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11.0 2025-05-27 12:10:46

于涛课题组长期致力于利用合成生物学方法,解决可持续制造、绿色能源的生物存储与粮食安全等重大问题。在过去几十年里,大气中的CO2通过热化学、电化学、光化学以及一些耦合策略转化为简单的低碳化合物(C1-3)已经取得了巨大进展。然而,通过这些平台生产复杂的化合物是极其困难的。而以这些平台合成的低碳化合物为底物,可通过微生物细胞工厂转化生产高碳化合物。于涛课题组的前期工作(Nature Catalysis 2022 | 二氧化碳还原合成葡萄糖和脂肪酸)表明,通过电化学偶联微生物细胞工厂,成功实现了将CO2变成葡萄糖和脂肪酸(“空气变粮油”),这为将CO2可持续转变成糖衍生食品和化学品提供了一种可行的、高效的方法,其具有更低的成本、更快的速度和更高的生产能力,该成果入选2022年由两院院士评选出的“中国十大科技进展新闻”。随后,于涛课题组又成功的在酵母细胞内构建了一个合成能量系统(细胞“双引擎”设计),可以支持细胞生长并助力脂肪酸高效合成(Nature Metabolism 2022| 理性设计构建合成能量系统双引擎助力细胞工厂)。同时,课题组还利用合成生物学和代谢工程手段,将低碳化合物(C1-3)例如甲醇、乙醇、异丙醇等,转化为糖及糖衍生物,包括葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉等(Nature Catalysis 2024| 二氧化碳衍生的低碳原料制备粮食化合物)。 另外,化学工业还面临着如何有效处理产能过剩的副产品、实现资源最大化利用的重大挑战。面对这一难题,近日,中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组与电子科技大学材料与能源学院夏川和郑婷婷教授团队、中国科学技术大学/安徽工业大学曾杰教授团队合作,以处理酚酮产业的副产品丙酮为例,通过构建电催化和生物催化耦合系统,将过剩丙酮以异丙醇(IPA)为媒介转化为对香豆酸、脂肪酸、番茄红素等高附加值天然产物。相关成果“Upcycling surplus acetone into long-chain chemicals using a tandem electro-biosystem”发表在2025年5月26日的Nature Sustainability《自然·可持续性》期刊上。 文章上线截图 阅读原文:https://wwwnaturecom/articles/s41893-025-01568-y 丙酮是一种常用的化工原料和溶剂,目前主要来源是异丙苯法制苯酚的副产品。然而作为苯酚的伴生物,丙酮与苯酚的市场需求差异却很大,造成丙酮产能超额。在重视绿色和可持续发展的今天,如何实现过剩丙酮的高效利用和转化,成为化工行业面临的重要问题和挑战。基于此,研究者在这项工作中提出了一种电催化-合成生物学协同策略,首先通过催化剂和反应器设计,将丙酮经过电化学加氢得到高纯IPA,随后经过定向基因编辑的微生物发酵转化为高附加值的天然产物,为化工副产物的高效消纳与高值化转化提供了全新的解决方案。 图1:IPA介导的电-生物催化丙酮升值转化。 基于以上思路,首先需要电解丙酮得到高浓度、高纯度的IPA作为生物发酵的原料,即“电子载体”。经济技术分析显示,IPA电合成的经济性依赖于电解效率提升和产物分离纯化过程的成本控制。因此,电子载体的高效合成需要同时对催化剂和反应器设计加以优化。首先,研究者采用应力调控策略,利用引入拉伸应力的钌催化剂(I-Ru)实现了丙酮电化学加氢制异丙醇过程的性能突破。得益于拉伸应力诱导的电子结构优化,I-Ru展现出优异的电催化性能,实现了956%的最大IPA法拉第效率和-240 mA cm-2的IPA偏电流密度。机理实验和理论模拟显示,拉伸应力的引入在降低Ru位点上丙酮加氢能垒的同时,抑制了析氢副反应的发生,从而实现了催化性能的大幅提升。 图2:I-Ru催化剂的结构表征和丙酮电化学还原性能评估。 图3:I-Ru催化剂在丙酮电化学还原中的机理研究。 随后,针对电解产物与电解质溶液分离的问题,研究者采用反向工作模式的双极膜膜电极设计,在避免电解质溶液使用的同时,其内界电场大幅抑制了原料和产物的跨膜损失,结合I-Ru催化剂,实现了纯丙酮到高纯IPA(~100%)的完全转化,并完成了10 cm × 10 cm × 2规模的反应堆栈验证,成功获得了可用于生物发酵的高浓度、高纯度电子载体。 图4:高纯IPA(~100%)的直接电合成。 在此基础上,研究者通过对酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)进行系统的代谢工程改造,使其能够直接利用电化学生成的高纯IPA作为碳源,实现了从C6(对香豆酸)到C10-C18(游离脂肪酸)乃至C40(番茄红素)系列长链天然产物的选择性合成。 图5:基于电合成IPA的生物发酵。 本研究从化工副产物资源化利用的角度出发,不仅为清洁电能驱动传统化学工业革新提供了新思路,更为实现绿色化学制造开辟了新途径。未来的研究将聚焦于双极膜膜电极反应器的优化设计、生物发酵代谢通路的调控以及电-生物催化耦合系统应用的拓展。 电子科技大学教授夏川、教授郑婷婷、中国科学技术大学/安徽工业大学教授曾杰、中国科学院深圳先进技术研究院研究员于涛为本文共同通讯作者。电子科技大学博士后刘春晓、中国科学技术大学特任副研究员赵建康和中山大学副教授/原中国科学院深圳先进技术研究院副研究员汤红婷为共同第一作者。本研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省自然科学基金、广东省重点领域研发计划、深圳市科技计划、招商局集团、中海石油化学公司及深圳合成生物学创新研究院等多个项目的资助。 PI课题组简介 于涛,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员,博士生导师,合成生物进化研究中心课题组组长,国家级青年人才,国家重点研发计划青年项目首席科学家。 团队致力于利用合成生物学方法解决可持续制造,绿色能源存储与粮食安全等全球性的问题与挑战。团队与招商局集团,中海石油化学公司等大型央企成立有联合实验室。近五年来研究成果以通讯作者发表在Nature Catalysis(2篇),Nature Metabolism, Nature Sustainability,Nature Communications等国际知名期刊。其中CO2直接合成葡萄糖与脂肪酸的成果获得两院院士评选的2022年度“中国十大科技进展新闻”和2022年度Falling Walls国际创新科学突破大奖。 课题组长期招聘具有分子生物学、微生物学、代谢工程、合成生物学、蛋白质工程、生物化学等相关研究背景博士后,在课题组负责人的指导下,独立开展研究工作。 方向一:人工从头合成细胞 自下而上合成生物学研究思路是用无生命物质,如DNA分子、蛋白质分子等,通过自组装的手段人工重构细胞功能,通过构建生命以理解生命。该方向利用合成生物学理念,从物质代谢与能量代谢角度参与设计与构建人工细胞。 方向二:微生物细胞工厂的设计与构建 通过人工设计,打破并且重塑细胞的底层代谢框架,偶联产物的合成与细胞的生长,构建高附加值化学品的细胞工厂。 有意申请者请将个人简历(要求为PDF)以发送至taoyu@siataccn,简历及邮件标题注明“博士后应聘-姓名”。
