，实验室从事干细胞与再生医学领域研究的研究员达到9位。 /p p style=" text-indent: 2em " 干细胞等先进技术与传统生殖生物学的交叉融合，为实验室生殖学科的发展带来了新的机遇，在生殖生物学研究方向产出了多项具有里程碑意义的重大创新成果，如利用四倍体补偿技术证明iPS细胞的全能性、同性生殖、人工配子、表观遗传新机制、非人灵长类胚胎超长时间培养等，使传统学科焕发了新的生机。 /p p style=" text-indent: 2em " 到2015年，实验室已成长为我国干细胞和生殖生物学领域领先的研究实体。与此同时，“计划生育”已经不再是国家需求，这4个字已经不能代表实验室所承担的使命，通过申请、论证、现场评估，获科技部批准，实验室成功更名为“干细胞与生殖生物学国家重点实验室”，并在2016年国家重点实验室评估中，进入“优秀类”国家重点实验室序列。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 基础研究 硕果累累 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 干细胞与生殖生物学国家重点实验室主要从事生殖生物学、干细胞与再生医学和创新细胞技术研究，近年研究成果多次入选“年度中国生命科学十大进展”或“年度中国十大科技进展”，并入选 “改革开放40年40项标志性研究成果”。 /p p style=" text-indent: 2em " 在基础理论研究方面，干细胞与生殖生物学国家重点实验室面向世界科技前沿，深挖领域内最基本的科学问题，探索生殖、发育、遗传、衰老全生命周期的调控机制，不断突破领域内科学认知的边界，获得了诸多重大理论突破：首次将胚胎第一次细胞命运分化的选择推到了2—细胞胚胎时期，成果入选2019年度中国生命科学十大进展；首次实现灵长类胚胎长时程体外培养，开启哺乳动物繁衍新方式；发掘跨代遗传新机制，发现个体内代谢环境通过改变生殖细胞基因组甲基化或tsRNAs介导（RNA而非DNA），可将获得的代谢紊乱表型跨代传递给子代，成果入选2016年度中国十大科技进展；揭示了灵长类器官（血管、胰岛、卵巢等）退行的特异性机制，发展通过基因或干细胞治疗干预退行性疾病的有效策略。 /p p style=" text-indent: 2em " 在技术原始创新方面，干细胞与生殖生物学国家重点实验室面向国家人口健康领域的重大需求，取得了多项原始创新成果：构建了多种新型干细胞，包括小鼠孤雄单倍体干细胞（2012年度中国十大科技进展）、大鼠孤雄单倍体胚胎干细胞、异种杂合二倍体胚胎干细胞；开发了具有自主知识产权的基于Cas12b的基因编辑技术；建立同质性原始态人类胚胎干细胞，首次在体外模拟了人类X染色体的随机失活；实现了哺乳动物的无性生殖（入选了The Scientist杂志评选的“2018年度科技进步”）；首次建立衰老研究的灵长类动物模型，例如LMNA基因突变的“儿童早衰症”灵长类动物模型，以及“长寿基因”SIRT6敲除的食蟹猴（2018年度中国生命科学十大进展）；同时规模化制备了大动物的突变体，建立了多个能准确模拟人类疾病的大动物模型和可用于猪新品系培育的育种新材料，如创制了首例猪甲减模型、提高生产性状猪等。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 转化研究 成果卓著 /strong /p p style=" text-indent: 2em " 干细胞与生殖生物学国家重点实验室强化基础和应用基础研究，布局转移转化研究，促进基础研究和应用研究的融通发展，以保持实验室的创新性、先进性和引领性。 /p p style=" text-indent: 2em " 实验室站在时代前沿，积极尝试自我审视和革新。在学科建设方面，始终以“四个面向”为出发点，布局有发展前景、有重大创新产出潜力的学科；在团队建设方面，搭建良性人才流动机制，聚集国内外一流人才；实验室大胆尝试体制和机制革新，如联合国内相关领域的国家重点实验室或优势力量成立联盟或创新实体，通过标准引领、知识产权保护支撑成果转化。 /p p style=" text-indent: 2em " 实验室从解决国家人口健康领域重大需求出发，锚定健康领域重大疾病的诊治，以治疗重大疾病切入口，找寻这些重大疾病治疗的方案和手段，围绕产业链部署创新链，围绕创新链部署产业链，从而实现从基础研究到产业应用全链条的研究模式。 /p p style=" text-indent: 2em " 实验室面向国家重大需求和国民经济主战场，围绕产业链布局，临床转化成果卓著。早在2007年实验室就前瞻性地布局建设北京干细胞资源库，于2019年获批成为国家干细胞资源库，是我国首家通过人类遗传资源（CNAS）许可的干细胞资源库，也是国际首个IOS20387认可机构。实验室借助国家干细胞资源库独特的干细胞资源，突破“干细胞药物”质控、制剂等核心技术，建立了临床级人胚干细胞及多种功能细胞分化平台，并自主创新开发近十种干细胞药物的全链条关键平台技术，研发包括多巴胺神经前体细胞、运动神经前体细胞、视网膜色素上皮细胞、M类细胞、肝细胞、心肌细胞等一系列干细胞。 /p p style=" text-indent: 2em " 实验室承担首批国家药品监督管理局和国家卫生健康委员会备案干细胞治疗帕金森病、老年黄斑变性等重大疾病临床研究项目，其中开展的干细胞治疗帕金 span style=" text-indent: 2em " 森病临床试验被Nature跟踪报道，认为“这标志着中国使用人胚胎干细胞进行临床试验的开始，也是世界上首次使用这些细胞治疗帕金森病的试验”。目前开展包括帕金森病、黄斑变性、卵巢早衰、半月板损伤等十余种疾病临床研究9项。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/ef6a5ace-393a-4dc2-b4bb-54f837870626.jpg" title=" 20201020424171511.jpg" alt=" 20201020424171511.jpg" width=" 482" height=" 265" style=" text-align: center max-width: 100% max-height: 100% width: 482px height: 265px " / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " ①武汉科技攻关团队圆满完成抗疫任务，获金银潭医院“荣誉职工”称号。 img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/b0ef0ab8-18f3-44c9-8619-b68c5980a372.jpg" title=" 2020102042585420.jpg" alt=" 2020102042585420.jpg" width=" 483" height=" 326" style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 483px height: 326px " / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " ②郝捷身穿防护服在武汉市金银潭医院隔离区。 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 446px height: 298px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/b14f967a-93c4-4c59-810b-7e82dd1661f9.jpg" title=" 20201020424171360.jpg" alt=" 20201020424171360.jpg" width=" 446" height=" 298" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " ③首次实现雄性同性生殖。 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 442px height: 309px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/b6083866-3223-45bc-a86d-a97403816979.jpg" title=" 20201020424171512.jpg" alt=" 20201020424171512.jpg" width=" 442" height=" 309" / /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " ④实验室与瑞士辉凌公司达成战略合作协议。 /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " span style=" font-size: 18px " strong 向国际化迈进 /strong /span /p p style=" text-indent: 2em " 2018年底，干细胞与生殖生物学国家重点实验室周琪课题组和李伟课题组合作，在《细胞》上发表了一项重要成果——哺乳动物的第一次细胞命运决定。 /p p style=" text-indent: 2em " 对绝大多数生物来说，生殖的起点就是精卵融合，最初的一颗受精卵，经过无数次细胞的分裂和分化，最终变成一个完整个体。在这个过程中，每个细胞的命运是如何决定的？这是生殖与发育生物学和细胞生物学的一个核心问题。 /p p style=" text-indent: 2em " 在此之前，科学家已经确证在4—细胞期时就已出现了能调控细胞命运选择的分子差异。那么在2—细胞期，也就是受精卵一分为二的时期，这两个细胞的命运是否已经注定不同？ /p p style=" text-indent: 2em " 经过探索，他们发现一种内源逆转录病毒来源的基因——LincGET在两个细胞中的表达量存在差异，LincGET表达量高的那个细胞，更倾向于选择内细胞团的命运倾向，也就是更有可能发育为胎儿，而另一个细胞则更有可能发育为胎盘。 /p p style=" text-indent: 2em " 这项研究得到了瑞士辉凌医药公司的资助。“一项值得做的工作。”辉凌公司相关负责人对这项研究如此评价，“尽管我们是一家制药公司，但是我们与实验室的合作，并不是希望研究成果能直接创造财富，而是希望让自己始终保持创新能力。” /p p style=" text-indent: 2em " 瑞士辉凌医药公司于2017年与实验室达成战略合作协议，2018~2022年资助2000万美金，支持实验室开展生殖生物学领域的基础及转化研究，促进科研成果转化及临床应用。双方合作成立辉凌生殖医学研究所，设立“辉凌生殖健康基金”，面向全国科研院所、高校和医院征集项目，截至目前共资助46项生殖医学转化研究项目。此项合作探索了国有科研机构开展国际合作和产业化研究的新模式。 /p p style=" text-indent: 2em " 干细胞与生殖生物学国家重点实验室一直注重国际合作交流，在科研布局、项目组织、标准制定等方面向国际化迈进。 /p p style=" text-indent: 2em " 中国于2007年加入国际干细胞组织（ISCF），自2014年起周琪担任ISCF轮值国主席，他倡导国际大科学计划，与多家国际组织和知名科学家搭建起交流渠道，并联合英国、美国、法国、日本等多国推动多项干细胞国际标准提案，引领干细胞国际标准制定。实验室推进中日韩合作项目，建立中日韩三方的干细胞生物学与再生医学研究合作框架体系；2019年3月实验室与韩国干细胞学会、日本再生医疗学会签署中日韩三边合作备忘录，共同约定在国际范围内开展再生医学领域国际合作研究项目，加强国际学术交流；同时，实验室主持中韩科技部双边合作项目——针对东亚人群的临床级干细胞研发及应用。 /p p style=" text-indent: 2em " 实验室推动细胞学会干细胞分会与学术期刊出版商Wiley达成合作备忘录；实验室于2010年发起“国际生殖生物学前沿大会”，该大会每两年举办一次，历届会议都特别邀请国际生殖生物学领域顶尖科学家，交流领域最前沿成果，同时设有“青年科学家专场”报告，为领域后备人才提供提升机会。2021年实验室将承办“世界生殖大会”，这是我国第一次作为东道主主持由生殖生物学领域多国学术组织联合发起的专业届会。 /p p style=" text-indent: 2em " 多年来，干细胞与生殖生物学国家重点实验室始终以“四个面向”为出发点，以实现“四个率先”为发展目标，以脚踏实地的工作和丰硕的科研成果为我国建成世界科技强国提供有力支撑。（李晨阳） /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " span style=" font-size: 20px " strong 干细胞与生殖生物学 /strong /span /p p style=" text-align: center text-indent: 2em " span style=" font-size: 20px " strong 国家重点实验室简介 /strong /span /p p style=" text-indent: 2em " 干细胞与生殖生物学国家重点实验室是我国干细胞与生殖健康基础研究领域唯一的国家重点实验室，于1991年开始组建，并于1993年底通过验收。 /p p style=" text-indent: 2em " 实验室的研究定位是面向我国人口安全和人民健康的重大需求，在干细胞与生殖生物学领域开展前瞻性和引领性研究，深入探索重大基础科学问题，研发新型研究工具和疾病治疗方法，服务国家创新驱动发展战略，提升国民健康水平和人口质量。主要研究方向包括再生医学研究、生殖健康研究和创新细胞技术研究。 /p p br/ /p

