解读近期科学家们在合成生物学研究领域取得的最新进展！

合成生物学作为现代生物学与多学科系统融合发展而成的新兴交叉学科，是继“DNA双螺旋结构的发现”和“人类基因组计划“之后，以工程化手段设计合成基因组为标志的第三次生物技术革命。

本文中，小编整理了近期科学家们在合成生物学研究领域取得的重要进展，分享给大家！

【1】两篇Cell+5篇Cell子刊首次成功在实验室中制造出合成基因组超过50%的酵母菌株

doi：10.1016/j.cell.2023.09.025等

来自美国纽约大学等机构的科学家们将在实验室里制作的七条以上的合成染色体组合到一个酵母细胞中，得到了一种含有50%以上合成DNA的酵母菌株，它的存活和复制能力与野生酵母菌株相似。相关研究成果于2023年11月8日以7篇论文的形式发表，其中2篇发表在 Cell 期刊上。

这些论文展示了合成酵母基因组计划（Synthetic Yeast Genome Project）Sc2.0，即一个致力于从头开始开发首个合成真核生物基因组的全球联盟。这些作者如今合成并调试了全部十六条酵母染色体。曼彻斯特大学合成生物学家 Yizhi Cai 说，“我们的动机是通过构建合成基因组来了解基因组的基本原理。我们如今重写了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的操作系统（即基因组），这开启了工程生物学的新纪元---从修补少量基因到从头设计和构建整个基因组。”

图片来源：Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.09.025

虽然此前已经合成了细菌和病毒基因组，但这将是第一个合成的真核生物基因组，它带来了多条染色体的复杂性。这种合成酵母也是一种“定制”基因组，与它所基于的天然酿酒酵母基因组有很大不同。Sc2.0 项目负责人、纽约大学朗格尼医学中心合成生物学家Jef Boeke说，“我们认为，生产出一种与自然设计有很大不同的东西非常重要。我们的首要目标是制造出一种能让我们学到新生物学知识的酵母。”

为此，这些作者移除了大块的非编码DNA和以前被视为“垃圾DNA”的重复序列元件，添加了新的DNA片段，以帮助他们更容易地区分合成基因和天然基因，并引入了一个名为 “SCRaMbLE”的内置多样性生成器，它可以改变染色体内部和染色体之间的基因顺序。

【2】Adv Sci：中国科学家开发出人工合成智能细菌，可时序控制污染物检测、降解并随后自杀

doi：10.1002/advs.202304318

近日，一篇发表在国际杂志Advanced Science上题为“An Intelligent Synthetic Bacterium for Chronological Toxicant Detection， Biodegradation， and Its Subsequent Suicide”的研究报告中，来自上海交通大学等机构的科学家们通过研究利用模块化的理念构建了一株人工合成智能细菌，在时序控制下不依赖外源诱导剂，完成水杨酸的检测、降解和菌株自毁。

环境污染的生物治理集中在三个方面：污染物的检测、降解以及菌株的生物安全保障，合成生物学的出现为解决这一系列问题提供了新思路，一批功能模块、综合工具箱和系统被设计出来。然而，功能弱化和分散的模块由于需要复杂的控制条件从而阻碍了合成生物学应用于环境污染的治理。

为了应对这一挑战，研究团队组装了一株三模块工程菌，它能够在6小时内检测水杨酸并输出一定量的荧光，随后在平台期早期开始将水杨酸降解为龙胆酸，最后在水杨酸耗尽时启动自杀回路。水杨酸，一种工业废水的典型污染物及多环芳烃降解的下游中心节点，被选作证明该设计的案例，所有任务被工程化菌株均在无外界干预的情况下按时间顺序完成。

【3】Nat Synthesis：中国科学家首次实现在酿酒酵母中从头合成植物激素茉莉素

doi：10.1038/s44160-023-00429-w

近日，一篇发表在国际杂志Nature Synthesis上题为“Engineering yeast for de novo synthesis of jasmonates”的研究报告中，来自中国科学院深圳先进技术研究院等机构的科学家们针对现阶段植物激素茉莉素在生产上面临的化学合成难度大、植物提取得率低等挑战，提出了在酿酒酵母中重构茉莉素的生物合成途径，建立微生物细胞工厂以实现高效和绿色生产，为茉莉素在农业及化妆品行业的规模化应用铺平道路。