合成 课题组 实现 转化 研究
肖雨   2025-05-28 12:14:17

10.801963 2025-05-14 14:24:46

5月13日,中国科学院深圳先进技术研究院的李汉杰团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Immunology发表了题为 “The Microglial Lineage: Present and Beyond”的论点文章。 文章上线截图 文章链接:https://doiorg/101016/jit202504001 基于外周组织中存在具有小胶质细胞特征的免疫细胞的研究进展,该文章提出使用“小胶质细胞谱系”这一术语,统一定义此类细胞和经典中枢神经系统小胶质细胞。小胶质细胞谱系是指具有小胶质细胞分子表型特征,相同胚胎起源的组织驻留免疫细胞,但其组织分布和功能呈现多样性。 中枢神经系统(CNS)小胶质细胞的发现 小胶质细胞的发现是神经生物学领域的里程碑(图1A)。过去一个世纪的研究表明,小胶质细胞是大脑健康的“守护者”,在发育、稳态维持、免疫监视及神经退行性疾病中发挥关键作用。 以词源学角度,“microglia”(希腊语“micro-”意为“微小”)指代胞体较小的胶质细胞。广义的“胶质细胞”(希腊语“glue”,意为“胶水”)概念起源于19世纪中叶,反映早期学界将其视为神经系统的“粘合剂”。尽管“星形胶质细胞”一词于19世纪末被提出,但直到1919年,Pío del Río-Hortega才通过新型染色技术从小胶质细胞和少突胶质细胞中区分出星形胶质细胞,明确定义了具有独特小胞体特征的小胶质细胞。后续研究将视网膜中具有类似形态和染色特征的细胞也归入此范畴。尽管Pío del Río-Hortega从未将小胶质细胞严格限定于CNS,但由于历史研究重点和技术限制,学术界长期认为小胶质细胞仅存在于CNS。 图 1:小胶质细胞谱系是指包含小胶质细胞转录组和相同发育的免疫细胞。(A) 时间轴展示了小胶质细胞谱系的发现历史。(B) 示意图展示了小胶质细胞谱系在人类中的发育起源、组织分布和功能。 外周类小胶质细胞的发现 单细胞基因组学以前所未有的精度揭示了细胞多样性,改变了生物学的传统研究范式。它能够以单细胞和转录组分辨率进行跨组织比较,重新定义对细胞亚群定义的理解,挑战了长期以来认为某些细胞具有严格组织特异性的观念。此外,单细胞基因组学技术、先进的计算生物学技术,和时间分辨率采样技术相结合,有望揭示人类和其它不常见物种中不同细胞类型的个体发育。 基于单细胞测序技术,近期在人类及非啮齿类动物外周组织中发现,与CNS小胶质细胞具有相同转录组、表观遗传特征和相同卵黄囊起源的免疫细胞(图1A)。通过无偏性分析人类胚胎发育不同阶段的多个器官/组织单细胞转录组数据,作者团队及其他研究者发现:在胎儿皮肤、睾丸、心脏及外周神经系统(PNS)中,存在一类具有小胶质细胞转录组特征(表达P2RY12、SALL1、TMEM119,不表达MRC1、DAB2、LYVE1)的免疫细胞群。流式细胞术及免疫组化进一步证实,此类细胞为 CD45lowMRC1-P2RY12+,与CNS小胶质细胞高度相似,而非其他组织定居巨噬细胞。稳态下,它们呈现典型分支状形态(胞体延伸出树突状结构)。时序性单细胞转录组联合原位免疫荧光染色表明,这些外周类小胶质细胞与其CNS对应物同步出现于神经管发育阶段,并可能起源于卵黄囊巨噬细胞祖细胞。表观遗传分析进一步显示,PNS类小胶质细胞与CNS小胶质细胞具有相同特征。综上,这些外周类小胶质细胞与CNS小胶质细胞共享转录组、蛋白标记、形态、表观遗传及胚胎起源(图1A)。 小胶质细胞谱系:具有小胶质细胞分子表型与胚胎起源的组织驻留免疫细胞 尽管Pío del Río-Hortega的早期研究聚焦于CNS,但其染色技术主要针对神经组织,限制了对外周区域的探索。后续啮齿类动物研究(小鼠和大鼠)强化了“小胶质细胞仅存于CNS”的观点。然而,近期单细胞基因组学研究在人类及非啮齿类外周组织中发现了与小胶质细胞具有相同分子特征及卵黄囊起源的细胞(Table 1)。这些发现挑战了传统认知,表明小胶质细胞谱系是一类分布广泛且具有器官特异性功能的独特免疫谱系(图1B)。 文章提出使用“小胶质细胞谱系”统一指代CNS小胶质细胞及其外周同类细胞。该术语强调此类细胞共享小胶质分子表型与胚胎起源,代表一类广泛分布的定居免疫细胞(图1B)。这一命名方案符合现代细胞分类学原则,可避免术语混淆,并促进跨器官比较研究。 1 符合现代细胞分类学:传统细胞分类依赖有限标记物(如IBA1)和形态特征,而单细胞技术可基于分子与发育特征进行无偏分类。将组织定居巨噬细胞亚群纳入“小胶质细胞谱系”,体现了以发育关系和分子状态为核心的分类原则。 2 避免术语混淆:“类小胶质细胞”一词常被误用于iPSC衍生模型、单核细胞来源的CNS浸润细胞或仅表达部分小胶质相关基因(如TREM2、CX3CR1)的外周巨噬细胞。而通过多组学分析和跨组织比较鉴定的外周小胶质细胞谱系,在分子与发育层面与CNS小胶质细胞同源。将其归入“小胶质细胞谱系”可明确其生物学独特性。基于其与神经系统的关联,作者建议将PNS类小胶质细胞命名为“PNS小胶质细胞”。 3 促进跨器官比较:小胶质细胞谱系在CNS中调控突触修剪等神经功能的分子机制,可能在外周被“改造”用于调控神经嵴细胞分化或神经元成熟。统一命名有助于揭示该谱系在不同组织中的保守与特化功能。 外周小胶质细胞谱系的功能意义 外周小胶质细胞谱系在不同组织(包括胎儿皮肤、睾丸、心脏和周围神经系统)中表现出显著的多样性空间分布(图 1B)。它代表着一个多样化的驻留巨噬细胞群,这些巨噬细胞在不同器官中发挥着特殊作用,它们源于胚胎但又适应于不同的组织微环境。在胎儿皮肤中,小胶质细胞谱系分布于表皮,并与神经嵴细胞发生物理相互作用,促进神经嵴细胞分化为黑素细胞前体。在睾丸中,它们在发育和成年期聚集于睾丸的输出管和附睾管周围。在心脏中,它们在发育过程中主要定位于心脏的主动脉壁。它们在睾丸和心脏中的功能仍在研究中。