合成生物学是生物科学在二十一世纪新兴的一个分支学科，本质是构建一个区别于自然生命的人造生命。通过规模化的改造细胞，使其生产出人们需要的物质，如同建立了一个高效的细胞工厂。合成生物学的发展历程1911年，“Synthetic biology”一词最早由法国物理化学家Stephane Leduc在其所著的《生命的机理》(The Mechanism of Life)一书中提出，并归纳为“合成生物学是对形状和结构的合成”，但受制于当时的科学技术水平，“合成生物学”并未得到真正的发展。随着20世纪70年代和80年代分子克隆和PCR技术的发明，为基因设计调控提供了技术手段。到20世纪90年代中期，基因测序技术兴起，这种分子生物学的“放大”产生了系统生物学领域，生物学家和计算机科学家开始将实验和计算结合起来，对细胞网络进行反向工程。2000年，Eric Kool重新定义了“合成生物学”：是基于系统生物学的遗传工程。这标志着这一学科的真正形成。但合成生物学真正受到关注却是在21世纪，一系列颠覆性成就均是在此阶段发布。2000年-2003年是合成生物学的“创建时期”，产生了许多具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的建立及其在代谢工程中的成功运用，这一时期的典型成果是青蒿素前体在大肠杆菌中的合成；2004年-2007年是合成生物学的“扩张和发展时期”，工程化理念日渐深入、使能技术平台得到重视、工程方法和工具不断积淀，领域有扩大趋势；2008年-2013年是合成生物学的“快速创新和应用转化期”，涌现出的新技术和工程手段使合成生物学研究与应用领域大为拓展；2014年以后进入到了合成生物学的发展新阶段，“DBTL”循环被提出，生物技术与信息技术融合发展的特点愈加明显，2014年6月，世界经合组织（OECD）：发表了题为“Emerging Policy Issues in Synthetic Biology”的报告。该篇报告从合成生物学前景说起，并认为该领域前景广阔，建议各国政府把握好机遇，大约20个国家纷纷出台相关政策。今年七月份，由工业和信息化部、国家发展改革委、商务部发布 《三部委关于印发轻工业稳增长工作方案（2023—2024 年）的通知》中也将生物制造作为着重培育壮大的新增长点。由中国科学技术信息研究所、上海市科学研究所联合编撰的《未来产业创新的前沿领域》也将合成生物学列为了未来产业创新的五大前沿领域之一。有数据显示，合成生物学将在未来5-10年呈现高速增长，合成生物学将成为千亿赛道。国内合成生物学主要研究阵地当前我国的合成生物学尚处于起步阶段，除了国家层面的顶层设计，地方各地也在加紧布局合成生物新赛道，北京、深圳、上海、天津等地现已经成为国内合成生物学研究的主要阵地。北京：作为全球科研城市榜首的北京，日渐成为国际前沿科技的重要策源地和全球产业变革的重要驱动地。其中在合成生物学方向，北京化工大学作为北京市内合成生物学重点落地研究团队，承担了北京市合成生物学重大专项。该校的生命科学与技术学院科研实力雄厚，尤其是在绿色生物制造、合成生物学、生物安全和生物医药等研究领域拥有国内领先水平。曾任生命科学与技术学院院长，现任北京化工大学校长的中国工程院院士谭天伟在合成生物学领域贡献颇多。此外，北京化工大学于2020年成功举办了合成生物学前沿论坛。仪器信息网特别邀请当次论坛的主持人——袁其朋老师将于第一届“合成生物学技术及应用进展”网络会议(10月10日-11日)上作名为《高效细胞工厂构建及产业应用》的报告分享。（点击报名参会）袁其朋作为当次论坛的主持人，也是教育部长江学者特聘教授，第十一届中国青年科技奖获得者，北京市百名领军人才，化工资源有效利用国家重点实验室副主任。他的主要研究领域为合成生物学及代谢工程、高纯天然产物规模制备及活性研究。近年来承担了科技部重点研发任务、国家自然科学基金重点、面上项目、企业合作等项目。中国工业生化与分子生物学分会副主任委员、中国药学会制药工程专业委员会副主任委员、中国纺织工程学会化纤专业委员会副主任委员、中国生物发酵产业协会微生物育种工程与应用评价分会副理事长等。《合成生物学》副主编，Synthetic Biology and Engineering，Bioresource and Bioprocessing，Advanced Biosystems News、Bioprocess、《食品科学》、《生物工程学报》、《食品安全质量检测学报》等刊物编委。除此之外，田平芳教授也受仪器信息网邀请，将于10月10 日在“合成生物学技术及应用进展”网络会议上进行名为《优化“启动子-RNA聚合酶”以实现目标产物的高产》的报告分享。（点击报名参会）田平芳教授：美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）访问学者，美国佐治亚大学（UGA）高级研究学者。他的研究方向为微生物代谢工程和合成生物学；主持国家自然科学基金面上项目5项，863课题2项，国家重点研发计划课题1项，其他省市和企业课题10多项，参与课题多项；发表SCI和核心刊物文章150多篇，授权专利16项；开展基因组编辑及3-羟基丙酸、1,3-丙二醇、吡咯喹啉醌、阿克拉霉素等化学品的生物合成和代谢调控研究；已培养博士和硕士研究生70多名；研发的生物农药已在全国范围推广；担任Nature Comm, Metab Eng, Appl Envir Microbiol, Biotechnol Adv, Appl Microb Biotechnol等30多个SCI刊物审稿人，以及国家自然科学基金、国家重点研发计划和国际合作项目评审专家。深圳：在政府层面，深圳市是目前国内发布合成生物学相关政策最多的地区，其中《光明区关于支持合成生物学创新链产业链融合发展的若干措施》是国家首个完全针对合成生物学的政策。深圳合成生物学科研实力雄厚，相关合成生物学研究院所共四所， 2017年深圳先进技术研究院成立国内首个合成生物学研究所，以青年“海归”为主，全球聚焦合成生物学领域最大规模的前沿多学科交叉团队，其中，刘陈立任深圳先进技术研究院合成生物学研究所所长。2019 年，深圳先进技术研究院牵头建设成立了深圳合成生物学创新研究院（深圳合成院），聚焦人工生命体系的理解，致力于重塑与扩展这一重大科学挑战，开展合成生物学基本原理、共性方法和医学转化应用研究。仪器信息网特别邀请深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成生物化学研究中心执行主任罗小舟，他将于第一届“合成生物学技术及应用进展”网络会议(10月10日-11日)上作名为《利用合成生物学方法增加小分子结构多样性》的报告分享。（点击报名参会）罗小舟作为中国科学院深圳先进技术研究院研究员、合成生物学研究所合成生物化学研究中心执行主任，森瑞斯生物科技（深圳）有限公司创始人。同时，也是深圳市微生物药物智能制造重点实验室副主任，深圳市优青，广东省杰青，科技部重点研发计划课题负责人，国家重大人才工程（青年）专家，任《合成生物学》 编委。他主要聚焦于合成生物学领域中生命体内生物化学过程相关研究，主要结合遗传密码扩充技术，酶的定向进化，基因挖掘和代谢工程等多种化学生物学方法，基于大数据机器学习及高通量自动化，深入研究多种不同类别的天然产物及其衍生物的生物全合成的方法，并利用合成生物学方法，将研究成果转化至制药、个性化治疗、新材料等领域。上海：作为国内合成生物学的发源地，上海市产业优势及产学研协同优势较为明显。上海合成生物学科研院所共 3个，以 2008 年成立的中科院合成生物学重点实验室为代表。中科院合成生物学重点实验室是国内第一个合成生物学实验室，依托单位为中国科学院分子植物科学卓越创新中心。实验室以发展合成生物学理论和创新合成生物学技术为主导，建立合成生物学关键工程平台；针对我国在能源、环境、健康等方面的需求及面临的挑战，聚焦若干重要生物学体系，在分子、细胞和微生物菌群等层次上，实施合成生物学创制；并通过转化研究，推动科研成果产业化。现任实验室主任为覃重军研究员，副主任为王勇研究员、杨琛研究员，学术委员会主任为杨胜利院士。其中，副主任王勇受仪器信息网邀请将于第一届“合成生物学技术及应用进展”网络会议(10月10日-11日)上作名为《植物二萜的合成生物学研究》的报告分享。（点击报名参会）王勇博士作为中国科学院合成生物学重点实验室副主任，中科院分子植物科学卓越创新中心特聘研究员、博士生导师。科技部十三五重点研发计划“合成生物学”重大专项项目负责人，首席科学家。入选“中科院百人计划”、“国家万人计划科技创新领军人才”、“上海市优秀学术带头人计划”。现任上海市生物工程学会秘书长、副理事长；中国生物工程学会理事。他所在的课题组主要研究方向为天然产物的合成生物学：通过解析天然产物的生物合成途径，基于工程化的设计和建构，改进复杂天然产物的生物合成效率和其生产方式，开发天然的或非天然的复杂天然产物活性成分。作为项目负责人，先后主持完成了国家科技支撑计划、国家重点研发计划、国家重大新药创制专项、自然科学基金等多项国家或省部级科研项目。近年，申请的专利多项基于合成生物技术的天然产物产品实现了产业化推广，推动了行业进步。天津：在合成生物学领域设有总投资近20个亿的国家合成生物技术创新中心，还对标国家实验室建设了天津合成生物学海河实验室。除了上述提到的科研院所之外，中国农业科学院深圳农业基因组研究所农业合成生物学中心、上海交通大学生命科学院合成生物学实验室、上海农业科学院合成生物学实验室等也具备良好的研究和发展基础。合成生物学正被广泛应用于各种产业，合成生物学技术应用涵盖平台开发、医药、化工、能源、食品和农业等重点领域。在推动科学革命的同时，合成生物学技术正快速向实用化、产业化方向发展。~~~~~"合成生物学技术及应用进展"网络会议开讲啦!~~~~~2023年10月10-11日，由仪器信息网举办的第一届合成生物学技术及应用进展网络会议将在线开播。本次会议聚焦到合成生物学的上、中游技术，众多行业专家将在线分享先进、前沿的使能技术，以及菌株改造、筛选等生物合成技术和工艺开发方案，会议日程详情请点击下方链接，快来报名吧！立即报名 https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/syntheticbiology231010.html 扫码直达报名页面温馨提示1) 报名后，直播前一天助教会统一审核，审核通过后，会发送参会链接给报名手机号。填写不完整或填写内容敷衍将不予审核。2) 通过审核后，会议当天您将收到短信提醒。点击短信链接，输入报名手机号，即可参会。会议内容及报告赞助联系：仪器信息网 陈编辑：13171925519，chensh@instrument.com.cn