合成生物学的发展使得天然产物的异源生产成为可能。自1962年从素馨花中首次发现并分离茉莉酸甲酯以来，科学家一直致力于茉莉素生物合成通路的解析，完整的合成途径在2012年问世。

茉莉素的生物合成通路

图片来源：Nature Synthesis （2023）

doi：10.1038/s44160-023-00429-w

茉莉素在植物中的合成过程较为复杂，通路长，酶促类型多样，还涉及中间产物在不同细胞器间的转运：磷脂酶先将α-亚麻酸（α-LeA）从叶绿体膜上释放；α-LeA在叶绿体内，由多酶复合体催化形成12-氧代-植物二烯酸（OPDA）；OPDA在过氧化物酶体中，经过3轮β-氧化生成茉莉酸（JA）；JA在细胞质中被转化为下游衍生物茉莉酸甲酯（MeJA）、茉莉酸异亮氨酸（JA-Ile）等。

公认安全的酿酒酵母因含有多种细胞器，被该团队优先选择为茉莉素异源从头合成的微生物底盘。合成途径的复杂度为重构工作带来不少挑战，其中，在酵母中找寻适合中间体α-LeA和OPDA合成的场所，是途径重构首要解决的难题。

【4】Nat Plants：中国科学家完成首个多细胞植物染色体的部分设计与合成

doi：10.1038/s41477-023-01595-7

近日，一篇发表在国际杂志Nature Plants上题为“A designer synthetic chromosome fragment functions in moss”的研究报告中，来自北京大学生命科学学院等机构的科学家们通过研究重新设计了染色体序列，极度简化了基因组，对内源序列进行了大幅删减（55.8%），并加入了人工标签。该研究进一步合成并组装了设计序列，并在小立碗藓体内完成了约1/3染色体臂的替换。所获合成株系能够正常生长，合成区域的表观遗传景观也能够正常重新建立。

模式生物小立碗藓的再生效率高、单倍体世代占主导，且具有较高的同源重组能力。因此，研究团队选择了小立碗藓作为多细胞生物基因组合成的底盘，尝试合成基因较少的18号染色体短臂。

该研究选取了小立碗藓18号染色体上一段约155kb 的序列进行合成。采用的设计策略如图1所示。首先对基因组进行简化，删去重复序列，保留编码区以及上游和下游的序列。此外，所有终止密码子被替换成TAA，为以后密码子扩充做铺垫。设计还移动了部分基因的位置。在合成大片段的两侧（浅蓝色部分）具有与内源序列相同的1kb同源序列，用于体内重组替换。此外，合成序列中加入了抗性基因，用于筛选。通过重新设计，155kb的基因组片段被缩减至约68kb。

【5】Nat Nanotechnol：自下而上的合成细胞工程：构建未来生物技术的基石

doi：10.1038/s41565-024-01627-z

合成生物学，一门跨学科的科学领域，旨在重新设计和构造具有新功能的生物系统。这一概念最早可以追溯到20世纪80年代，当时Barbara Hobom首次使用“合成生物学”一词，描述了通过重组DNA技术创造的基因改造细菌。自那时起，合成生物学已经从一个概念性的起点，发展成为一个全球性的研究领域，对生物医学、农业、工业生产乃至能源转换等多个领域产生了深远的影响。

在这一发展过程中，合成生物学不仅推动了生物技术的创新，还促进了全球合作与知识共享。各种合成生物学相关的组织，如SynBio Alliance，成立了网络平台以促进研究成果的应用和技术创新。

这些平台鼓励全球范围内的科研人员、工程师、以及政策制定者之间的协作，共同探索合成生物学的潜力和应用前景。自下而上的合成细胞研究是合成生物学中的一个重要分支，它专注于从最基本的分子组件开始，一步步构建出能够执行生命功能的人工细胞。这一研究方向的目标不仅仅是创造出模拟自然细胞的结构，更重要的是通过这个过程深入理解生命的本质。

随着纳米技术的快速发展，自下而上的合成细胞研究与纳米生物技术之间的联系日益紧密。纳米技术为合成细胞提供了精确操控分子和纳米尺度结构的可能，从而使得构建模拟自然细胞过程中的自组装、信号传导、物质转运等关键步骤成为可能。通过这种跨学科的融合，科研人员能够探索并实现更加复杂、功能丰富的人工生命系统。