在感觉神经节(例如背根神经节,DRG)和交感神经节(SG)内,PNS 小胶质细胞将神经元胞体包裹在由卫星胶质细胞 (SGC) 形成的膜内,与神经元胞体形成直接的物理界面。这些相互作用通过调节神经元胞体增大和轴突生长,对神经元成熟至关重要。PNS 小胶质细胞的缺失会损害神经元的兴奋性和躯体感觉。多样化的组织分布和功能凸显了小胶质细胞谱系细胞对其微环境的适应性及其在组织发育和体内平衡中的关键作用(图 1B)。 未来研究展望 为了全面了解小胶质细胞谱系,在未探索的组织、发育阶段和物种中鉴定新的亚群至关重要。跨物种比较研究至关重要,因为小鼠和大鼠中缺乏关键亚群(例如皮肤和 PNS 中的亚群)。通过对不同物种不同组织中小胶质细胞的存在进行系统发育分析,不仅可更好地理解小胶质细胞谱系的进化保守性和分化性,而且还可揭示进化和发育压力如何塑造小胶质细胞谱系在不同生态位中的可塑性。进一步阐明组织微环境如何塑造它们的表型和功能,将有助于阐明它们对不同组织体内平衡的贡献。由于CNS小胶质细胞参与不同的病理状况,而探索外周小胶质细胞谱系是否以及如何在男性不育、心血管疾病和周围神经病变等疾病中发挥作用,值得未来关注。填补这些研究空白将加强小胶质细胞谱系的进化多样性、组织共同和特异适应性及其与人类疾病相关性的理解。 结语 本文提出“小胶质细胞谱系”这一术语,以整合中枢神经系统与外周组织中具有相同小胶质细胞分子特征及发育起源的免疫细胞。这一分类方案旨在减少术语混淆、促进跨学科研究,并强调其进化连续性。但是最终该术语的适用性,需经科学界广泛讨论与共识确认。该研究获国家自然科学基金、深圳市医学研究专项资金、国家科技部重点研发计划、深圳市科技计划,以及深圳合成生物学创新研究院科研计划等多个项目的支持。
细胞 胶质 研究 谱系 组织
肖雨   2025-05-20 14:28:59

10.075183 2025-05-08 11:19:19

新月柄杆菌(Caulobacter crescentus)因其独特的不对称分裂特征常被用于研究细胞分化、极性分裂以及与细胞周期相关的分子调控机制,被认为是研究单细胞向多细胞生命转变的模式微生物。然而,新月柄杆菌的遗传操作手段费时、费力且效率低,严重影响了对其深入研究的潜能。 近日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所赵国屏院士,赵维研究员团队联合上海交通大学在Nucleic Acids Research上发表题为“A CRISPR/SpCas9M-reporting system for efficient and rapid genome editing in Caulobacter crescentus”的方法论文,针对上述问题,开发了一套基于CRISPR/SpCas9M的基因编辑报告系统,实现了对新月柄杆菌高效、快速且无痕的基因编辑。该项工作不仅为新月柄杆菌的遗传操作提供了强有力的工具,也为解决其它难以进行遗传操作的非模式菌提供了新的技术思路和方法学参考。 文章上线截图 原文链接:https://academicoupcom/nar/article/53/8/gkaf353/8121645?login=true 图1 CRISPR/SpCas9M-报告系统的作用原理 设计:CRISPR/SpCas9M-报告系统 研究团队最初构建了一个基于同源重组(HR)的CRISPR/Cas系统。将Streptococcus pyogenes来源的SpCas9、sgRNA和同源臂(H-arms)克隆至携带pBBR1复制子的复制型质粒pBXMCS2中。为了实现无痕编辑,在同源臂之间未设计任何抗生素抗性基因。然而,将该编辑质粒电转化至新月柄杆菌后,发现获得极少甚至无菌落,并且存活菌株的靶位点均未发生预期编辑。这表明CRISPR/SpCas9的切割具有致死性,而该菌细胞内的同源重组(HR)效率又相对较低。 为实现有效的靶向基因编辑,研究团队对编辑质粒进行了系统性分析,并围绕三个关键方向进行了优化。 首先,研究人员筛选了来自不同物种的Cas蛋白,包括Streptococcus pyogenes Cas9 (SpCas9)、Francisella novicida Cas12a (FnCas12a), Streptococcus thermophilus CRISPR1-Cas9 (Sth1Cas9)和Streptococcus thermophilus CRISPR3-Cas9 (Sth3Cas9),以评估它们在新月柄杆菌中的编辑效率,结果发现上述所有Cas蛋白均未检测到编辑克隆。然而,当根据新月柄杆菌的密码子偏好性优化SpCas9编码序列(命名为SpCas9M)后,基因编辑效率可达到15%左右。 其次,研究团队通过调控SpCas9M的表达水平来提升编辑效率。研究人员测试了两种诱导型启动子,香草酸诱导型启动子(Pvan)和木糖诱导型启动子(Pxyl),检测不同诱导剂浓度下的基因编辑效率。结果发现相对较低的SpCas9M表达水平更有利于新月柄杆菌的基因组编辑,编辑效率最高可达到40%左右。 最后,通过分析未发生基因组编辑的克隆中的编辑质粒,研究人员惊奇的发现这些克隆的SpCas9M编码序列均存在缺失。这一现象证实了CRISPR/SpCas9系统的致死性,并表明新月柄杆菌中存在着强烈的选择性压力。基于此,研究人员提出假设:通过预先识别并排除这些SpCas9M突变体,可有效提升在新月柄杆菌中的表观编辑效率。为此,研究人员在SpCas9M的C端融合了超折叠绿色荧光蛋白(sfGFP)作为报告系统,通过荧光信号指示,在菌落PCR前筛选并排除SpCas9M异常表达的克隆。最后,总体实现编辑效率达到80%左右,研究团队将其命名为CRISPR/SpCas9M-报告系统。 图2 CRISPR/SpCas9M-报告系统的搭建过程 应用1:基因的单敲除、双敲除和敲入 在新月柄杆菌中,不对称细胞分裂由一对激酶(DivJ)和磷酸酶(PleC)协同调控。DivJ与PleC在细胞两极的差异性定位形成磷酸化梯度,从而调控子代细胞的命运决定。值得注意的是,DivJ和PleC的极性定位并非主动过程,而是通过不同脚手架蛋白介导的招募机制实现。已有研究表明,位于细胞旧极的DivJ由PopZ-SpmX脚手架蛋白复合体招募,而位于细胞新极的PleC则通过脚手架蛋白PodJ实现定位。 为在遗传学层面验证上述蛋白互作关系,研究人员利用CRISPR/SpCas9M-报告系统对新月柄杆菌中的spmX和podJ基因分别进行了敲除。随后,研究人员将mCherry荧光标记的DivJ和PleC蛋白分别转化至上述敲除菌株中,并利用倒置荧光显微镜观察其定位情况。通过柄状结构指示细胞极性发现:在野生型菌株中,DivJ-mCherry特异性富集于细胞旧极,而PleC-mCherry则特异性定位于细胞新极;然而,当spmX基因被敲除后,DivJ-mCherry丧失极性定位能力;类似地,敲除podJ基因后,PleC-mCherry在细胞内呈现弥散性分布。