心血管系统是脊椎动物胚胎发育的第一个功能器官系统，其主要功能是运输、控制和维持全身的血流。由于不断暴露在来源于血流量和压力的多种机械力下，心血管系统是最容易受到机械力学刺激的系统之一。在这种情况下，心血管系统中的细胞由于心脏跳动产生的脉动变化以及血流产生的剪切应力等永久地受到力学刺激。一方面，流体剪切应力、血管壁机械牵张力、细胞与细胞之间的胞间力等外力组成了心血管系统的力学刺激。另一方面，心血管细胞力学描述了心血管的细胞或组织弹性的动力学。 心肌组织是由心肌细胞、心脏成纤维细胞、细胞外基质、血管等组成的复杂和高度层次化的组织，其组织结构与心脏的宏观力学和形态特性密切相关。随着心脏从单腔结构演变为多室结构，心脏瓣膜开始控制心脏周期中的单向血流。在此期间，心室肌细胞以纤维的形式排列，在心脏壁内形成复杂的层流模式，赋予了心脏包括各向异性、黏弹性在内的多种力学性能。此外，细胞外基质维持了心脏完整性并支持其功能。心脏间质外基质主要由成纤维细胞样细胞产生和维持，为心肌提供了必要的结构支持，保留了心室的力学特性。血流和基质成分的改变都将在一定程度上影响整个心脏的结构和功能。血管在组织结构较高，特别是大组织和器官结构的产生中发挥着重要作用。所有组织生长需要建立足够的血管结构。血管主要由血管内皮细胞（endothelial cells，ECs）和周围的平滑肌细胞（smooth muscle cells，SMCs）或周细胞组成。这些特殊组分维持了血管的黏弹性、各向异性等力学特性。EC排列在血管的内表面，其在循环和周围组织之间提供选择性结构屏障，调节血管通透性和血流。血管内皮功能可以通过血流速率、血管直径或动脉力学特性变化来评估，这些特性与血管收缩和舒张活动有关。此外，SMCs是构成血管壁组织和维持血管张力的主要细胞成分。血管SMCs在组织发育过程中，不断暴露于脉动牵张力等力学刺激中，这种力学作用至少在一定程度上促进了血管组织成分的发育。心血管结构或可替代性的改变可以对心脏功能、血管收缩和扩张能力产生重要影响。特别是在病理情况下，了解心血管结构和力学特性的变化是阐明心血管疾病发生的必要条件，因为这些特性是正常心血管功能的关键决定因素。2022年，关于心血管的生物力学与力学生物学研究主要集中在心血管组分、结构和功能方面。在生理或病理条件下，对心脏和血管壁的生物力学特性、血管内的血流动力学参数、以及响应力学刺激后的生物学改变进行了广泛研究。此外，在微流体技术、纳米技术和生物成像技术等新技术的应用以及心血管生物力学建模领域也取得了进步。然而，机体自身存在的复杂力学环境导致体内心血管力学生物学相关的研究较少。因此，体内环境中不同力学条件下心血管损伤修复的力学生物学研究是未来重要的研究方向。1 心血管生物力学研究1.1 心脏结构和功能的生物力学特征心脏具有复杂的三维结构，在整体器官水平上的功能来自于细胞亚结构到整个器官的内在结构-功能的协调作用。然而，对人体心脏结构中细胞生物力学特征的研究还处于早期阶段。在最近的报道中，Chen等[1]通过空间维度剖析了心肌细胞的异质性，并明确了心肌细胞和血管细胞的空间和功能分区。该项研究表明心房或心室内存在明显的空间异质性，为心脏不同分区的功能异质性提供了理论基础。心脏的基本功能是收缩功能，由此产生的收缩力是心脏独特的力学特性。心脏收缩是一种复杂的生物力学过程，需要心肌细胞的收缩和松弛协同作用，产生足够的收缩力，将血液推向体循环和肺循环。以往研究更多的关注心脏的形态结构、心室大小和室壁厚度等因素对心脏收缩功能的影响，而缺乏对心脏收缩功能的直接表征。Salgado-Almario等[2]构建了一种新的斑马鱼品系，可用于斑马鱼心脏收缩期和舒张期钙水平的成像。该研究通过将Ca2+水平和心脏收缩功能关联起来，可实现对收缩功能的表征，有利于心力衰竭和心律失常等疾病病理生理学机制的阐明。此外，在心脏周期中，心脏收缩或舒张引起的血液流动与发育中的心脏壁不断地相互作用，从而调节心脏发育的生物力学环境。因此，确定整个心脏壁的力学特性是十分重要的。Liu等[3]在健康的成年绵羊模型中研究了左心室和右心室的生物力学差异，观察到右心室在纵向上比左心室顺应性强，在周向上比左心室硬，这表明不同心室的力学特性对舒张期血液充盈的影响不同。未来的研究应该根据不同室壁的生物力学原理开发对应的特异性治疗方法。值得注意的是，心脏瓣膜是控制心脏血流的重要组成部分，其力学特征对心脏功能和心脏瓣膜疾病的发展都有重要影响。瓣膜的生物力学特征包括瓣膜的弹性和变形能力等。这些特征可以影响瓣膜的开合和阻力，进而影响心脏血液流动和血液循环。因此，揭示心脏瓣膜的生物力学特性具有重要意义。软组织的力学性能是由其复杂、不均匀的组成和结构所驱动的。在一项二尖瓣小叶组织研究中，Lin等[4]开发了一种具有高空间分辨率的无损测量技术，证明了厚度变化可引起二尖瓣异质性的存在。此外，Klyshnikov等[5]利用数值模拟方法分析了主动脉瓣瓣膜移动性对瓣膜瓣叶装置的应力-应变状态和几何形状的影响，从应力-应变状态分布的角度出发，该研究的仿真方法可以优化心脏瓣膜假体的小叶装置几何形状。由此可见，心脏结构和功能的生物力学特征是多方面因素的综合反映，评估和解析心脏的结构和形状有利于对心脏功能作用的阐明。1.2 血管结构和功能的生物力学特征血管包括心脏的血管和周围的血管系统，这些血管的生物力学特征对心脏功能有重要影响。血管结构取决于血管的类型，其功能可分为血流动力学功能和血管功能两部分。血管的弹性和柔韧性可以影响血管的阻力和血液流动速度，从而影响心脏负荷和排血量。此外，血管的厚度和硬度也会影响血压和血液流动的速度。从生物力学和力学生物学角度去解析血管的结构和功能是目前研究的重要方向。在心血管疾病相关药物的开发中，需要精确定位和分离冠状动脉以测量其动态血管张力变化。然而，如何记录离体血管的动态生物力学特性一直困扰着人们。Guo等[6]建立了一种冠状动脉环张力测量的标准化和程序化方案，通过多重肌电图系统监测冠状动脉环沿血管直径的收缩和扩张功能，确保了生理、病理和药物干预后血管张力记录的真实性。ECs和SMCs是血管结构和功能完整性所必需的主要细胞类型。ECs可调节血管张力和血管通透性，而SMCs负责维持正常的血管张力和结构的完整性。ECs可以分泌多种生物活性物质，如一氧化氮、血管紧张素等，对血管张力和血流动力学产生调节作用。ECs还能响应外部力学刺激，如流体剪切应力和压力变化等，从而改变ECs的形态和功能，影响血管壁的生物力学特征。SMCs可以收缩和松弛，调节血管的管径和血管阻力。除细胞因素外，血管的力学性质还受到血管壁中胶原和弹性蛋白的性质、空间排列等因素的影响。这是因为SMCs是高度可塑性的，它能响应细胞外基质（extracellular matrix，ECM）固有的力学信号。最近的一项研究显示，现有的微血管网络在力学刺激的加入或退出时表现出明显的重塑，并且排列程度出现相应的增加或减少。在这个过程中，纵向张力可导致纤维蛋白原纤维的纵向排列[7]。正是这些细胞和细胞外组分赋予了血管的黏弹性、各向异性等力学特性。总体而言，血管的结构和功能是复杂而多样的，涉及到多种生物力学特性的相互作用。研究血管的生物力学特征可以帮助人们更好地理解血管疾病的发生和发展，为疾病的治疗和预防提供科学依据。1.3 心血管疾病与生物力学关系的研究进展心血管疾病是一类常见的疾病，包括动脉粥样硬化、动脉瘤、心肌梗死等。这些疾病的发生和发展与心血管系统的生物力学特性密切相关。在心血管生物力学与力学生物学领域，近年来对心血管疾病与生物力学关系的研究取得了许多进展。1.3.1动脉粥样硬化的生物力学特征研究动脉粥样硬化是一种常见的动脉疾病，其特征为动脉壁上的脂质沉积和炎症反应，导致血管壁逐渐增厚和失去弹性。动脉粥样硬化的发生和发展是一个复杂的过程，涉及多个生物力学因素的相互作用。在动脉粥样硬化中，SMCs从收缩表型转变为合成表型，而影响SMCs表型变化的因素尚未完全阐明。Swiatlowska等[8]发现基质硬度（stiffness）和血流动力学压力（pressure）变化对SMCs表型具有重要影响。在动脉粥样硬化发展过程中，在高血压压力与基质顺应性（matrix compliance）共同的作用下，才会导致SMCs完整的表型转换[8]。提高对冠状动脉微结构力学的认识是开发动脉粥样硬化治疗工具和外科手术的基础。虽然对冠状动脉的被动双轴特性已有广泛的研究，但其区域差异以及组织微观结构与力学之间的关系尚未得到充分的表征。Pineda-Castillo等[9]利用双轴测试、偏振光成像和前室间动脉共聚焦显微镜来描述了猪前室间动脉近端、内侧和远端区域的被动双轴力学特性和微结构特性，为冠状动脉旁路移植术中吻合部位的选择和组织工程化血管移植物的设计提供指导。动脉粥样硬化斑块的破裂是引起患者死亡的主要原因；但目前尚不清楚这种异质的、高度胶原化的斑块组织的破裂机制，以及破裂发生与组织的纤维结构之间的关系。为了研究斑块的非均质结构和力学性质，Crielaard等[10]研制了力学成像管道（见图1）。通过多光子显微镜和数字图像相关分析，这条实验管道能够关联局部主要角度和胶原纤维取向的分散度、断裂行为和纤维斑块组织的应变情况。这为研究人员更好地了解、预测和预防动脉粥样硬化斑块破裂提供了帮助。图1 在拉伸测试过程中斑块组织样本中的破裂起始和扩展[10]除SMCs以外，最近的一项研究揭示了动脉粥样硬化中ECs表面力学性质的变化。Achner等通过基于原子力显微镜的纳米压痕技术发现内皮/皮层僵硬度的增加[11]。事实上，内皮功能障碍在血管硬化中的作用一直是一个重要的研究方向。ECs的可塑性在动脉粥样硬化的进展中起关键作用，暴露于扰动、振荡剪切应力区域的内皮细胞功能障碍是动脉粥样硬化的重要驱动因素[12]。由此可见，未来的研究如能进一步明确ECs和SMCs对血管硬化相关心血管疾病的贡献，则可能为恢复动脉粥样硬化中的血管内皮和平滑肌功能提供重要的靶点。1.3.2动脉瘤的生物力学特征研究主动脉SMCs在维持主动脉机械动态平衡方面起着至关重要的作用。动脉瘤主动脉的SMCs表型受到力学因素的影响，但是主动脉瘤中SMCs的骨架硬度的改变情况缺乏相关的数据。Petit等[13]以附着在不同基质硬度上的动脉瘤或健康SMCs为对象，通过原子力显微镜纳米压痕技术研究了细胞骨架硬度的区域差异性。该研究结果表明，动脉瘤SMCs和正常SMCs的平均硬度分布分别为16、12 kPa；然而，由于原子力显微镜纳米压痕硬度检测值的大量分散，两者之间的差异没有统计学意义。在腹主动脉瘤中，Qian等[14]采用基于超声波镊（ultrasonic tweezer）的微力学系统探究了SMCs的力学特性（见图2）。结果发现，动脉瘤病理发展中细胞骨架的变化改变了SMCs的细胞膜张力，从而调节了它们的力学特性。图2 基于超声波镊的微力学系统检测腹主动脉瘤中SMC的力学特性[14]a使用超声波激发微泡通过整合素结合到PDMS微柱阵列上的SMCs膜上的微力学系统示意图；b基于微柱的力学感受器和单细胞的超声波镊系统示意图二尖瓣主动脉瓣经常与升胸主动脉瘤相关，但目前尚不清楚瓣尖融合模式对生物力学和升胸主动脉瘤微观结构的影响。Xu等[15]通过双向拉伸试验对具有左右瓣尖融合以及右冠窦和无冠窦瓣尖融合的升胸主动脉瘤的力学行为进行了表征。此外，将材料模型与双轴实验数据进行拟合，得到模型参数，并使用组织学和质量分数分析来研究升胸主动脉瘤组织中弹性蛋白和胶原的基本微观结构和干重百分比。其结果发现，两种瓣尖融合模式对双轴加载表现出非线性和各向异性的力学响应；在弹性性能方面，左右瓣尖融合的弹性性能劣化得更严重。由此可见，心血管结构自身生物力学特性的改变可能对动脉瘤的进展有很大影响。然而，主动脉血流动力学对升主动脉瘤动脉壁特性的影响尚不清楚。在最近的一项研究中，McClarty等[16]探究了升主动脉瘤血流动力学与主动脉壁生物力学特性的关系。其结果发现，血管壁的剪切应力与动脉壁黏弹性滞后和分层强度的局部退化有关，血流动力学指标可以提供对主动脉壁完整性的深入了解。因此，从血管自身结构特性以及血流动力学两方面探究动脉瘤的形成机制具有重要意义。1.3.3 心肌梗死的生物力学特性研究心肌梗死是心肌细胞死亡的结果，通常是由于冠状动脉阻塞引起的。心肌梗死可导致心力衰竭并降低射血分数。生物力学研究发现，冠状动脉阻塞会导致心肌的缺血和再灌注损伤，这些过程涉及血流动力学和细胞力学等因素。在体循环过程中，心肌梗死后的血流动力学改变如何参与并诱导心力衰竭的病理进展尚未完全阐明。Wang等[17]采用冠状动脉结扎术建立了Wistar雄性大鼠心肌梗死模型。术后3、6周分别对左心室和外周动脉进行生理和血流动力学检测，计算左心室肌纤维应力，并进行外周血流动力学分析。结果表明，心肌梗死明显损害心功能和外周血流动力学，并改变相应的心壁和外周动脉壁的组织学特性，且随时间延长而恶化。综上所述，心功能障碍和血流动力学损害的相互作用加速了心梗引起的心衰的进展。急性心肌梗死后，左室游离壁发生重塑，包括细胞和细胞外成分的结构和性质的变化，使整个左室游离壁具有不同的模式。心脏的正常功能受到左心室的被动和主动生物力学行为的影响，进行性的心肌结构重构会对左心室的舒缩功能产生不利影响。在这个过程中，左心室游离壁形成纤维性瘢痕。尽管在心肌梗死背景下对左室游离壁被动重构的认识取得了重要进展，但左室游离壁主动属性的异质性重构及其与器官水平左心功能的关系仍未得到充分研究。Mendiola等[18]开发了心肌梗死的高保真有限元啮齿动物计算心脏模型，并通过仿真实验预测梗死区的胶原纤维跨膜方向对心脏功能的影响（见图3）。结果发现，收缩末期梗死区减少的及潜在的周向应变可用于推断梗死区的时变特性信息。这表明对局部被动和主动重构模式的详细描述可以补充和加强传统的左室解剖和功能测量。图3 代表性的啮齿动物心脏计算模型在心肌梗死后不同时间点的短轴和长轴截面显示收缩末期的周向、纵向和径向应变[18]上述研究表明，心脏疾病的发生和发展与心脏结构和功能的生物力学特征密切相关。任何影响心脏收缩和舒张过程的因素，都可能调控心脏的泵血功能和心脏负荷。这些因素可以影响心脏收缩的能力、心肌细胞的代谢和血流动力学参数，从而影响心脏的整体功能和疾病的进展。总之，通过深入研究这些生物力学特征，可以为心血管疾病的诊断和治疗提供重要的理论和实践基础。2 力学生物学在心血管细胞水平上的研究进展2.1 ECs水平上的研究进展细胞的凋亡、通讯和增殖异常等表型变化是心血管疾病的一个重要机制。通过力学生物学的方法，研究人员可以模拟不同的细胞应力环境，探索细胞生长和凋亡的调控机制，并研究细胞在受外界力学刺激作用下的反应。由于ECs直接暴露于血流中，因此ECs表型变化的力学生物学机制一直是心血管领域的研究热点之一。紊乱扰动的血流改变了ECs的形态和细胞骨架，调节了它们的细胞内生化信号和基因表达，从而导致血管ECs表型和功能的改变。在颈动脉结扎产生的动脉粥样硬化模型中，Quan等[24]研究发现，在人和小鼠动脉和ECs的振荡剪切应力暴露区，内皮MST1的磷酸化被明显抑制。该研究揭示，抑制MST1-Cx43轴是振荡剪切应力诱导的内皮功能障碍和动脉粥样硬化的一个基本驱动因素，为治疗动脉粥样硬化提供了一个新的治疗目标。另外一项研究从表观修饰角度探究了剪切应力对ECs功能的影响[20]。Qu等[20]研究显示，层流切应力通过增加内皮细胞CX40的表达而诱导TET1s的表达，从而保护血管内皮屏障，而TET1s过表达则可能是治疗振荡剪切应力诱导的动脉粥样硬化的关键步骤。另一方面，病理性基质硬度可使ECs 获得间充质特征[21]。动脉生成（arteriogenesis）在维持足够的组织血供方面起着关键作用，并且与动脉闭塞性疾病的良好预后相关，但涉及动脉生成的因素尚不完全清楚。Zhang等[22]研究发现，在动脉阻塞性疾病中，KANK4将 VEGFR2偶联到 TALIN-1，从而导致VEGFR2活化和EC增殖的增加。