上述结果表明,脚手架蛋白SpmX和PodJ通过直接相互作用维持DivJ/PleC的极性定位。 图3 DivJ-mCherry和PleC-mCherry分别在单敲除突变体ΔpodJ和ΔspmX中的分布 研究人员还依次敲除podJ和spmX基因构建了双突变菌株,双突变株ΔpodJ-ΔspmX中DivJ-mCherry与PleC-mCherry均呈现弥散分布。值得注意的是,敲除podJ不影响DivJ-mCherry的定位,敲除spmX也不影响PleC-mCherry的定位,表明脚手架蛋白与信号蛋白间存在正交调控关系。 图4 DivJ-mCherry和PleC-mCherry在双敲除突变体ΔpodJ-ΔspmX中的分布 迄今为止,科学家尚未能实现新月柄杆菌中无标记的基因插入。为解决这一难题,研究人员应用CRISPR/SpCas9M-报告系统测试了靶向基因插入的可行性。利用基因敲入进行功能获得性研究时,研究人员选择中性插入位点(Neutral Insertion Site, NIS)以避免基因极性效应。研究人员通过targetFinder鉴定出一组新月柄杆菌潜在中性插入位点,并选取评分最高的NIS位点。当利用CRISPR/SpCas9M-报告系统将Pcat-mcherry敲入到中性位点后,倒置荧光显微镜下可观察到菌株内的mCherry红色荧光信号,证实该基因被正确插入且有效转录翻译。此外,敲入菌株均未检测到明显的生长及形态学改变,表明这些插入位点不会对新月柄杆菌的适应性造成显著影响。 图5 在NIS位点敲入Pcat-mcherry后的表型鉴定 应用2:在中华根瘤菌和农杆菌中应用CRISPR/SpCas9M-报告系统 作为新月柄杆菌的近缘物种,中华根瘤菌(S meliloti)与农杆菌(A fabrum)分别是植物共生菌与病原菌,二者在现代农业生物技术中均具有重要价值。其中,苜蓿中华根瘤菌近年来还被用作天然产物发酵的细胞工厂。然而,由于缺乏有效的细胞同源重组活性,这两种细菌均面临高效基因编辑的难题。近来,针对农杆菌与中华根瘤菌已分别开发出基于CRISPR的碱基编辑器与转座子介导的基因组编辑工具。尽管如此,对于经典的基因敲除与插入仍是该领域面临的重要技术挑战。 为此,研究人员测试了CRISPR/SpCas9M-报告系统在农杆菌与中华根瘤菌中的编辑能力。实验选择编码胸苷激酶的tdk基因作为靶标,该酶通过将5-氟-2′-脱氧尿苷(5-FUdR)磷酸化为毒性类似物氟-dUMP(F-dUMP),使细胞对5-FUdR敏感。为验证编辑菌株表型,在含200 μg/ml 5-FUdR的PYE平板上进行生长实验。结果显示:Δtdk菌株可在含5-FUdR的平板上存活,而野生型中华根瘤菌与农杆菌则无法生长。 图6 tdk敲除突变体的鉴定 综上所述,本研究开发的CRISPR/SpCas9M-报告系统相较于现有工具展现出显著优势,其成功应用于中华根瘤菌与农杆菌等农业重要微生物的基因组编辑,表明该系统可进一步扩展至微生物组研究或生物制造领域相关的其他遗传操作困难物种。此外,该系统支持快速、迭代的遗传操作,为基因功能研究与合成通路构建提供了理想工具。未来,对CRISPR逃逸机制的深入解析将指导设计更为稳健的CRISPR/Cas工具。CRISPR/SpCas9M-报告系统的建立不仅彰显了可靠基因组编辑平台的重要性,更为微生物遗传学、合成生物学及其他生物技术领域的创新发展提供了基础。 中国科学院深圳先进技术研究院研究员赵维、上海交通大学教授艾连中为本文共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员孙敬贤、研究助理余昕为共同第一作者。本工作获得了中国科学院院士赵国屏、中国科学院深圳先进技术研究院研究员戴磊和山东大学教授王海龙的大力支持和帮助;本研究获得了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金,以及深圳合成生物学创新研究院科研计划等多个项目的资助。
研究 基因 SpCas 编辑 杆菌
肖雨   2025-05-12 11:35:28

9.915291 2025-05-07 11:41:06

工业废水、石油泄漏和塑料污染对海洋生态安全构成严重威胁,其中单环芳烃(MAHs)、多环芳烃(PAHs)等有机污染物具有毒性强、难降解的特点。在实际场景中,污染物又经常以复合的形式出现,即多种污染物同时存在且相互作用,从而极大增加了微生物降解的难度。自然界中的天然微生物通过进化,可实现某些污染物的分解,然而受基因种类、酶催化效率及遗传稳定性等方面的限制,目前仍无法实现对复合污染物的高效降解。此外,因微生物降解所涉及的基因种类和数目多,常规基因工程技术对菌株设计和改造的速度和深度非常有限。尽管已有研究尝试通过微生物群落联合处理复合污染物,然而其效率低、稳定性差,且在高盐环境中难以实现规模化应用。近年来飞速发展的合成生物学技术为降解菌株的构建提供了可能,然而亟需兼具快速生长、高盐耐受和易基因编辑等特性的理想“底盘细胞”。 2025年5月7日,中国科学院深圳先进技术研究院/中国农业科学院深圳农业基因组研究所(岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心)戴俊彪团队与上海交通大学唐鸿志团队合作在国际顶级学术期刊Nature上发表了题为“Bioremediation of complex organic pollutants by engineered Vibrio natriegens”的研究论文。利用合成生物学技术,成功建立了基于需钠弧菌(Vibrio natriegens)Vmax的工程化污染物降解底盘体系,构建出高盐环境中可高效降解复合有机污染物的工程菌株VCOD-15。该项研究为解决石化废水排污、海洋石油泄漏等全球性环境问题提供了全新的技术方案。 文章上线截图 原文链接:https://wwwnaturecom/articles/s41586-025-08947-7 1 底盘菌株筛选与耐盐机制解析 首先,研究人员对多种污染物降解底盘细胞进行对比,发现需钠弧菌(Vibrio natriegens)在300 g/L至500 g/L盐浓度(LB3、LB5 培养基)下可表现出更高的生物量和污染物耐受性,其外排泵基因(marA、acrAB-tolC)及 ABC 转运蛋白基因转录显著上调,增强了对有毒物质的排出能力。通过分析不同启动子功能,确定组成型启动子 P25 和诱导型启动子 PT7 为高效表达元件,为后续外源基因导入奠定基础。 