合成生物学的快速发展正在改变生物技术行业的产业布局。目前，合成生物技术已经广泛应用于食品、农业、医疗等多个领域。伴随我国《“十四五”生物经济发展规划》的颁布，被誉为“第三次生物科技革命”的合成生物学研究热度高涨，但当前构建合成生物系统的内在逻辑尚处于摸索阶段，整个合成生物学领域正处于发展初期，需要先进的使能技术及解决方案推动合成生物学产业快速发展。为帮助广大科研工作者及时了解合成生物技术的最新研究及应用进展，仪器信息网将于2023年10月10 日-11日举办第一届“合成生物学技术及应用进展”网络会议。届时将邀请业内专家做精彩报告，为广大用户搭建一个即时、高效的交流和学习的平台。~~~~~报告嘉宾~~~~~报告题目：《高效细胞工厂构建及产业应用》【摘要】 化学品绿色生物制造是实现人类社会可持续发展的重要路径，人工高效细胞工厂构建是实现绿色生物制造的核心。本报告介绍了现阶段细胞工厂构建存在的科学、技术问题及挑战，从新生化反应发现、非天然途径设计构建、稳定自调控共培养系统建立及群体感应调控原理及应用等角度阐述了高效细胞工厂构建的新技术及策略，为化学品的绿色生物制造提供了参考。报告题目：《HMOs的生物“智”造以及产业化》【摘要】 人乳寡糖（HMO）对婴幼儿消化系统、肠道健康及免疫系统完善具有不可替代的作用。因此，生物合成HMOs，形成规模化生产被市场所期待。 本项目中，我们通过“HLBrain”的计算云平台，形成了自主技术路线，实现了产业化，产品纯度达到了98%以上，实现了我国在HMOs领域的突破。报告题目：《赛默飞合成生物学中的高分辨质谱策略》【摘要】 合成生物学是近年来迅速发展的一门综合性交叉学科，涉及了生物工程、制药工程、食品工程、生物学、化学等多领域多学科内容。在合成生物学中核心内容即构建DBTL循环，赛默飞Orbitrap高分辨质谱仪是将扫描速度，高分辨率，高灵敏度，谱图质量，质量精度完美融合，将高性能定性和定量能力有机的统一，助力合成生物学难题攻克！报告题目：《利用合成生物学方法增加小分子结构多样性》【摘要】 天然产物长期以来一直是小分子药物的宝贵来源，但它们在自然来源中的含量通常很低，且其化学结构复杂，这使得它们的提取或化学合成变得十分困难和成本高昂。异源生物合成复杂天然产物已成为一种有吸引力的方法，因为它们成本低且供应稳定。我们已经建立了几种不同的方法，用于在细菌和酵母中异源生物合成各种天然产物，包括抗生素和抗癌药物。更重要的是，我们通过理性设计或定向进化及高通量筛选，成功的改造了途径中的酶，以实现天然产物类似物的生产，这显著扩展了当前天然产物的化学空间。我们还开发了自动化系统来辅助酶进化和菌株构建，这将有助于发现具有多种结构、靶向选择性和药代动力学特性的天然产物或其类似物。报告题目：《优化“启动子-RNA聚合酶”以实现目标产物的高产》【摘要】 启动子及RNA聚合酶是转录水平的两个关键调控元件，控制细胞内代谢流量的分配。目标产物的合成与宿主细胞的生长竞争利用有限的RNA聚合酶。启动子招募过多或过少RNA聚合酶都不利于高产目标产物。研究发现，适度串联的启动子能明显提高3-羟基丙酸和吡咯喹啉醌的产量，而过度消耗RNA聚合酶导致宿主细胞生长变慢，从而阻碍目标产物3-羟基丙酸的生成。此外，受诱导的CRISPRi可协调和切换细胞生长和产物合成，从而高产目标产物。报告题目：《岛津最新色谱质谱技术在合成生物学中的应用》【摘要】 主要介绍岛津分析方法包及LCMSMS、LCMS-QTOF、MALDI-TOF等仪器在合成生物学质量控制中的应用。报告题目：《人工智能驱动的合成生物制造创新模式》【摘要】 当前合成生物制造产业发展瓶颈是如何从无到有构建生物合成途径，我们开发了全球最大的生物合成反应/途径数据库，进而构建了全球领先的合成生物设计技术体系，创建了人工智能驱动的合成生物制造研发链条，正在打造人工智能驱动的合成生物制造创新模式。报告题目：《基于DNA纳米框架结构的仿病毒分子工具》【摘要】 利用DNA折纸技术构建框架核酸纳米结构，可以指导各类分子在纳米尺度的精确空间排布和组装，构建纳米器件并实现功能化，为合成生物学提供了全新的研究工具和应用平台。受到病毒启发设计的三维框架核酸被用于组装具有明确尺寸形状的磷脂膜囊泡；组装仿病毒被动侵染颗粒和抑制侵染颗粒等。报告题目：《基于液滴微流控技术氧化还原酶分子改造及其合成生物学应用研究》【摘要】 液滴微流控超高通量筛选技术，基于互不相溶的两液相产生分散的油包水微液滴，可以在短时间内生成大量的液滴，大小均匀、互不干扰、性能稳定且一致，每个液滴可作为独立的单位进行培养，筛选通量高达10^7个/天，广泛应用于酶定向进化研究。本项目基于酿酒酵母表面展示技术液滴液滴微流控超高通量筛选技术，基于互不相溶的两液相产生分散的油包水微液滴，可以在短时间内生成大量的液滴，大小均匀、互不干扰、性能稳定且一致，每个液滴可作为独立的单位进行培养，筛选通量高达10^7个/天，广泛应用于酶定向进化研究。本项目基于酿酒酵母表面展示技术液滴微流控高通量筛选氧化还原酶，获取高性能突变体，为生物医药酶定向进化及合成生物学代谢途径关键酶性能优化提供了技术平台。报告题目：《安捷伦高通量自动化流程在合成生物学领域的创新应用》【摘要】 安捷伦高通量自动化流程在合成生物学领域的创新应用。报告题目：《Hamilton自动化移液工作站在合成生物学领域的应用和卓越技术》【摘要】 合成生物学领域需要严谨准确无交叉污染的DNA基因合成、基因克隆、微生物或细胞的克隆挑选与培养、发酵培养以及产物纯化鉴定等步骤，且往往需要较高的通量。Hamilton以其卓越的自动化移液技术及先进的台面内设备，为合成生物学领域的各个步骤均提供了优秀的硬件和自动化解决方案，其中多种设备和技术是业内独有，且对合成生物学关键步骤的长时间稳定准确运行至关重要。本报告将通过合成生物学的各种实验需求介绍Hamilton公司的解决方案和技术优势，为科学家和企业研发人员的相关研发工作提供助力。报告题目：《创建可视化高通量策略定向筛选酚羟基化合物合成途径中关键羟化酶》【摘要】 酶作为生物合成中的催化剂，其活性高低决定了目标产物能否高产。蛋白质工程介导的酶改造需快速简易的筛选方法。由此，以高值化合物没食子酸合成途径中羟化酶PobA为例，基于催化产物的独有特性，建立了一种肉眼可视化筛选方法，并从突变库中筛选到高活性突变体。高活性突变体的引入实现了没食子酸从葡萄糖起始的高效生物合成。报告题目：《植物二萜的合成生物学研究》【摘要】 二萜类化合物广泛存在于自然界，因其化学结构的多样性和良好的生物活性，在工业、医疗等领域具有广阔的应用前景。二萜合酶以及糖基化酶、羟基化酶等后修饰酶是二萜化合物生物合成过程中影响其化学结构多样性的主要因素。在过去几年，本课题组针对三尖杉烷二萜、贝壳杉烷二萜为代表的二萜化合物的合成过程进行了深入的研究。如通过对柱冠粗榧（Cephalotaxus harringtonia）转录组基因的挖掘，报道了三尖杉属植物二萜生物合成途径的关键萜类环化酶，揭示了三尖杉烷型二萜前体骨架三尖杉-12-烯的生物合成过程，为裸子植物二萜代谢多样性的起源和演化提供了深入见解；通过对冬凌草（Isodon rubescens (Hemsl.)Hara）基因组学的研究，揭示了贝壳杉烷二萜冬凌草甲素的氧化修饰机制；通过对甜叶菊等转录组学的挖掘，揭示了贝壳杉烷二萜糖基化修饰过程中底物识别专一性和产物生成特异性的分子机制。基于这些研究，本课题组以大肠杆菌为底盘高效地实现了11种不同氧化形式的对映-贝壳杉烷类二萜化合物的从头生物合成，实现了多种稀有二萜糖苷的高效合成，并实现了产业化推广。报告题目：《技术瓶颈的突破—BioLector高通量微型生物反应器助力合成生物学科研与产业化》【摘要】 1.合成生物学科研与产业化流程与技术痛点 2.技术瓶颈的突破性新技术 3.应用案例介绍。报告题目：《过程数据驱动下的精准高通量筛选技术》【摘要】 合成生物学的DBTL研究循环中，T环节急需要开发高通量、自动化和在线多参数测控技术的新型生物反应器，规避过去基于三角瓶培养方式测试菌种和工艺的结果误判和漏选现象。建立基于过程多尺度参数相关分析方法的高通量菌种筛选和工艺开发平台，形成过程数据驱动的理性决策方法。报告题目：《翻译机制启发的氨基酸高产菌株筛选策略》【摘要】 氨基酸是构成蛋白质的基本单元，也是动物生长和生产所需的大量营养素之一，全球市场总量已接近300亿美元。商业化的氨基酸主要由微生物发酵法制成，然而，除了谷氨酸、赖氨酸等少数大宗氨基酸品类，大多数氨基酸的发酵产量仍处于较低水平，部分氨基酸生产菌株与国外存在代差，因此，选育优良的生产菌株已成为填补氨基酸产能与需求差距的关键。基于自然界普遍存在的“密码子偏好性”规律及氨酰化反应的动力学特征，报告人开发了基于稀有密码子和人造tRNACUA的氨基酸高产菌株筛选策略，实现了对20种标准氨基酸乃至非蛋白质类氨基酸的快速指征，解决了长期困扰氨基酸生物制造的菌株选育难题，促进了氨基酸高产新机制的发现。扫码报名~~~~~赞助单位~~~~也欢迎各位对合成生物学感兴趣的小伙伴进群交流~扫码进群

此次合作旨在促进分析方法的开发，建立以鞘糖脂为重点的癌症糖生物学多糖数据库沃特世公司（纽约证券交易所代码：WAT）今日宣布与隶属于新加坡科技研究局（A*STAR）的生物工程技术研究院（Bioprocessing Technology Institute, BTI）合作开发新方法，用于新型肿瘤标志物鉴定以及研究糖基化修饰通路以帮助开发新型治疗方案。此次研究合作的一个重要内容是开发一个基于实验数据的与疾病相关的鞘糖脂（GSL）头部基团数据库，该数据库将包含GSL多糖名称、葡萄糖单位（GU）校正后的色谱保留时间1和碰撞截面（CCS）数值以及对应的质谱图。GSL的结构高度复杂，其中多糖头部基团与脂肪酰基团相连。要分析这类物质的分子组成，必须解析其分子序列、端基异构性、分支结构、寡糖基的连接位置，以及脂肪酰基团的基序。GSL对细胞的生长、相互作用和信号传送非常关键，它的结构变化可能会引发疾病或促使不同类型的肿瘤发生恶化。多糖头部基团的分析一直以来都是糖科学领域的一大难题，单独使用液相色谱（LC）或质谱（MS）技术都无法轻松区分出异构体结构。BTI的科学带头人、研究科学家Susanto Woen博士表示：“通过本次合作，BTI能够充分应用沃特世的糖组学专业知识开发新的分析方法，并建立前所未有的GSL信息数据库。这不仅有助于我们探索潜在的临床标志物，还能深入了解经过治疗干预之后的疾病发展和患者复原情况。希望我们的研究能够在改善人类健康的同时解决生物制药行业的某些需求。此次合作让我们有幸成为国际糖组学研究网络中的一员，我们将致力于开拓新技术，用以确定疾病或疾病状态中GSL糖基化与任何表型/基因型特征之间的潜在联系。”沃特世公司健康科学市场总监Jose Castro-Perez博士说道：“通过进一步加强合作关系，我们将更深入地帮助BTI开发创新型分析方法，并建立以鞘糖脂为重点的肿瘤糖生物学综合实验性多糖数据库。我们希望此次合作能够开发出先进的方法，用以研究肿瘤分类和生物标志物发现过程中涉及的GSL糖基化。”在此次合作中，沃特世将提供专业的科学知识和Waters SYNAPT G2-S High Definition Mass Spectrometry行波离子淌度高清质谱系统。这款仪器采用的行波离子淌度质谱技术能够对离子进行快速分离，不仅可按照离子的大小、质荷比进行分离，还可根据离子的形状实现分离。CCS值是一项精确的化合物物理化学性质，与气态离子的大小、形状和所带电荷有关。这套系统可根据每个多糖头部基团的CCS值实现分离，深入揭示它们独有的化学结构，随后，获得的结构数据可用于更详细地描述待研究的GSL。相较于单独使用质荷比的方法，行波离子淌度能够提供更高的分析专属性。沃特世与BTI的合作始于2014年，合作之初的主要目标是评估专为生物制药应用而开发的新型 GlycoWorks RapiFluor-MS N-糖标记分析试剂盒的性能，以及开发此试剂盒相关的糖基化分析完整工作流程，涵盖样品前处理到样品分析。 关于沃特世公司（www.waters.com）沃特世公司（纽约证券交易所代码：WAT）专注于为实验室相关机构开发和生产先进的分析和材料科学技术。50多年来，公司已开发出一系列分离科学、实验室信息管理、质谱分析和热分析技术。###Albrecht, S. Vainauskas, S. Stockmann, H. McManus, C. Taron, C. H. Pauline M. Rudd, Anal. Chem. DOI:10.1021/acs.analchem.6b00259.Waters、SYNAPT、High-Definition Mass Spectrometry、GlycoWorks和RapiFluor-MS是沃特世公司的商标。

4月20日，第四届全国玉米生物学学术研讨会在郑州开幕。本次会议为期3天，由中国作物学会玉米专业委员会主办，河南农业大学和省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室、河南粮食作物协同创新中心、国家玉米改良（郑州）分中心等承办。来自全国130多个高校和科研机构的1000余名专家学者、研究人员参加了会议。这次会议也是国内玉米生物学领域规模最大、层次最高的学术会议。 三天时间里，与会人员围绕“玉米复杂农艺性状解析与遗传改良”“玉米生物/非生物胁迫、激素生物学”“玉米组学、发育生物学、细胞学和表观遗传学”“玉米分子/遗传育种理论、资源、新方法与新技术”四大主题进行了热烈的学术交流。20场学术报告、187份学术墙报、195篇会议摘要立足玉米生物学前沿，带来了一场思想碰撞、智慧启迪的学术盛宴。玉米是非常重要的粮食作物，玉米基础研究蓬勃发展，SCI文章数量连年增长。影响因子大于5的文章数量更是连续3年出现新高。优质的研究成果，和高技术仪器设备密不可分，SPEX高通量组织研磨仪，致力于分子生物学育种前处理，高通量处理种子、叶片等样品，一次可以研磨576个样品，帮助育种学家高效率、高质量完成种质筛选。 培安公司受邀携SPEX GENO 2010高通量组织研磨仪盛装亮相此次盛会。展会现场，各专家、学者及检测人员纷纷驻足参观问询，1-2min即可完成6块96孔深孔板的研磨制备，SPEX GENO 2010高通量组织研磨仪得到了客户的一致称赞，培安公司技术人员也耐心的解答客户提出的各种问题，从客户的切实需求出发，详细的讲解获得了客户的高度认可。SPEX高通量组织研磨仪超高通量：一次可处理576个样品或16个50mL样品瓶超高效率：垂直振荡专利技术，1-2min完成困难样品研磨、均质高均一性：批量处理样品，程序化处理机制，均一性、重复性更好更人性化：可调角度彩色触摸显示屏，可编辑、调用、存储500种方法适用性广：程序可调，更多研磨瓶、研磨介质可供选择，完美契合不同样品研磨、混匀需求安全可靠：双重门锁，研磨过程更安全；设置保密程序，限制查看特定方法低温研磨：专业Kryo-Tech低温组件及可调循环程序，维持研磨全过程低温，适合温度敏感型样品

从一类技术角度来说，直接和间接获得诺贝尔奖的技术非结构生物学莫属。经过半个多世纪的耕耘，这一技术现在到了快速收割的季节。现在代表结构生物学技术的多种技术正在走向整合，但整合技术仍然需要进一步推动和推广。 　　上世纪50年代，开文迪许实验室M.Perutz J.Kendrew用X-射线晶体衍射技术获得了球蛋白结构。X射线晶体衍射技术的应用，使人们可在晶体水平研究大分子的结构，在分子原子基础上解释了大分子。1962年，Waston和 Crick因基于结构生物学技术的研究结果发现了DNA双螺旋结构获得了诺贝尔生理学与医学奖，M.Pertt和J.Kendrew获得了同年的诺贝尔化学奖。 　　60-70年代，开文迪许实验室又发展了电子晶体学技术，研究对象主要是有序、对称性高的生物体系，如二维晶体和高对称性三维晶体。70-80年代，多维核磁共振波谱学使研究水溶液中生物大分子成为可能，溶液中生物大分子更接近于生理状态。 　　80年代，冷冻电子显微镜出现，这种技术不仅能够研究生物大分子在晶体状态和溶液状态的结构，且能够研究研究复杂大分子体系和超分子体系，如核糖体、病毒、溶酶体和线粒体等。 　　杂交或整合方法把多种结构生物学方法结合在一起，大大推动了结构生物学的研究。荧光能量共振转移(FRET)是20世纪初发现的，随着绿色荧光蛋白应用技术的发展，FRET已经成为检测活体中生物大分子纳米级距离和纳米级距离变化的有力工具，在生物大分子相互作用分析、细胞生理研究、免疫分析等方面有着广泛的应用。 　　冷冻电子显微镜技术通过快速冷冻的方法进行固定的，克服了因化学固定、染色、金属镀膜等过程对样品构象的影响，更加接近样品的生活状态。研究对象非常广泛，包括病毒、膜蛋白、肌丝、蛋白质核苷酸复合体、亚细胞器等等。所研究的生物样品既可具有二维晶体结构，也可是非晶体。由于对于样品分子量没有限制，突破了X-射线晶体学只能研究三维晶体样品和核磁共振波谱学只能研究小分子量样品的限制。计算机技术则可以将各种信息进行整合，从而可以获得接近真实的三维分子模拟数据。 　　现在结构生物学研究越来越多地依赖这种整合技术。2012年加州大学Andrej Sali等解析了26S蛋白酶体的结构。这种结构在许多神经退行性疾病的神经细胞都存在异常。现在科学家正利用这种结构作为模型开发能调节蛋白酶体活性的药物。今年另外一个小组利用整合技术分析决定感染细胞的艾滋病蛋白结构，利用这种结构开发治疗艾滋病的药物。整合技术也被用在解析核糖体结构。核糖体是细胞制造蛋白质的细胞器，是实现基因表达的关键机构。 　　目前的蛋白数据库存在一些问题，如这些数据主要依靠晶体结构数据，缺乏对其他相关数据的整合，这一问题给结构生物学领域提出要求应该大力推动整合技术的发展。10月6-7日，由4个机构组织了一次整合结构生物学培训班，以推动结构生物学技术的扩展和引领大家将结构和疾病结合起来研究。 　　参加学习的大部分学员都支持应该采用标准模式描述多方面的数据，这有利于其他学者整合和利用这些数据。但由于结构数据往往十分巨大，如何有效储存和获取这些数据仍然存在一些问题。会议结束时达成一项共识，将申请经费构建一种&ldquo 分子机器&rdquo 数据库中心。 　　欧洲分子生物学实验室细胞生物学家Jan Ellenberg说，获取全部分子结构的数据是结构生物学的目标，这个愿望或许能在10或20年后实现。 　　原文检索： 　　Ewen Callaway. Data bank struggles as protein imaging ups its game. Nature, 22 October 2014 doi:10.1038/514416a

“如果把海南岛上所有的天然橡胶都收割来用于做鞋，全中国每人一只都不够，没有合成橡胶技术，我们连鞋都不够穿。”人类今天的衣食住行能够得到满足，合成化学功不可没。 　　合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。 　　合成化学功不可没 　　合成化学，这一概念大家也许并不陌生。早在1902年，第二届诺贝尔化学奖颁发给合成化学大师、生物化学之父——Emil Fischer 1905年诺贝尔化学奖则颁发给Fischer的导师、化学染料合成大师——Adolf von Baeyer，这两位合成先驱的高超合成技法至今看来仍然精彩至极。 　　此后又有多位合成化学家陆续斩获诺贝尔化学奖。可以说在百年诺奖历史上，合成化学家的名字举不胜举，合成化学在人类发展过程中的重要地位也可见一斑。 　　所谓合成化学，就是使用简单、易得、廉价的化学原料通过一系列的化学反应最终得到目标产物。合成化学并不狭义地仅限于有机合成化学，无机合成化学、纳米化学都是典型的合成化学，因成功制备单质F2而获得诺贝尔化学奖的药剂师Moissan以及因为发明合成氨方法而获得诺贝尔奖的Fritz Haber也是著名的合成化学家。 　　我的一位化学启蒙老师曾说：“如果把海南岛上所有的天然橡胶都收割来用于做鞋，全中国每人一只都不够，没有合成橡胶技术，我们连鞋都不够穿。”人类今天的衣食住行能够得到满足，合成化学功不可没。 　　合成化学的局限 　　然而，随着工业化的发展，越来越多的问题也开始浮出水面。上个世纪，《寂静的春天》一书犀利地指出了人类化学工业发展给自然带来的巨大问题，其中充满讽刺意味的是引起严重污染的DDT分子。其作用发现者和推广者Paul Hermann Müller却在1948年获得诺贝尔生理学或医学奖。DDT此后一度被禁止使用并且引发了科学家们对于合成化学危害性的进一步讨论。 　　但是故事远没有结束，由于暂时还未能找到一种更经济有效、对环境危害又小且能代替DDT的杀虫剂，世界卫生组织于2002年宣布，将重新启用DDT用于控制蚊子的繁殖以预防疟疾、登革热、黄热病等在世界范围的卷土重来。 　　随着地球上石油储备的日渐减少，合成化学面临着新的挑战，目前以石油工业为基础的化学合成工业未来将何去何从引人深思。悲观者认为，随着石油的耗尽，人类将逐渐倒退回石器时代 乐观者认为，聪明的合成化学家一定能开发出新的廉价原料以替代石油化工原料。 　　斯坦福大学化学系主任、著名化学家B.M.Trost提出了他的解决方法：化学反应的“原子经济性”(Atom economy)，即在化学品合成过程中，合成方法和工艺应被设计成能把反应过程中所用的所有原材料尽可能多地转化到最终产物中。 　　如果原料能百分之百地转化为产物，那是令人满意的，因为这样可以尽可能减少副产物对于环境的污染和对于资源的浪费。但是这仅仅是一个退守的方案，而并不是一个最终的解决办法。现有的常见原料迟早都会耗尽、大量低沸点有机溶剂的使用始终难以避免、重金属催化的反应越来越多……如果没有革命性的新理念，恐怕多年后合成化学将面临更大的危机。 　　“年轻”的合成生物学 　　近年来，“合成生物学”的概念开始进入我们的视野。 　　ACS(美国化学学会)在2012年推出关于合成生物学的杂志ACS Synthetic Biology 我国天津大学、中科院植生所、武汉大学药学院、中科院生物物理所纷纷成立合成生物学及相关平台 清华大学生命科学院教授陈国强、戴俊彪都无私提供自己的科研实验室支持本科生进行合成生物学研究探索。 　　那么，何谓“合成生物学”呢? 　　2000年E. Kool将之定义为基于系统生物学的遗传工程，从基因片段、人工碱基DNA、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程的生物技术新领域。 　　很多人狭义地认为合成生物学就是“全合成生命”，即利用化学合成的方法从头合成一个具有生命活力的细胞或病毒。而实际上，合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。 　　助解多种难题 　　那么，合成生物学有望解决哪些问题呢? 　　首先是能源问题。 　　石油、煤、天然气都来自于古代植物对于太阳能的积累，是将太阳能转化为化学能储存的反应过程。严格地说这些都应该是可再生资源，但是亿万年的形成周期实在让人类无法等待，因此这些资源成为了“非再生资源”。 　　那么是否能够加速这一过程?是否可以通过合成生物学构建新的生命反应体系快速有效地固定太阳能并转化成更够为人类利用的化学形式? 　　某些经过合成生物学方法改造过的光合藻类富含大量的脂质，被人们称为“生物柴油”，目前已经有一些使用“生物柴油”的热机问世。但是此项研究问题不少，远远不足以解决日益严峻的能源危机问题，这需要更多代的科学家不懈努力。 　　其次是化工原料问题。 　　我们的祖先早已开发出了酿酒、酿醋等微生物发酵技术，除了食用，乙醇和乙酸都是重要的工业原料。除此之外，微生物还能通过糖酵解等过程为我们提供丁醇、乳酸、甲烷等工业原料。通过其他方法，还可以从中获取甘油、丙酮酸、氨基酸等具有潜在工业价值的原料。 　　或许很多年后，工业上不再使用乙烯生产量来衡量化工生产能力，而开始利用全新的模块、原料来构建新的工业大厦，这些原料不再来源于石油，而是从发酵罐中源源不断取来。 　　第三，则是医药健康问题。 　　真菌、放线菌、植物能够产生结构新颖、生物活性多样的次级代谢产物，大部分临床抗生素来源于这些次级代谢产物。其中很多药物分子由于天然含量低、提取困难等因素，目前还是通过全合成或半合成为主要方式得到，因此价格昂贵。 　　通过合成生物学手段，将产生这些代谢产物的基因簇进行异缘表达并利用发酵工程进行大规模制备，将可能是一个解决药品供应和价格昂贵问题的方法。但是这一过程并不容易实现，需要涉及到很多代谢途径改造、密码子优化、瓶颈效应避免等问题。绝不是说只要发现的天然产物就可以立刻大规模发酵得到，每一个化合物的工业化生产都是一个巨大的挑战。 　　此外，合成生物学还有助于解决环境问题。 　　“白色污染”成为上个世纪人类最为头疼的环境问题之一，可降解塑料的研究也成了科学界的热点问题。“生物塑料”是一个比较新的概念，目前发现60个属以上的细菌能够合成并贮藏聚β-羟基丁酸(PHB)的颗粒。PHB无毒、可塑、易降解，可用于制作医用塑料器皿和外科手术线等。 　　通过合成生物学手段有望得到更高产、更多样性的生物塑料生产菌株。取之于自然、用之于自然，人与其他生物和谐相处，这将是解决环境问题的必由之路。 　　(作者单位系中科院上海有机化学研究所)

近期，来自瑞士Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research研究所的P. Liberali组与Viventis公司工程师合作，使用长时间高分辨类器官光片显微镜-LS2在bioRxiv上在线发表了题为Open top multi sample dual view light sheet microscope for live imaging of large multicellular systems的文章。这篇文章对该技术的核心细节进行详尽展示。 长时间高分辨类器官光片显微镜-LS2是由瑞士Viventis公司推出的一款全新光片成像平台，可实现活细胞的长时间、高分辨、高通量、多样品同时成像，非常适合对直径达300μm的光敏样品（如卵母细胞，胚胎和类器官）进行长期实时高时空分辨率和低光毒性的观察与成像。该技术一经推出便已发布多篇Science/ Nature主刊 [1-5]。点击观看：长时间高分辨类器官光片显微镜-LS2肠道类器官成像效果 摘要： 多细胞系统会在数周内从单个细胞生长成为类器官、由数千个细胞组成完整组织，此类样品的实时成像一直具有挑战性。为了跨越这些长时间、空间尺度的难题，本文作者提出了一种开放式顶部双侧成像和双侧照明的光片显微镜，专门用于单细胞分辨率的发育过程中的大型样本的实时成像。作者使用新开发的光片显微镜对多种样品进行实时成像研究，结果突出显示了其在大型标本(如成熟的肠道类器官等)中获得定量单细胞信息的能力。 研究背景： 单个细胞发育成为复杂组织的动力学、可视化以及潜在分子机制的理解是细胞和发育生物学的首要目标。然而，这些复杂的生物现象往往跨越大的空间和时间生物学尺度，特别是类器官等体外模型系统，经常受到样品间异质性的影响。设计用于此类系统实时成像的显微镜需要在每个实验中提供高样品通量才能得出结论，且需要为光散射较大的样品提供足够的空间和时间分辨率和高图像质量，同时最大限度地减少光剂量并保持样品上样方便。目前，大多数的光片显微镜技术由于其低光毒性成为了克服上述一些挑战的技术方案之一。但这些技术仅限于每次实验仅对一个或极少数样品进行成像，且这些系统缺乏从对侧进行多视成像的可能性，不适合发育较大的样本。文章亮点： 本文展示了一种开放式、双侧成像和双照明的长时间高分辨类器官光片显微镜-LS2。其结合了多视图光片显微镜的优点，具有开放式几何形状和多孔样品支架，可以对大型多细胞系统进行长期多位置3D实时成像。作者通过对小鼠肠道、肝脏和唾液腺类器官、类原肠胚、水螅和人结肠癌类器官的长期实时成像，展示了该系统在各种模型系统中实现高图像质量的能力，其尺寸可达550 μm，记录时间长达12天。此外，本文获得了跨生物尺度的定量特征，并通过对肠道类器官和类原肠胚的跟踪和分割提供了详细的单细胞分析，这是新开发的Viventis长时间高分辨类器官光片显微镜-LS2才能实现的。详细数据： 本文展示的光片显微镜包含两颗相对的照明物镜(尼康10X, NA 0.2)，每颗从水平面略微向上倾斜，从两个侧面照亮样品，两颗相对的成像物镜从两个方向成像(尼康16X, NA 0.8， 该系统也兼容尼康25X, NA 1.1)(图1)。这种几何形状在两个照明物镜上方创造了一个无阻碍的线性空间用于定制设计的多孔样本池(图1-2)，该样本池包含多达四个可互换的样品室阵列， 用于多位置成像。浸入介质被放置在一个储层中，填充两个水浸入检测物镜之间的空间。 为了获得两个相对的光片以尽可能大的角度照亮样品,作者使用了超长工作距离的空气物镜， 通过玻璃窗将照明光耦合到浸入介质中，并设计了一个定制的校正三重透镜来补偿球面和色差。物镜区域是具温度控制的，样品被封闭在一个控制CO2浓度的隔间中。额外的光束路径是使用其中一个检测物镜作为聚光镜来照亮样品并获取透射光图像。为了以最佳方式安装不同的生物样品，作者在热成型过程中开发了由氟乙烯丙烯(FEP)箔制成的可定制腔室。该腔室适合于两颗检测物镜之间的6毫米空间区域，并允许从顶部加液、移液，满足不同生物样品的活细胞培养要求。 图1 长时间高分辨类器官光片显微镜-LS2光路图图2 长时间高分辨类器官光片显微镜-LS2物镜及样本池视图 在作者之前的工作中，使用了本文所介绍的显微镜的前身，上一代技术的显微镜只构建了一个检测物镜来跟踪发育中的肠道类器官中的细胞。 然而，所提供的成像深度不足以跟踪较大标本中的细胞，包括成熟的类器官。新设计的双成像物镜、双侧照明方法克服了这一障碍。 作者使用细胞周期报告基因FUCCI2，在3天的时间过程中对成熟小鼠肠道类器官的隐窝和绒毛形成进行成像(图2和视频2)。 在隐窝和绒毛形成的背景下监测细胞周期状态。 使用多位置成像，同时获得了多个类器官的数据集。单细胞分辨率的双色成像深度为360μm， 时间分辨率为10分钟(视频1)，以无与伦比的细节显示发育中的小鼠肠道类器官的整体动力学。整个单细胞的可视化样本量要求通过双侧成像实现高图像质量。我们通过将单个检测物镜的XZ部分与融合数据进行比较来说明这一点(图2)。 随着成像深度的增加， 单个视图的切片显示出预期的退化，而融合的数据由两个视图的最佳质量组合组成，并且能够在整个体积中绘制单个细胞(视频2)。这种策略对于整个样本的3D成像是十分必要的。点击观看：小鼠肠道类器官的隐窝和绒毛形成 为了进一步评估使用两个相对的成像物镜对图像质量的改善，作者通过计算两个物镜的每个z截面的离散余弦变换DCT来比较图像质量随成像深度的增加。例如，对肠道和人类结肠癌类器官进行了比较(图3)。两种模型系统都显示，随着成像深度和距离检测物镜的距离增加，图像质量明显下降，这可以通过组合来自两个相反物镜的数据来补偿。综上所述，双重检测物镜对于保证大样本的高图像质量的重要性。 图3 肠道和人类结肠癌类器官成像及单细胞分析 为了说明新发布系统的高性能，作者对尺寸从200μm到550μm的多种样品进行了成像，并进行了长达12天的连续成像：小鼠肝类器官，人类结肠癌类器官，小鼠腮腺唾液腺类器官，和类原肠胚。此外，新发布系统的样品安装策略不仅支持各种不同标本的开发，而且可以进行平行化学扰动的实验。在相同的成像实验中，四个腔室中的每一个都可以用于特定的条件，每个腔室内有许多单独的位置成像。我们分析了PGE、Forskolin和NaCl诱导的高渗休克对肠道类器官的机械渗透作用。3分钟的高时间分辨率(视频3)显示了对各自治疗的快速类器官膨胀和收缩。 点击观看：平行的PGE、Forskolin和NaCl对肠道类器官的影响 此外，为了证明新发布显微镜的多定位能力，作者以10分钟的时间分辨率对25个成熟的肠道类器官进行了平行成像，每个类器官的体积为360μm(视频4)。 点击观看：25个肠道类器官平行成像总结： 本文作者提出并发布了一种双侧成像、 双侧照明的光片显微镜，适用于单细胞分辨率下对多种大型生物模型系统(如肠道类器官等)进行长期多位置成像，质量适合于整个类器官的细胞分割和细胞跟踪。特殊的物镜配置使得使用多孔样品池可以同时监测多个实验条件。通过采用热成型工艺制造各种形状的样品池实现了样品特定和灵活的上样。未来，具有这种物镜配置和样本池配置的光片显微镜将进一步成为技术进步的有前途的平台。参考文献：[1] Naganathan et al., Left-right symmetry of zebrafish embryos requires somite surface tension. Nature[2] So et al., Mechanism of spindle pole organization and instability in human oocytes. Science[3] He et al., Lineage recording in human cerebral organoids. Nature Methods[4] Serra et al., Self-organization and symmetry breaking in intestinal organoids development. Nature[5] Dumortier et al., Fracking and Ostwald ripening position the lumen of the mouse blastocyst. Science