图1 需钠弧菌与三种模式菌株不同培养基培养的生物量对比 图2 在含有污染物的LB1/4、LB、LB3和LB5培养基中,候选菌株的生长速率比较 2 自然转化效率增强 tfoX 基因强化:将来自霍乱弧菌的自然转化调控基因tfoX整合到 Vmax 的染色体上,构建菌株VCOD-2。测试表明VCOD-2可高效整合外源DNA片段(即使低至 05 ng)到细菌基因组,转化效率可提升数倍。同时,线性 DNA 片段(> 1kb)的转化效率可提升 3-5 倍,且无抗性标记残留,降低了抗性基因随水平基因转移发生环境泄露的生物风险,减少了工程菌株改造中对抗性标记的依赖性。 图3 调控基因tfoX整合位点及线性 DNA 片段的转化效率 插入位点选择:研究者在Vmax 染色体上鉴定了 12 个中性基因组位点,作为候选基因簇的插入位点。其中,chr2_297 位点表现出最优的基因整合特性,可稳定整合长度达 43 kb的合成基因簇,且整合过程未对宿主菌的正常生长造成显著影响,为后续多基因簇的高效串联整合提供了理想的基因组平台。 图4 基因组插入候选位点及最优基因整合位点测试 3 人工降解基因簇的设计、合成和功能验证 基因簇设计:人工挖掘并设计了多条化合物降解基因簇,通过基因合成与组装技术,构建了VCOD-3至VCOD-11系列包含单条降解基因簇的工程菌株并完成了降解功能测试。选择了针对联苯(bphA1234BCDHIJK)、苯酚(dmpLMNOP)、萘(nahAabcdBCDEF)、二苯并呋喃(dbfA1234BC)、甲苯(xylMNABC)的降解基因簇为候选,并确保其在需钠弧菌中的高效表达。 图5 VCOD-3至VCOD-11系列单降解基因簇工程菌株及降解功能测试 4 INTIMATE 技术的开发和多污染物降解途径构建 迭代自然转化法(INTIMATE):针对传统单次转化难以整合大片段基因簇的问题,利用酵母体内组装技术,实现了多个降解基因簇(覆盖单环到多环、杂环有机污染物)的构建。进而利用同源替换策略,迭代整合 5 个功能基因簇(总长度 43 kb)到细菌基因组,构建了多功能菌株 VCOD-15。 图6 迭代自然转化法(INTIMATE)示意图 5从实验室到实际环境的修复效能验证 (1)单一与复合污染物降解能力 单菌株多底物处理:VCOD-15 工程菌株在 48 小时内对5种目标污染物的去除率均超 60%,其中联苯降解率达100%,甲苯、二苯并呋喃降解率近 90%,显著优于天然降解菌。 图7 VCOD-15 对五种目标污染物降解实验 (2)实际场景应用效果 高盐环境适应性:在盐度高达 1025 g/L 的氯碱工业废水(BZ I)和 525 g/L 的石油炼化废水(DL I)中,对照菌株无法生长,而VCOD-15 仍保持活性,体现了其独特的耐盐优势。 图8 工业废水样品中Vmax与三种模式菌株的生长曲线 废水处理系统:在活性污泥反应器中,12 小时内可完全去除高浓度污染物(10 mM 联苯、15 mM 苯酚等);多平行生物反应器测试显示,48 小时内工业废水中污染物残留量均低于检测限的 2%,且菌株在复杂微生物群落中占比稳定(40% 以上)。 图9 VCOD-15在活性污泥生物反应器中对复杂污染工业废水样品的生物修复 土壤修复潜力:在含盐土壤中,8 天内联苯、苯酚、萘、二苯并呋喃的净降解量分别达 016、066、021、003 mmol/kg,同位素标记实验证实了污染物被有效的进行了降解。 图10 VCOD-15土壤修复实验 综上所述,本研究成功开发了基于需钠弧菌的复合污染物工程菌构建平台,实现了从代谢通路的挖掘、设计和合成到单一、复合污染物降解菌株的构建、测试、以及在实际工业废水样本处理应用的全流程,为石化、氯碱等高盐废水处理、海上石油泄漏、微塑料污染等全球性挑战提供了生物解决方案。同时,INTIMATE技术为多基因簇工程底盘的构建提供了通用技术平台,使得同一菌株中多种代谢功能的整合以及优质菌种的迭代功能拓展成为可能,可扩展至其他污染物降解体系的构建乃至天然产物合成、高值化学品细胞工程构建等合成生物学应用场景。 本研究成果是我国科研人员在合成生物学技术应用以及跨学科合作方面的又一重大突破。利用团队在大规模的DNA设计合成和代谢途径改造优化方面所积累的合成生物学前沿技术,实现了环境微生物中不同物种来源的人工降解代谢体系的适配与优化,从而在单一菌株中完成了芳香类复合污染物(苯及其衍生物、多环芳烃)的稳定、高效组合降解。 中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员苏聪博士、上海交通大学致远荣誉计划博士生崔浩天和副研究员王伟伟博士为本文共同第一作者。中国农业科学院深圳农业基因组研究所(岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心)/中国科学院深圳先进技术研究院戴俊彪研究员和上海交通大学唐鸿志教授为本文的通讯作者。文章的合作者还包括上海交通大学博士生程振宇(明志博士生计划)、致远荣誉计划博士生杨梦乔、博士生李晔、科研助理何思炀,深圳先进院刘永博士、硕士研究生王晨、科研助理瞿利文,中国农科院基因组所科研助理郑佳欣、蔡悦进、赵平平。上海交通大学许平教授、李跃辉教授和中国科学院天津工业生物研究所王钦宏研究员为本研究提供了相关帮助和支持。本研究获得了国家重点研发计划(2021YFA0909500)、国家自然科学基金(32030004)、广东省科技计划项目、深圳市科技计划和中国农业科学院创新计划等多项经费支持。 专家点评 (1)邓子新院士专家点评: 中国科学院院士,第三世界科学院院士(Fellow,TWAS),美国微生物科学院院士(Fellow,AAM)。 研究团队积极响应国家"十四五"生态环境科技创新规划要求,充分发挥合成生物学在大规模DNA设计合成和代谢网络重构方面的技术优势,成功构建了可同时降解五种典型芳香类污染物的工程菌株。此项工作不仅证明了合成生物学在复杂环境问题中的解决能力,更通过INTIMATE技术重新定义了微生物底盘的工程化上限。其技术框架可快速移植至重金属生物吸附、微塑料解聚等场景,预计将推动环境生物技术从"单一功能强化"向"人工生态系统构建"的范式转变。是前沿技术推动实际应用的一项突破性进展,同时也会引起合成生物学领域之外许多研究人员的极大兴趣。 (2)江桂斌院士专家点评: 中国科学院院士、发展中国家科学院院士 由于污染场地菌株生长条件恶劣、多数实际场地具有多种污染物共存等特点,这实际上限制了环境微生物在环境污染物治理中的应用。用合成生物学手段改造的工程菌株可以克服天然菌株的若干缺点,代表了生物修复技术未来的发展趋势。 VCOD-15菌株的开发实现了高盐环境下的多种不同结构污染物的同时降解,不仅给高盐废水污染的修复提供了新的解决方案,而且建立了在抗逆底盘菌株基因组上整合多条污染物降解基因簇,并实现功能适配、应用测试的全流程研究范式。 期待这种研究范式可以为更多底盘菌株的改造所借鉴,并推广至更多污染物共存场地的生物降解与修复,特别是持久性有机污染物(POPs)、内分泌干扰物等新污染物的降解,为我国环境生物技术发展,以及保护生态环境和提升健康水平做出贡献。
污染物 基因 菌株 降解 技术
肖雨   2025-05-08 11:48:44

9.910819 2025-05-07 11:02:44

水平基因转移作为微生物进化与生态适应的核心驱动力,深刻影响着基因组结构、功能多样性及群落动态,深入解析这一过程的调控机制,将为合成生物学和微生物组工程提供突破性的研究工具与理论框架。 然而,该领域仍面临重大挑战:微生物间通过质粒、转座子和噬菌体等载体形成的基因流动网络不仅结构复杂,更在生态演替过程中呈现动态变化特征。这种复杂性使得精确调控基因流动成为当前研究的难点,其根本原因在于我们对这一复杂过程的基本定量规律缺乏理性认知。 针对这一科学瓶颈,中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所王腾研究员发表系列研究,构建了跨尺度研究体系:通过整合定量实验、计算模型和组学大数据,从个体细胞、单一群落、集合群落三个复杂度层次,时空两个维度,系统探索了水平基因转移的定量规律。这一多尺度研究框架为理解微生物基因流动提供了全新的理论基础和方法学支撑。 5月1日,王腾研究员课题组在Molecular Systems Biology上发表了题为“Spatial entropy drives the maintenance and dissemination of transferable plasmids”的研究论文。该工作首次将物理学中“熵”的概念引入微生物生态学,揭示了空间结构驱动基因水平转移的普适机制。 文章上线截图 文章链接:https://doiorg/101038/s44320-025-00110-8 质粒作为可转移遗传元件,是抗生素耐药基因(ARGs)传播的主要载体,其扩散机制的研究对遏制耐药性爆发至关重要。经典理论基于均匀混合环境假设,提出质粒维持需高转移率阈值,但自然微生物群落普遍存在空间异质性(如生物膜、微塑料聚集),现有模型难以解释复杂环境中质粒的稳定性。传统理论预测与实际观测的差距(如自然质粒转移率常低于理论阈值)表明,空间结构对基因流动的影响尚未被充分解析,亟需建立整合空间异质性的理论框架。 本研究通过构建集合群落动力学模型,结合实验验证与基因组大数据分析,揭示空间熵(量化空间异质性的指标)对质粒传播的核心作用。理论模拟表明,空间熵越低(即空间异质性越高),质粒的扩散速度和全局维持能力越强。低熵环境通过增加局部细胞密度波动,提升了质粒的有效转移率,从而突破了经典理论预测的质粒维持阈值,使得低转移效率的质粒也能长期存在。在大肠杆菌的合成微生物群落中,人为调控空间熵(通过调整细胞密度分布)证实了低熵环境显著提高质粒传递效率。进一步分析34,688个原核基因组大数据发现,携带生物膜形成相关基因(BFGs,低熵环境标志)的原核生物基因组中,质粒、抗生素抗性基因(ARGs)、转座酶和毒素/抗毒素系统基因更丰富,验证了低熵环境促进可移动遗传元件(MGEs)的进化优势。 图1 本工作的核心研究思路 本研究首次将物理学“熵”概念引入微生物生态学,揭示了空间结构驱动基因水平转移的普适机制,挑战了均匀环境假设下的经典理论,为耐药性传播预测提供了新思路,推动生态学与进化理论的整合。实际应用中,提出通过调控环境熵(如破坏生物膜、减少微塑料污染)抑制ARGs扩散的策略,为公共卫生管理及微生物组工程提供了关键理论工具,为抗生素抗性管理提供新靶点(如干预生物膜形成)。此外,跨学科整合模型构建-实验-大数据的方法,为解析复杂生态系统中的进化动力学树立了范例。 3月3日,王腾课题组在eLife上发表了题为“Emergence of alternative stable states in microbial communities undergoing horizontal gene transfer”的研究论文。该工作基于多尺度微生物生态学模型,系统揭示了复杂微生物生态系统中多稳态的涌现机制。 文章上线截图 文章链接:https://doiorg/107554/eLife995933 微生物群落在相同环境中常呈现不同的稳定状态,但其多稳态的起源机制尚不明确。以往研究聚焦于物种互作和资源竞争,而水平基因转移(HGT)作为微生物进化的重要驱动力,其作用长期被忽视。HGT通过可移动遗传元件(MGEs)改变宿主生长速率和种间相互作用,可能重塑群落稳定性,然而HGT如何影响多稳态的形成仍缺乏系统性研究。理解这一机制对揭示微生物群落动态及调控具有重要意义。 本研究构建数学模型,结合数值模拟分析HGT对微生物群落稳定性的影响。结果显示,HGT通过促进物种间基因交流,显著增加两物种及多物种群落的稳态数量,尤其在生长速率相近且竞争激烈的物种中更为显著;MGEs的表型效应(如增强生长或改变竞争强度)决定HGT对多稳态的促进或抑制作用,正向表型效应扩大稳态区域,而负向效应削弱;在抗生素选择压力下,HGT使耐药基因扩散,创造新稳态;集合群落模拟表明局部多稳态通过空间异质性提升区域多样性。研究还探讨了稀释率、质粒互作等参数的影响,验证了模型的稳健性。 图2 水平基因转移促进群落多稳态的涌现 ​​本研究首次系统揭示了HGT驱动微生物群落多稳态的机制,填补了生态与进化理论的空白。结果为预测群落状态转变(如肠道菌群失调)、设计微生物工程策略(如通过抑制HGT稳定有益群落)提供了理论依据。同时,阐明了局部多稳态对区域多样性的贡献,为生态保护和生物修复提供了新思路。这一框架将促进跨尺度微生物动态研究,助力精准调控复杂微生物系统。 此前不久,王腾团队在Communications Biology上发表了题为“The evolutionary landscape of prokaryotic chromosome/plasmid balance”的研究论文。该工作解析了原核生物染色体/质粒平衡的多层次选择机制,为质粒的演化动力提出了全新的理论框架。 文章上线截图 文章链接:https://wwwnaturecom/articles/s42003-024-07167-5 质粒作为原核生物中广泛存在的可移动遗传元件,在微生物进化、抗生素抗性传播及病原毒力扩散中扮演核心角色。依据传统达尔文进化理论,质粒的存续依赖于宿主表型选择(如宿主生长负担的降低),但近年研究发现,非表型选择(如质粒自身复制效率、水平转移能力)同样显著影响其稳定性。例如,人类肠道中广泛存在的pBI143质粒虽无明确功能基因且面临强选择压力,挑战了传统表型选择范式。然而,现有研究多聚焦单一选择压力,对两种力量如何共同塑造染色体/质粒平衡缺乏系统性定量模型,尤其缺乏对代谢资源分配、宿主基因组规模等内在因素的动态解析。