中国科学院合成生物学重点实验室日前正式获批在上海成立。据该实验室主任、中国科学院院士赵国屏介绍，实验室将瞄准现代生物科学与技术的前沿，引领我国合成生物学的原创研究和自主创新，建立合成生物学的关键技术平台，重点针对能源、医药和环境等国家重大需求问题，进行生物学元件、反应系统乃至生物个体的设计、改造和重建的研究与技术开发。实验室的研究方向包括生物质合成的分子设计、能源植物改造、能源和医药化工产品的高效生物合成，近期将重点开展能源生物和生产重要次生代谢物“超级链霉菌”的设计与构建的研究。 　　合成生物学重点实验室的前身是分子微生物学开放实验室，现有高级职称研究人员12名，其中中科院院士1名、国家杰出青年基金获得者3名、“百人计划”入选者5名 硕士和博士研究生近70名。实验室已在钩端螺旋体的基因组学研究、SARS冠状病毒的进化基因组、线型质粒的功能及发展特殊遗传操作体系、放线菌代谢途径及其调控机理的解析、丙酮丁醇梭菌的选育和遗传改造及应用、酶的结构与功能关系研究和改造与工业化应用等方面取得了一系列突出成果。 　　中科院合成生物学重点实验室将成为我国第一个专门从事合成生物学工作的研究基地。以该实验室为技术依托，上海生科院已成立了工业生物技术研发中心，从事相关技术开发和产业化工作。

合成生物学的快速发展正在改变生物技术行业的产业布局。目前，合成生物技术已经广泛应用于食品、农业、医疗等多个领域。伴随我国《“十四五”生物经济发展规划》的颁布，被誉为“第三次生物科技革命”的合成生物学研究热度高涨，但当前构建合成生物系统的内在逻辑尚处于摸索阶段，整个合成生物学领域正处于发展初期，需要先进的使能技术及解决方案推动合成生物学产业快速发展。为帮助广大用户及时了解合成生物学的市场概况、解决方案及相关活动，仪器信息网本次特别邀请了苏州镁伽科技有限公司（以下简称“镁伽”）谈一谈他们的看法：仪器信息网：您如何看待当前合成生物学产业及市场发展现状？镁伽：合成生物学，重新定义生物制造。合成生物学是继“DNA双螺旋结构的发现”和“人类基因组计划”之后，以工程化的手段设计合成基因组为标志的第三次生物技术革命。作为一门交叉学科，促进了生命科学从基于观测、描述及经验的科学跃升为可预测、可定量及可工程化的科学，并在医疗、能源、工业、农业、环境、信息等领域的应用日益广泛。合成生物学作为一个战略性新兴产业技术，其本质指人们将“基因”连接成网络，让细胞来完成设计人员设想的各种任务，该领域近年来得益于合成生物技术突破、政策支持等因素取得了快速发展。同时，合成生物学是近年来很热门的一个研究方向，全球范围内，合成生物学受到不同国家的关注和政策支持。2022年，美国发布《国家生物技术和生物制造计划》；同年，中国发改委明确将合成生物学列入《“十四五”生物经济发展规划》；欧盟在《面向生物经济的欧洲化学工业路线图》中，提出在 2030年将生物基产品或可再生原料替代份额增加到25%的发展目标。日、韩、以色列等国家也出台了相关政府报告或指导，推动合成生物学技术及应用快速发展。仪器信息网：合成生物学产业将给科学仪器行业带来哪些市场机会？ 镁伽：在高通量和规模化的发展中，合成生物学的未来势必离不开自动化的设备和整体解决方案。如果将合成生物学的产业链按照上、中、下游分类，上游则包含可以驱动产业发展的技术生态系统，如DNA/RNA合成、测序及编辑，以及相关自动化企业的产品与服务；中游产业涉及对生物系统和生物体进行设计、开发的技术平台；下游产业则是涉及多个行业的应用开发和产品落地。如果上中游产业通过不断地技术革新、提高生产效率及构建解决方案，在未来可能会占据产业链的核心位置。合成生物学、人工智能/机器学习和自动化的结合将释放生物科技的力量，帮助解决健康、能源、可持续发展等全球性的挑战，而镁伽科技正是这个新趋势的领导者之一。在合成生物学自动化领域镁伽已嗅到先机，开始利用高通量自动化设备及试剂赋能质粒构建和菌种筛选过程。最大限度地减少DNA序列分离过程中的错误和污染，提高目标蛋白的产量，真正做到解放科学家的同时，保证数据质量的可靠性、一致性和重现性。仪器信息网：贵单位针对合成生物学领域推出了（或将要推出）哪些解决方案？可以应用到哪些环节？解决了什么样的痛点？ 镁伽：镁伽合成生物学方案，通过DBTL（Design-Build-Test-Learn）这一闭环，深入掌握基因线路的设计原理，构建集成的自动化分子克隆工作流程，利用高通量自动化设备及试剂赋能质粒构建和菌种筛选过程。最大限度地减少DNA序列分离过程中的错误和污染，提高目标蛋白的产量，真正做到解放科学家的同时，保证数据质量的可靠性、一致性和重现性。镁伽全自动质粒构建系统在合成生物学领域，主要针对质粒构建这一实验流程，我们将其中最基础但又非常繁琐的质粒构建工作在我们的自动化系统中去实现全流程自动化操作，提高通量的同时标准化整个流程，为合成生物学领域的前进贡献力量。同时这套系统的落地稳定运行，也很好的代表了镁伽在生命科学自动化方面的能力与经验。仪器信息网：如何看待合成生物学的未来发展前景？ 镁伽：随着合成生物技术的快速发展，不断催生出位于产业上、中、下游的工具型、平台型和产品型公司。镁伽依靠鲲鹏实验室的科研能力，持续助力为行业带来高附加值的生产力工具和服务，提供一站式智能化合成生物学解决方案。可根据客户需求搭建高通量、自动化、信息化的合成生物学实验室，包括整体设备、试剂配套方案，及数据验证参数建议等。

近期，“人工淀粉”的新闻火爆全网。中科院天津工业生物技术研究所经过6年技术攻关，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。不依赖植物光合作用，设计人工生物系统固定二氧化碳，合成淀粉，“喝西北风”从一句笑谈变成了现实，这一成果被国际学术界认为将是影响世界的重大颠覆性技术。人工合成淀粉火爆全网的背后是合成生物技术的强力支持，可以称得上是合成生物学巨大的进步，也是人类开启“造物”时代的一个标志性事件。　　01 合成生物学开启“造物”时代　　合成生物学也被称为“工程生物学”，旨在阐明并模拟生物合成的基本规律，设计并构建新的、具有特定生理功能的生物系统，从而建立药物、功能材料、能源替代品等的生物制造途径。合成生物学的主要研究内容分为三个层次：一是利用现有的天然生物模块构建新的调控网络并表现出新功能 二是采用从头合成方法人工合成基因组DNA 三是人工创建全新的生物系统乃至生命体。合成生物学是生命科学在21 世纪新的分支学科，打开了从非生命的化学物质向人造生命转化的大门，为探索生命起源与进化开辟了崭新的途径。作为科学界的新生力量，合成生物学进展迅速，并已在化工、能源、材料、农业、医药、环境和健康等领域展现出广阔的应用前景。　　举例来看，合成生物学能利用大肠杆菌生产大宗化工材料，摆脱石油原料的束缚 利用酵母菌生产青蒿酸和稀有人参皂苷，降低成本，促进新药研发 工程菌不“误伤”正常细胞，专一攻击癌细胞 创制载有人工基因组的“人造细胞”，探究生命进化之路 利用DNA储存数据信息并开发生物计算机… … 　　在我国，2006年合成生物技术的研究就被列入了国家863计划，在“十三五”期间也将合成生物技术列为“构建具有国际竞争力的现代产业技术体系”所需的“发展引领产业变革的颠覆性技术”之一 麦肯锡咨询公司将合成生物技术评价为未来的十二大颠覆性技术之一 2014年，美国国防部将其列为21世纪优先发展的六大颠覆性技术之一 英国商业创新技能部将合成生物技术列为未来的八大技术之一。　　2021 年上半年，合成生物学领域融资达到 120 亿美元，同比增长 4 倍。医疗保健领域吸引了合成生物学最大份额的投资，承担了合成生物学的大部分转化和商业化。一方面扩大了治疗药物的制造能力，另一方面也为更多患者带来了治愈的希望。　　●合成生物学彻底改变了一些高需求小分子药物的生产，例如微生物生产青蒿素和大麻素，以取代传统的植物来源。美国科学家曾成功构建人工细胞工厂生产青蒿素，100立方米工业发酵罐的产能就相当于5万亩的农业种植，大幅降低了生产成本和对自然资源的依赖。　　●使用冷冻干燥的无细胞系统以便携式、按需的方式生产治疗分子：从小分子、短肽到抗体结合物和疫苗。　　●促进了一类新的基于细胞的疗法和基因疗法的发展。除了基因替代疗法之外，CRISPR-Cas系统可以对遗传病进行精确的基因编辑。　　●改造免疫细胞的能力也正在扩大到T细胞以外，包括NK细胞和巨噬细胞。　　●为肠道微生物的改造提供了工具：一方面，可以设计改造对人体有益的细菌，让它们生产人体自身不能合成的维生素等营养物质 另一方面，可以设计出感知肠道环境变化的“智能微生物”，对人体内的健康状态进行检测和诊断。　　●抗击新冠肺炎疫情中，合成生物学技术发挥了重要作用，利用DNA条形码技术改进测序流程、利用基因编辑技术开发核酸诊断试剂，提高诊断的准确性和灵敏度。　　●利用合成生物学技术还可以寻找潜在的小分子药物、开发疫苗，以及通过调节人体微生物组来激活人体免疫系统，提高人体抗病毒能力。　　●基于合成生物学的智能细胞疗法，利用合成生物学的控制技术，做智能化、可控化的细胞疗法或基因疗法。”　　02 从追赶到引领 国内企业加速布局　　从产业链布局的角度来看，合成生物学的公司可以分为两类：一类是实现从基因编辑到产品落地的全产业链公司，既有合成生物学技术储备，又有市场化产品落地 另一类是以服务为主，提供基因编辑和细胞工厂的研发型公司，业务以提供合成生物学技术支持为主，产品以代工厂生产为主。从盈利模式来看，全产业链布局的公司中短期内有望通过替代化学法更快实现盈利 而以服务为主的研发型公司将在合成生物学行业生态建立起来后，通过更高效专业地为大量代工企业服务获利。截止目前，国外从事合成生物学领域的公司已经近 500 家，国内相关领域的公司也多达数十家。　　凯赛生物　　2020年8月12日，凯赛生物在科创板上市，成为国内合成生物第一股。凯赛生物着重于新型生物基材料的研发、生产与销售，主要产品为生物法长链二元酸系列。凯赛生物在此次公开发行中合计募资55.6亿元，所募资金将用于提升公司生物法长链二元酸、生物基聚酰胺产品的品类和产能，完善公司在聚酰胺产业链的布局。　　博雅辑因　　博雅辑因成立于2015年，司是一家以基因组编辑技术为基础，为多种遗传疾病和癌症加速药物研究以及开发创新疗法的生物医药企业。博雅辑因拥有以基因编辑技术为中心的四大平台，正致力于推动针对遗传疾病和肿瘤的研发项目进入临床。四大平台包括针对造血干细胞和T细胞的体外细胞基因编辑治疗平台，基于RNA单碱基编辑技术的体内基因编辑治疗平台和致力于靶向药物研发的高通量基因组编辑筛选平台。同时，博雅辑因于2018年在广州南沙区建立了符合GMP标准的临床转化应用基地。　　蓝晶微生物　　蓝晶微生物基于合成生物技术进行分子与材料创新，致力于设计、开发、制造和销售新型生物基分子和材料，包括在所有自然环境中均可自发完全降解的生物材料PHA、可有效缓解焦虑的功能饮料成分、补偿人体常见代谢缺陷的新型功能益生菌、医美及美妆赛道的功能成分等。蓝晶微生物前不久完成了4.3亿元人民币B2轮融资。6个月内，蓝晶微生物B系列的融资总额已超过6亿元人民币。　　传奇生物　　传奇生物于2020年6月5日正式在美国纳斯达克上市，本次上市发行定价为23美元/ADS(美国存托股份，每份ADS代表8股A类普通股)，总计发行1842.5万ADS，总募资金额超4亿美元。传奇生物是一家肿瘤细胞免疫疗法研发商，研发了CD38和BCMA靶点治疗多发性骨髓瘤的CAR-T疗法，利用自身免疫细胞，经体外基因改造后重新注射回病人体内，并利用这种强化过的免疫细胞精准靶向，杀死肿瘤细胞，主要用于治疗血癌和淋巴癌。　　百葵锐生物　　百葵锐生物成立于2019年，致力于合成生物学技术在医药高效生物合成。公司基于蛋白精准设计和蛋白分子机器技术的全态链合成生物学平台，以实现生物医药、生物材料的创新、高效、绿色制造。百葵锐生物团队通过搭建蛋白精准设计和蛋白分子机器技术平台，专注于皮肤功效护肤，罕见代谢病，宠物肠道健康治疗等领域，用基因编辑等合成生物学技术手段，针对影响人类身体健康的有害细菌或有害毒素进行靶向性治疗。