这一理论空白限制了对质粒多样性的进化解释,也阻碍了临床耐药基因传播的精准干预。 本研究构建了一个代谢通量模型,模拟染色体与质粒基因在细胞内资源竞争中的动态平衡。通过粗粒化随机网络和通量平衡分析,模型量化了表型选择(宿主生长负担)与非表型选择(质粒自我维持能力)的强度,揭示二者随质粒/染色体大小变化的权衡关系。模型预测了质粒进化中的“最优平衡点”,并通过分析NCBI数据库中15,713个含质粒的原核基因组数据验证:染色体增大推动质粒规模上限提升,而小质粒因非表型选择压力易被淘汰,与理论预测的进化景观一致。 图3 染色体与质粒基因在细胞内资源竞争与动态平衡理论 该研究提出“多层次选择”理论框架,首次将表型与非表型选择的动态拮抗关系定量化,为质粒多样性起源提供了普适性解释。理论层面,模型揭示了原核生物基因组可塑性的进化边界,即染色体规模通过代谢网络复杂度调控质粒存续阈值,这为理解古菌-细菌质粒分布差异提供了新视角。实践层面,研究对临床控制耐药基因传播(如优化质粒干预策略)和合成生物学(如设计稳定工程质粒)具有应用价值。此外,研究强调代谢网络复杂度对质粒动态的影响,为评估病原菌风险提供了新思路。 中国科学院深圳先进技术研究院的博士后薛文智(MSB共同一作,Communications Biology一作)和研究助理洪居恳(MSB共同一作,eLife一作)为系列论文的第一作者。这些研究获得了科技部合成生物学重点研发计划,国家自然科学基金面上项目,青年项目,深圳合成生物学创新研究院科研计划等多个项目的支持。
质粒 研究 理论 基因 微生物
肖雨   2025-05-08 11:07:56

8.067247 2025-04-28 11:12:32

染色体外DNA(extrachromosomal DNA,ecDNA)是一种独立于染色体存在的环状DNA分子,在30-50%的恶性肿瘤患者中被检测到。尽管早在1965年研究人员就在神经母细胞瘤中观察到其存在(当时称为双微体),但受限于技术手段,其存在的生物学意义长期未被阐明。研究发现,ecDNA可携带完整的致癌基因(如MYC、EGFR)及其增强子序列。当这些基因从染色体脱落并环化形成ecDNA后,原本的表观遗传修饰(如DNA甲基化和组蛋白修饰)记忆丢失,导致癌基因的异常激活(图1)。 临床证据表明,携带ecDNA的肿瘤患者往往表现出更高的恶性程度、更强的治疗抵抗和更差的临床预后。因此,靶向ecDNA的抗肿瘤策略(如干扰其复制与维持、调控表观遗传重塑)具有重要治疗潜力。然而,ecDNA的复制与维持机制、表观遗传重塑及其在肿瘤发生发展中的精确作用,仍是当前研究的核心挑战。解决这些问题将为开发新型抗癌疗法提供关键突破口。 4月28日,中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所研究员甘海云团队在学术期刊Cell上发表题为“Extrachromosomal DNA replication and maintenance couple with DNA damage pathway in tumors”的研究论文,揭示了ecDNA维持与DNA损伤应答之间的双向调控关系,为理解ecDNA在肿瘤发生发展中的作用机制提供了新视角,也为开发靶向ecDNA的抗肿瘤治疗策略奠定了重要理论基础。这一突破性发现为解决上述核心挑战提供了关键科学依据。 文章上线截图 原文链接: https://doiorg/101016/jcell202504012 图1 ecDNA上抑制性组蛋白丢失,致癌基因表达增加 为突破ecDNA复制与维持机制研究的瓶颈,研究团队采用CRISPR-Cas9基因编辑技术,成功构建了稳定携带EGFR基因完整拷贝的ecDNA细胞系,以及创新性地结合体外人工染色体组装技术,构建了模拟临床患者来源的人工ecDNA分子。解决了该领域长期存在的关键难题--缺乏严格匹配的ecDNA阳性/阴性对照细胞模型。通过用核苷类似物5-乙炔基-2’脱氧尿嘧啶核苷(EdU)处理上述基因工程细胞系及其他多种ecDNA肿瘤模型,研究人员获得了ecDNA在活细胞内进行自主复制的直接证据(图2)。 图2 人工产生ecDNA在胞内稳定存在并自主复制 为了深入解析ecDNA的复制与维持机制,研究团队进一步采用改进的新生链蛋白质富集技术,系统鉴定了与ecDNA复制相关的蛋白质组。分析结果显示,在携带ecDNA的细胞中,DNA复制核心机器(如MCM复合物)和表观遗传调控因子(包括组蛋白修饰酶和染色质重塑复合物)显著富集于新生DNA链上。值得注意的是,研究意外发现DNA损伤应答相关蛋白在ecDNA复制位点呈现异常高水平的富集。通过一系列严谨的功能实验,研究团队证实:与对照组相比,携带ecDNA的细胞表现出更严重的基因组不稳定特征,特别是DNA双链断裂(DSB)水平显著升高。进一步实验证明,ATM激酶介导的DNA损伤应答通路在ecDNA阳性细胞中被特异性激活。这些发现揭示了ecDNA复制过程中存在独特的分子特征:一方面需要表观遗传因子的精细调控,另一方面又不可避免地引发DNA损伤修复通路的激活。 图3 利用人工染色体等系统鉴定到ecDNA表观调控因子 基于ecDNA松散的染色质结构特征,研究团队提出假说:ecDNA在细胞周期动态变化过程中可能成为基因组不稳定的重要来源。通过多维度实验验证,研究人员发现ecDNA细胞中异常升高的DNA损伤水平主要源于两个关键生物学过程:ecDNA的异常活跃复制和转录。这些过程显著激活了ATM介导的DNA损伤应答(DDR)通路。在分子机制层面,研究揭示了ecDNA上存在独特的拓扑异构酶切割复合物(TOPCC)异常积累现象。这是由于ecDNA上高密度的复制/转录复合体与TOPCC发生持续性冲突所致,这种冲突最终导致DNA双链断裂(DSB)的累积。 值得注意的是,研究人员发现ecDNA的稳定维持高度依赖特定的DNA损伤修复途径。通过系统性筛选,研究团队采用基因敲低和小分子抑制等手段,对同源重组修复(HR)、经典非同源末端连接(NHEJ)和替代性非同源末端连接(alt-NHEJ)三条主要修复通路进行了功能分析。令人意外的是,单独或同时阻断HR和NHEJ通路对ecDNA水平影响有限,而特异性抑制alt-NHEJ则能显著降低细胞内ecDNA的丰度(图4)。深入机制研究表明,alt-NHEJ的缺失会在细胞周期特定阶段阻碍DSB修复,进而影响ecDNA的环化过程。这导致ecDNA要么重新整合回染色体,要么被细胞清除。这一发现不仅阐明了ecDNA维持的核心分子机制,也为靶向ecDNA的抗肿瘤治疗提供了新的策略方向:特异性干扰alt-NHEJ通路可能成为选择性清除肿瘤细胞中ecDNA的有效手段。 图4 ecDNA激活DNA损伤并通过alt-NHEJ方式修复 患者临床数据表明,降低细胞内ecDNA含量可能有助于肿瘤的治疗。