在近代生物学发展史上，有一个问题逐渐占据了科学家的视野：蛋白质、核酸、多糖… … 这些构成生命活动基础的大分子的微观结构是什么样的？解决这个问题满足的不仅仅是科学家们的好奇心，更重要的是对结构的认知将极大地帮助人类在分子层面理解复杂的生命活动，并据此设计出阻止或加强其作用的药物，特别是基于蛋白质结构的药物研发。我们现在知道目前解析生物大分子结构的主流实验手段是X射线晶体学和冷冻电镜，而AI又与这两种手段相辅相成。但在生物学发展早期，我们只能推测大分子的成分，窥见它们精巧而严密的运作机制，但对它们的结构细节一无所知，而结构的未知又影响了人类理解它们的功能。诺贝尔奖获得者费曼曾经半开玩笑地说：“许多基础的生物问题是非常容易解决的：只要能看到它们就行！"然而观测这些微小的分子以及它们那更加微小和复杂的空间结构谈何容易，实际上，这个问题直到今天也不能称得上完全解决。但几十年来，科学家们为此付出了巨大的努力并取得了可观的成果，并最终形成了结构生物学。这是一个漫长而艰难的故事，但也不乏有趣之处。01X射线晶体学的得与失1895年，威廉伦琴发现了X射线。这种具有穿透性的电磁波是19世纪最重要的物理学发现之一，对许多领域和学科都产生了深远的影响，不过这不是本文要讨论的重点，我们直接来看X射线是如何影响甚至可以说奠定了近代结构生物学的发展的。简单来说，人们发现极细的X射线流在穿过化合物晶体后，会在照相板呈现出一些具有规律的衍射图案，这些衍射图案是否有可能反映出了晶体的原子排列规律呢？经过几十年的探索，科学家们终于找到了通过数学规则，利用X射线衍射图案来推算晶体中原子排列的方法。这一技术，使得制备晶体→X射线衍射→推算结构的解析大分子结构的方式成为可能，X射线晶体学的时代开启了。X射线解析蛋白质结构的首例突破是在1960年。约翰与他的同事马克斯佩鲁兹””解析了第一个蛋白质——抹香鲸肌红蛋白的三维结构。与今天科学家们能解析的蛋白结构相比，肌红蛋白的结构较为简单，仅由8条α螺旋组成，且没有4级结构。但在当时，所有人都知道，一个新的时代开启了。蛋白质的折叠方式与空间构象对于蛋白质的功能有着决定性的作用。掌握了蛋白的三维结构，就掌握了开启和关闭蛋白功能的钥匙。在接下来的几十年里，一个又一个重要的蛋白质结构被解析出来，核糖体、肌动蛋白、ATP酶、氧化还原酶、RNA聚合酶… … 结构生物学的黄金时期一直持续到本世纪，以至于2006年诺贝尔化学奖获得者罗杰科恩伯格后来说“2007年至2019年，当我为Nature杂志工作时，我们经常对结构生物学论文的数量开玩笑：似乎每周都有一个新的、重要的蛋白质结构发表。”X射线晶体学并非完美，它的缺陷在这个过程中暴露出来。首先，想要获得一个相对完整的模型，就要获得分辨率足够高的能够得到清晰的X射线“照片”的蛋白晶体，另外，一次X射线穿透获得的是晶体某一角度的衍射图案，这对于计算蛋白质三维结构是远远不够的，需要多角度的几百张甚至成千上万张照片才能构建出一个蛋白质三维结构的雏形，并通过建模和修正得到最终的成品“模型”。这期间的工作量特别是数学部分无疑是巨大的，即使有计算机和更好的X射线设备的辅助计算，X射线晶体学仍然很耗时。还有一个问题是，一些类型的蛋白质被证明很难或不可能结晶，如何进行对于此类蛋白三维结构的探索呢？02冷冻电镜与传统的常温电镜不同，冷冻电镜通过将样品冷冻在一层非晶体的玻璃态冰膜中然后在低温下用电镜成像观察，从而得到结构。这个方法无疑不再对蛋白晶体有硬性要求，可以最大可能的观察到生物大分子的自然状态下。并且，由于样品制备时使用了瞬时冷冻的技术，与X射线晶体衍射学相比，冷冻电镜技术可以瞬时的捕捉到同个样品在不同状态下的近生理构象。不过，虽然这项技术发明得很早，但起初只能对于病毒等较大或具有高度对称性的结构进行解析。因为电镜用于轰击样品的电子具有高能量，无论是生物样品本身还是仪器都难以承受长时间的轰击，而有限次数的曝光得到的图像偏差过大，难以用于精细的结构生物学领域。为了降低电子对样品的损伤，冷冻电镜在低温下，采用了低剂量的图像采集方案，增强图像的信噪比。而近年来，直接电子检测相机的研发和飞速发展的图像处理算法的应用，使得冷冻电镜的分辨率得到了飞跃式的提升，这次分辨率的极大提升，被称为“第一次分辨率革命”。另一方面，随着电镜本身的技术发展，目前已经可以利用冷冻电镜技术观察到原子分辨率的信息，在300 kV冷冻电镜的帮助下，水分子的氢氧原子清晰可见，这就是近年来震撼了冷冻电镜学界的“第二次分辨率革命”。另外，200 kV的冷冻电镜也已经以高分辨解析、多功能用途而广泛安装使用。近年来，冷冻电镜逐渐成为了生物大分子解析的主流手段之一，但是一台冷冻电镜高昂的价格令许多科研工作者或药企研发人员望而却步。而为了使更多的科研工作者能在分辨率革命中受利，在诺贝尔化学奖得主Richard Henderson的呼吁和推动之下，更为“接地气”的100 kV冷冻电镜也被研发出来。100 kV的电镜打破了对于高电压的需求，在电镜整体设计上和相机选择上都以最高性价比的方案进行整合，相比之下较低的价格，使得100 kV的冷冻电镜成为了一台人人都有机会使用的冷冻电镜。03AI的未来？我们在文章最初说过，研究蛋白质和其他大分子的结构是为了了解其功能，并最终转化为改善人类健康和生命质量的应用成果。为了这个目标，科学家们利用X-射线晶体学和冷冻电镜技术解析了一个又一个蛋白的结构，而在无数量变的积累背后，是否有一项科学家们追求的质变存在呢？1965年，《生物化学年鉴》说"人们甚至希望有一天可以完全从氨基酸序列中推断出构象。"1972年，克里斯蒂安安芬森在诺贝尔奖演讲中说："我们对序列和三维结构之间相关性的大量数据积累，加上多肽链折叠的能量学理论的日益成熟，预测蛋白质构象的想法越来越现实了。"利用氨基酸序列直接预测蛋白空间构象是结构生物学家和分子生物学家们很早就有的渴望。虽然在过去的几十年中，科学家们一直致力于在实验室中用X射线或者冷冻电镜解析蛋白质结构，但科学家们并不会把“将一切存在的蛋白质用X-射线或者电子束打一遍”作为最终目标，掌握规律才是人类在科学探索中真正想要追求的东西。而AI的发展引出了这一目标成为现实的可能。经过深度学习的算法已经可以做到通过与已知结构的蛋白序列进行比较来预测目的蛋白的结构。尽管要真正解析未知蛋白的结构还言之过早，但诸如AlphaFold2等软件也的确为结构生物学的研究带来了不少便利。通过AlphaFold2等计算模拟的方法，与以冷冻电镜为代表的实验结构生物学相结合，两者相辅相成，为生物大分子结构解析，特别是药物发现领域带来了巨大的助力。04Structure Based Drug Design (SBDD)随着结构生物学的发展，人们对药物靶标蛋白的结构和功能的关系的了解越来越深入，逐渐形成了基于结构的药物设计策略，Structure Based Drug Design (SBDD)。1995年，罗氏基于SBDD开发了蛋白酶抑制剂Saquinavir，其抗逆转录病毒的功效可以配合其他药物治疗艾滋病。也使得基于结构的药物设计策略的潜力得到证实。之后，各类抗病毒、抗肿瘤、炎症等新药研发成功。时至今日，对靶标结构的认知和功能的预测几乎成为创新药开发中绕不过去的一环，以近年大热的难成药靶点KRAS为例，安进公司通过KRAS G12C突变体的GTP结合位点“口袋”研发出了首款抑制剂，而这只是结构生物学在药物开发中发挥基础作用的无数案例的一个。有越来越多的例子证明，结构中一些亚纳米级别的微小细节变化，为最终的药物成功与否带来了决定性的影响。相信在未来，技术的发展将带人类进一步认知生命活动中那微小而浩瀚，精密且复杂的分子世界，并为药物研发和疾病攻克带来更多启发和帮助。

细胞工厂操作系统 图片来源：百度图片 　　自然微生物能生产的化学品种类很少，远不能满足生产能源、化工、材料和药物领域各种化学品的需求。另一方面，自然微生物即使能生产某些化学品，其产量也很低，不具备经济可行性。 　　如何拓展微生物细胞生产化学品的种类和如何提高细胞的生产效率是限制细胞工厂产业化的两个关键技术问题。 　　生物制造瓶颈 　　石油资源是目前运输燃料和整个化工产业的基础。然而，石油资源是不可再生的，并且以其为基础的化工炼制是一个高能耗、高污染的过程。 　　而从另一个角度看，天然产物在药物开发方面有着广泛的应用，很多产物具有抗肿瘤、消炎、抗寄生虫、抗氧化防衰老等功效，一直是新药来源的重要组成部分。 　　天然产物的生产目前主要从药用植物中直接提取分离。然而，植物生长周期长、产物含量低，导致这种生产方式对野生植物资源造成严重破坏。 　　如何以一种可持续、绿色清洁的方式生产燃料、大宗化学品和天然产物，对于保障社会经济可持续发展至关重要。 　　生物质是一种可再生的清洁资源。通过生物制造技术，生物质可以被转化为燃料、大宗化学品和天然产物，从而替代石油化工炼制和植物资源提取。生物制造的核心技术是构建高效的微生物细胞工厂，将生物质原材料转化为各种终端产品。 　　然而，自然微生物能生产的化学品种类很少，远不能满足生产能源、化工、材料和药物领域各种化学品的需求。另一方面，自然微生物即使能生产某些化学品，其产量也很低，不具备经济可行性。 　　如何拓展微生物细胞生产化学品的种类和如何提高细胞的生产效率是限制细胞工厂产业化的两个关键技术问题。 　　合成生物学助力 　　合成生物学技术的发展极大地提升了细胞工厂的构建能力。通过以下四个方面的改造，可以快速构建出生产各种化学品的高效细胞工厂： 　　最优合成途径的设计：生产目标化学品的合成途径可能不存在于单一生物中，通过计算机模拟设计，可以将不同的生化反应组装到一个细胞中，形成一条完整的合成途径。在此基础上，根据基因组代谢网络和调控网络模型，设计出目标化学品的最优合成途径，使其合成过程中能量供给充足、氧化还原平衡，碳代谢流最大程度地流入产品合成。另一方面，自然界中可能不存在某步关键的生化反应，导致合成途径不能被打通。通过计算机模拟设计，可以人工合成出一个全新的蛋白，使其催化该步生化反应，从而进一步拓展化学品的合成种类。 　　合成途径的创建：目标产品合成途径由一系列生化反应及相关的编码基因组成，其中某些基因是外源生物的。传统的PCR(聚合酶链式反应)扩增方法周期长，而且很多外源基因在宿主细胞中的表达及翻译效率很低。DNA合成技术的发展很好地解决了这一问题。基于芯片的高通量、高保真DNA合成技术显著降低了合成时间、合成成本和错误率 单个酶的大量合成和高通量筛选相结合，能有效解决外源基因的表达和翻译问题。另外，标准化的结构元件和调控元件文库，如启动子、核糖体结合位点和信使RNA稳定区文库，为合成途径的创建提供了坚实的物质基础。多片段DNA组装技术，如酵母体内同源重组技术，则能快速高效地实现功能模块组装和合成途径创建 　　合成途径的优化：合成途径创建完之后，通常效率都很低，远远达不到产业化生产的要求，因此需要对合成途径进行优化，提高其效率。高效的合成途径很多时候不仅仅只受限于某个单一的限速反应步骤，而且需要多个酶的协同平衡。基于标准化调控元件文库，可以对合成途径各个基因的表达进行精确调控，从而获得多个基因协调表达的状态。多重基因组自动改造技术则可以同时对染色体上的多个基因进行改造，结合高通量筛选技术，可以快速高效地鉴定出最优的调控组合。另外，通过人工合成的蛋白骨架，既可以使合成途径相邻的两个酶聚集在物理空间比较近的区域，提高两个生化反应的速率，也可以获得这些酶的最优组合比例。 　　细胞生产性能的优化：合成途径优化完之后，可以获得一个初步的人工细胞。需要进一步提高人工细胞的生理性能和生产环境适应能力，才能将其转变为实际生产可用的细胞工厂。进化代谢和全局扰动等技术的发展可以有效地提高细胞的生产性能。在此基础上，使用各种高通量组学分析技术可以解析细胞性能提升的遗传机制，并可用于新一轮细胞工厂的构建。 　　产业化初见成效 　　使用上述的合成生物学技术，科学家们成功构建出一系列高效的细胞工厂。在燃料化学品方面，生产长链醇(丙醇、异丁醇、异戊醇)、脂肪酸酯、脂肪醇、烷烃、烯烃等燃料的细胞工厂相继面世。 　　另外，利用二氧化碳和钢厂废气为原料生产乙醇、脂肪醇等燃料的细胞工厂也被成功开发。在大宗化学品方面，科学家们成功开发出生产C3(乳酸、聚乳酸、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、3-羟基丙酸、丙烯酸、丙氨酸)、C4(丁二酸、苹果酸、富马酸、1,4-丁二醇、异丁烯、丁二烯)、C5(异戊二烯、戊二胺、戊醇、木糖醇)和C6(己二酸、葡萄糖酸、甘露醇)等化学品的细胞工厂，其中很多已实现产业化生产，并被进一步用于塑料、纤维、尼龙、橡胶等一系列终端产品的生产。 　　在天然产物方面，生产青蒿素、紫杉醇、银杏内酯、丹参酮、吗啡、白藜芦醇、莽草酸、番茄红素、虾青素、辅酶Q10等产物及其关键前体化合物的细胞工厂也被成功开发。 　　随着合成生物学各种新技术的不断发展，微生物细胞工厂的构建技术也将越发完善。其必将极大地推动石油化工制造和药物生产的产业升级，为人类社会的可持续发展作出巨大的贡献。

/// HABITAT 生物反应器，是合成生物学进行发酵研究的好帮手！合成生物学是继“DNA双螺旋”和“人类基因组计划”之后的第三次生物技术revolution。未来60% 的产品有望都可通过合成生物学方法进行生产制造，其在变革传统生产方式上的潜力备受关注。目前，合成生物学应用已经覆盖了化工、能源、医药、农业、食品、化妆品、材料合成、泛健康等诸多领域。 与传统发酵相比，合成生物学可以按照特定目标理性设计、改造乃至重设合成生物体系，进而定向操作获取人类需要的物质，解决医药、能源、原材料、食品稀缺等问题。发酵常以微生物作为生物工厂，通过发酵获得高纯度目标产物，比如利用基因工程改造微生物来生产人类胰岛素、生长激素、酶，以及维生素和部分营养补充剂等；利用微生物细胞工厂生产化学品、材料、燃料、植物天然成分和替代蛋白；通过细菌、细胞来治疗疾病和帮助作物增产等。IKA HABITAT 生物反应器！ 合成生物学发酵研究的好拍档德国IKA HABITAT 生物反应器，是合成生物学进行发酵研究的好帮手。HABITAT 发酵罐的如何助力： HABITAT ferment 罐盖支架 直观的软件操作 0.5~10L罐体，单壁或夹套HABITAT 生物反应器集成搅拌、温控、pH监测、DO监测、补料、取样、进气、尾气冷凝、液位监测、消泡监测等全部功能，并可对实验数据进行实时图谱展示，具备警报功能、pH/DO自动控制和内置电极校准程序，并可在断电后自动重启，实时保存数据和导出数据。罐体多规格可选，500ml~10L，有单壁和夹套罐体形式，满足不同应用需求罐体及传感器（消泡电极除外）可置于高压灭菌器内进行灭菌，可重复使用可选配罐盖安装支架，用于2L以上罐盖配件的安装和拆卸控制塔前端有状态指示灯，可辅助监控搅拌、pH、DO、温度、消泡和液位等参数的变化情况，有异常会出现红色警示独有的新型chaotic mixing混沌混合方式，可加速底物的混合效率集成的4个Watson Marlow 泵，方向和速度可调，方便泵入和泵出不同的液体(如酸，碱，消泡剂，补料试剂)关于 IKA IKA 集团是实验室前处理、分析技术、 工业混合分散技术的市场领导者。电化学合成仪、磁力搅拌器、顶置式搅拌器、分散均质机、混匀器、恒温摇床、恒温培养箱/烘箱、移液器、研磨机、旋转蒸发仪、加热板、恒温循环器、粘度计、量热仪、生物反应器、化学合成釜、实验室反应釜等相关产品构成了IKA 实验室前处理与分析技术的产品线；而工业技术主要包括用于规模生产的混合设备、分散乳化设备、捏合设备、以及从中试到扩大生产的整套解决方案。IKA 还与全球知名大学和科学家进行着密切的合作, 支持其在科研道路上不断探索。我们致力于为客户提供更好的技术, 帮助客户获得成功。IKA 成立于1910年，集团总部位于德国南部的Staufen，在美国、中国、印度、马来西亚、日本、巴西、韩国、英国、波兰等国家都设有分公司。 艾卡（广州）仪器设备有限公司是IKA 集团于2000年设立的全资子公司，主要负责为中国和蒙古国提供产品、技术和服务支持。

这个夏季的 7 月、8 月，整个上海的最高温度达 40.9℃，追平有气象记录以来（1873 年以来）最高气温纪录，与气温同时居高不下的还有合成生物学的热度。7 月初，工业和信息化部、国家发展改革委、商务部发布《 “生物制造” 将是 2023-2024 年的工作举措中着重培育壮大的新增长点》。紧接着沧州市政府、深圳光明区分别发文支持生物制造产业，深圳光明区科技创新局更是发布了 13 项合成生物产业申请指南，其中涉及资金扶助、厂房建设、资质认定、研发创新、赛事峰会等多方面的政策。8 月中旬，上海市委副书记、市长龚正主持召开市政府常务会议，研究加快合成生物、基因治疗创新，推动产业发展等工作，各地纷纷布局加速合成生物学产业发展。8 月末，工业和信息化部、国家发展改革委、财政部、生态环境部、商务部、应急管理部、中华全国供销合作总社等七部门发布《石化化工行业稳增长工作方案》。《方案》支持非粮生物基材料产业化，更是将合成生物学产业在这个夏季推到热度最高点。以下是为大家整理的近期合成生物学相关政策摘要：● 三部委发布：“生物制造” 将是2023-2024年的工作举措中着重培育壮大的新增长点7 月 19 日，工业和信息化部、国家发展改革委、商务部发布 “三部委关于印发轻工业稳增长工作方案（2023—2024 年）的通知”，在工作举措中提及 “培育壮大新增长点” 中，生物制造产业位列其中：生物制造：加快生物制造产业发展顶层设计，加大各类创新资源投入力度，提升产品附加值和市场竞争力。加快非粮原料应用，大力拓展秸秆等大宗农林废弃物原料资源，提升非粮生物质低成本糖化技术工艺水平，促进生物制造可持续发展。支持有条件的地区开展生物基材料、非粮食原料生物能源等产品应用试点，促进优质产品推广应用。加强特色植物原料开发创新，推动活性原料生物制造规模化生产，加大在食品、化妆品等行业的应用。原文链接：https://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202307/content_6895224.htm● 沧州市政府发文支持生物制造产业7 月 21 日，沧州市人民政府办公室印发《河北省支持生物制造产业发展若干措施》鼓励支持生物制造产业，对生物制造产业符合要求的企业予以奖励、补助等举措。《措施》指出要：• 加大招商引资力度，推动企业扩规提质；• 聚焦技术创新，强化成果补助力度；• 强化品牌培育，推动市场应用；• 发挥多方作用，打造良好产业生态；• 聚集发展要素，支持生物制造产业发展；• 强化组织保障，营造产业良好环境。原文链接：https://www.cangzhou.gov.cn/cangzhou/c100570/202307/e4e1accd298b452ba717cc4812feeef5.shtml● 深圳光明区科技创新局：发布13项合成生物产业申请指南8 月 10 日，深圳市光明区科技创新局发布了光明区合成生物产业政策 13 项申请指南，涉及资金扶助、厂房建设、资质认定、研发创新、赛事峰会等多方面的政策。原文链接：http://www.szgm.gov.cn/xxgk/xqgwhxxgkml/gzgg/content/post_10778980.html● 上海市政府常务会议：加快合成生物创新策源、打造高端生物制造产业集群8 月 16 日，上海市委副书记、市长龚正主持召开市政府常务会议，传达学习习近平总书记和李强总理有关防汛救灾工作重要指示批示精神，要求按照市委部署，守牢防汛安全底线；研究加快合成生物、基因治疗创新，推动产业发展等工作；研究推进上海国际航空货运枢纽建设。合成生物学相关：会议原则同意加快合成生物创新策源、打造高端生物制造产业集群，以及促进基因治疗科技创新和产业发展相关行动方案。会议指出，要紧盯科技前沿、强化战略布局，着力打造具有全球影响力的产业高地。要增强优势领域竞争力，强化顶层设计，突出重点靶向攻坚，攻关高精尖关键技术，打造产业发展 “核爆点”。要激发科研主体创新力，统筹科研资源，聚珠成链、拓链成群，大力引进综合性、高层次、领军型人才，建设高水平新型研发机构，培育高增长科技企业，加强源头创新至产业落地的全链条衔接。要提升发展环境软实力，做好前瞻性政策研究，加速产品研发上市和产业化应用，同时完善监管制度规则，构建高质量规范体系。原文链接：https://export.shobserver.com/baijiahao/html/643510.html● 七部委：支持非粮生物基材料产业化8 月 26 日，工业和信息化部、国家发展改革委、财政部、生态环境部、商务部、应急管理部、中华全国供销合作总社等七部门发布《石化化工行业稳增长工作方案》。《方案》提到支持开展非粮生物质生产生物基材料等产业化示范。建设世界级盐湖产业基地，提升钾、锂、硼等资源综合利用效率。鼓励地方结合区域资源、技术、产业优势，打造化工新材料、非粮生物基材料等细分领域中小企业特色产业集群。深入实施产业基础再造工程，聚焦航空航天、电子信息、新能源、节能环保、氢能以及医疗健康等重点产业链需求，支持催化剂、特种聚酯、膜材料等专用化学品、化工新材料及关键单体原料产业化。

仪器信息网讯 2012年5月6日，第六届AOHUPO大会在北京召开，约超过1000人出席了此次大会。作为生命科学领域高端质谱的主要提供商，赛默飞高度重视此次大会，并且成为大会的金牌赞助商。在大会期间，赛默飞特举办了题为“高分辨质谱在生命科学研究领域的重要性”的专题研讨会，有近200位业内专家参加了此次研讨，并积极与赛默飞质谱专家互动交流。 赛默飞色谱质谱产品中国区高级商务总监杜平先生 　　据赛默飞色谱质谱产品中国区高级商务总监杜平先生介绍，赛默飞目前年收入达110亿美元，在全球40个国家中拥有38000名员工，服务于150个国家、350000个客户 其中，赛默飞在中国有1900名员工，8个销售办事处、5个应用中心。赛默飞目前有完备的产品线，一流的专业技术，以及有科技实力很强的合作伙伴。赛默飞主要有分析仪器、专业诊断、生命科学、实验室产品、客户渠道和生物制药等六大平台。赛默飞在苏州投资9000万美元新建的工厂将成为其亚太地区最大的、生产各类生命科学类仪器及实验室设备重要基地。为更好地服务于客户，赛默飞的部分常规科学仪器、环境仪器、过程仪器、实验室产品实现了在中国生产。 　　杜平先生随后详细介绍了赛默飞在中国主要服务的市场领域：（1）在医疗领域，随着中国经济和人们收入的增长，人口老龄化，一些偏远地区的医疗保险的覆盖面增加，政府会加大在医疗机构的投入；（2）在生物制药领域，全球前10名制药公司在未来的5年将投入20-30亿美元用于研发，有超过120个公司获得了国家食品药品监督管理局的GMP证书，政府投入会超过6亿美元用于生物技术研究；（3）在环境领域，公众要求更美好的生活与环境，要求改善水、空气、公共安全等 更多的国家环境监测和检测中心建立，加强环境方面的立法；（4）在食品领域，公众对于食品安全的担心使政府加强了在食品方面的检测；（5）在能源领域，核能被认为是清洁、高效和可重复利用的能源，石油产品尤其是精炼油需求增加，金属和水泥更加注重技术和服务。 　　 赛默飞科学仪器部蛋白质组市场总监Andreas FR Huhmer博士 　　赛默飞蛋白质组学市场总监Andreas FR Huhmer博士作了题为《高性能质谱对生物学研究领域的影响》的报告。 　　在过去二十年中，作为一种有效的分析工具，质谱对于生物学研究和药物开发领域发挥着重要的作用。随着系统地、准确地鉴定大量蛋白的需求日益增加，可以预期在不久的将来，质谱发挥的作用将发生改变。近期在样品前处理、质谱技术以及数据处理方面进展，使宽范围蛋白质分析成为可能。Andreas FR Huhmer博士根据科学家们在生物学领域的科研成果，讨论质谱的重要性。 　　在人类基因被扫描之前，科学家75%的研究工作集中于10%的已知蛋白。对于蛋白质家族的研究仍然集中于疾病和药物开发，如酶、离子通道、核受体等。人类有超过500多个激酶，在2009年发表的20000篇有关酶的文章中，65%的文章集中于上个世纪九十年代最热门的50个蛋白 对于核受体研究75%的工作集中于48个编码的中的6个 可见在蛋白组学领域仍然有很长的路要走(Too many roads not taken)。 　　质谱的出现，加速了蛋白的鉴定，例如鉴定一个蛋白：1990年前需要一年，2004年需30秒，2006年需要3秒，2010年需要0.2秒，2011年需要0.08秒。这主要归功于质谱技术的发展。 　　对于蛋白质的鉴定，Andreas FR Huhmer博士详细讲解了赛默飞的两大平台Obitrap Elite和Q Exactive。 　 赛默飞Obitrap在2010年到2011年期间性能有很大提高 　　2011年，赛默飞对Orbitrap质量分析器进行了改进， 缩小了Orbitrap体积，增加C-Trap中可进行离子聚焦和发射，使得分辨率高达24万(FWHM)，扫描速度达10spectra/sec，在鉴定蛋白方面的能力有了大幅度的提高。对于自上而下的蛋白质鉴定，Orbitrap Elite超高的分辨率和灵敏度能帮助实验室提高完整蛋白质分子量的测量水平。采用互补的碎裂技术，如碰撞诱导解离(CID)、电子转移解离(ETD)和HCD时，该系统还可以获得更高的蛋白质序列覆盖率。 　　Q Exactive台式四极杆—轨道阱LC-MS/MS系统大大扩展了赛默飞世尔科技Exactive家族Orbitrap系统的功能，(1)新型离子源光学系统将灵敏度提高达五倍；(2)集成式四极杆质量过滤器实现前体离子选择性；(3)在Orbitrap HR/AM检测之前，MS/MS碎裂过程发生在能量更高的碰撞诱导解离(HCD)池中；(4)先进的信号处理技术能够在全扫描模式和最大扫描速度下将系统分辨率提高至140,000 FWHM；(5)新型C-Trap离子光学系统和HCD碰撞池提供了快速HCD MS/MS扫描，改善了低质量数离子的传递，从而提高灵敏度和定量性能，尤其适用于使用同位素标签的实验。 Q Exactive， 新型C-Trap离子光学系统提了高灵敏度和定量性能 　　Andreas FR Huhmer博士提到，HR/AM肽段定量方法结合了Q Exactive质谱的高度精确质量测定和高分辨率的能力，从而获得肽段的高灵敏度和精确质量定量。HR/AM肽段定量分析流程给定性分析提供了一个简单的转换。对于以前很难定量的蛋白，该新的分析流程为精确定量分析蛋白质提供了可靠的分析方法。该工作流程也是对基于TSQ Vantage三重四极杆质谱SRM分析流程的一个强有力的补充。 　　最后，Andreas FR Huhmer博士认为目前仍需要高性能蛋白质研究工具来推动生物学研究和药物开发，用于还未发现的人类基因组的研究。一个可被广泛应用的、精确的质谱可以对于复杂的蛋白质组学研究更加可靠 基于Orbitrap的高分辨率质谱能够消除复杂基质，增强信心，推动周期生物学的研究快速发展。赛默飞致力于技术创新，继续推动质谱及相关技术的发展，并为用户提供完整的工作流程。 研讨会现场 赛默飞Andreas FR Huhmer博士，王勇为博士共同解答观众提问 现场提问