本研究发现DDR尤其是alt-NHEJ参与了ecDNA含量的维持,并解析了其可能的机制。接着研究团队探讨了基于这些研究成果来治疗肿瘤的可行性,发现使用携带ecDNA的细胞对DDR关键因子如ATM、CHK、TOP1等抑制剂更加敏感,这些抑制剂能够显著降低细胞内ecDNA的含量,有效杀伤携带ecDNA的细胞(图5)。这一重大突破指出,靶向ecDNA维持过程很有可能成为携带ecDNA肿瘤的通用治疗手段。 图5 ecDNA的维持机制与潜在治疗策略探索 本研究系统阐明了肿瘤细胞中ecDNA的独特生物学特性:其固有的不稳定性与DNA损伤应答(DDR)通路介导的稳定性之间形成了动态平衡体系。这一突破性发现揭示了ecDNA通过平衡态调控参与肿瘤发生发展的分子机制,为临床转化提供了新靶点——基于ecDNA分子特征开发的靶向药物或将成为30-50% ecDNA阳性肿瘤患者的精准治疗选择。 值得关注的是,本研究揭示的环状DNA复制维持机制可能拓展了肿瘤生物学的认知边界。例如,研究提示HPV等DNA病毒在宿主细胞内的复制过程可能同样依赖于类似的DDR通路调控模式,该发现不仅为病原体环状DNA复制机制研究开辟了新方向,更为抗病毒治疗策略的研发提供了重要理论依据。 中国科学院深圳先进技术研究院研究员甘海云为论文的唯一通讯作者。助理研究员康星、周嘉琦、田聪聪、张洋、邱玲瑜,博士生李欣然、深圳大学博士生邓志文为论文的共同第一作者。深圳大学刘向宇、朱骞教授在本研究中给予了大力支持和提出了宝贵意见。该工作获得了国家合成生物学重点研发计划,国家自然科学基金重大项目及深圳合成生物创新研究院等项目的支持。 PI及课题组简介 甘海云博士,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员,博士生导师。近年来研究成果发表在Cell、Science、Nature Medicine、Nature Genetics、Molecular Cell、Nature Communications、Genes & Development、PNAS、eLife、The EMBO Journal、Nucleic Acids Research等知名期刊,累计引用超过3900次。 课题组主要研究方向为利用系统生物学、合成生物学以“干湿”实验结合的模式研究表观基因组信息的传递机制以及其在肿瘤发生和耐药性产生、全能性细胞(2C)、细胞衰老、染色体外DNA(ecDNA)、合成表观重构、DNA复制起始分子复合物、人工细胞等的表观遗传调控机制。 课题组现招聘有表观基因组学、合成生物学、生物信息学、肿瘤生物学、细胞生物学等任一相关研究背景博士后1-2名,研究助理1-2名,欢迎志同道合的朋友投送简历至hygan@siataccn,简历及邮件标题注明“应聘岗位-学校名称-专业-姓名”。
ecDNA 研究 DNA 细胞 复制
肖雨   2025-04-29 11:16:35

6.652086 2025-04-22 11:29:09

上皮细胞层是人体抵御外界感染的第一道防线,在维持身体正常状态、保护屏障和抵抗感染的过程中,其形状和结构会不断发生变化。研究发现,细菌能够通过识别器官组织的几何特性以破坏细胞层的保护作用并引发感染扩散。组织器官几何特性调控细菌感染的具体机制对开发新型抗感染疗法意义重大,但这一科学问题尚未得到充分揭示。 文章上线截图 原文链接: https://wwwsciencedirectcom/science/article/pii/S0092867425003940?sessionid=1580075034 4月21日,中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室研究员黄术强团队与中国农业大学教授朱奎团队、北京大学研究员黄建永团队合作,在国际学术期刊《细胞》发表最新研究:团队通过跨学科协同创新,从“器官几何结构特征-细胞力信号转导-病原菌感染”互作机制出发,首次揭示组织形态特征调控细菌感染的新规律。同时团队提出了基于力敏感离子通道蛋白Piezo1的抗菌策略,为抗菌药物提质增效、降低毒副作用和指导合理用药提供了潜在方案,具有重要的临床应用前景。 力学导航揭秘细菌“精准打击” 研究团队通过结合微生物学、力学生物学与生物医学工程等多学科交叉研究发现,细菌感染并非随机发生,而是受到宿主组织力学特性的精准调控。通过构建不同组织形态的上皮细胞层模型,探究病原菌与其互作的时空动态过程,团队揭示了多种病原菌在上皮单层中的空间感染规律并非传统认为的随机分布,而是呈现出明显的“边际效应”。这种感染模式与细胞层的致密程度直接相关:结构越紧密的细胞层,其边缘区域越易被细菌侵袭,且这一规律不受细胞种类或培养条件影响。该发现打破了细菌随机分布的传统认知,表明不同组织形态对细菌感染的空间分布具有重要调控作用。 图1:细菌感染多细胞单层呈现的“边际效应” 研究团队进一步通过力学分析模型发现,在上皮细胞层中,细胞牵引力与细菌感染具有高度协同性,高牵引力的细胞边缘区域更容易被细菌入侵。就像橡皮筋拉伸时两端受力最大,细胞层边缘因几何限制产生的“强拉力”,成为了细菌攻击的“热点区域”,这一发现为理解细菌感染的空间选择性提供了新的视角。 在此基础上,研究团队“锁定”了关键蛋白--力敏感性离子通道蛋白 Piezo1的作用:当细菌开始入侵时,这种能感知牵引力的蛋白会像磁铁一样聚集到感染部位,形成特殊的囊泡结构。这些囊泡就像“信号放大器”,把细胞受到的牵引力转化为“生化信号”,促使更多细菌在边缘区域聚集感染。 这一发现不仅揭示了力学因素“指挥”细菌攻击位置的精细调控机制,还指出了一个全新治疗方向——通过干扰细胞的力学感应系统(比如阻断Piezo1蛋白的功能),可能开发出阻止细菌精准定位感染部位的新型药物策略。 宿主导向抗菌新策略精准给药破解肠道感染难题 研究团队基于以上“力学感应开关”--Piezo1蛋白调控细菌感染的核心发现,创新性提出“力学导航抗菌”双效策略。第一步靶向力学信号源头:尝试将Piezo1作为抗菌靶点,发现抑制Piezo1的表达和激活均能显著降低感染组织中的细菌载量。第二步构建“仿生战场”:通过建立仿生3D肠道芯片精准复现肠道隐窝结构(类似肠道褶皱深处的隐蔽角落),发现消化道细菌倾向于在隐窝结构中富集,并在感染过程中隐匿在胞质中躲避抗菌制剂的杀伤作用,使传统药物难以有效渗透。 图2:宿主细胞单层结构调控细菌感染示意图 为此,团队开发了靶向隐窝结构的“细菌替身”纳米递药系统——就像“特洛伊木马”般,这些纳米颗粒外壳模拟耐药菌的表面特征,内核装载抗生素。该药物递送系统不仅能够在物理空间上精准靶向感染位点、实现药物的空间精准递送,还能提升抗菌药物在隐窝结构的局部浓度,提高对耐药菌(如MRSA和VRE)感染的疗效,这种“断其信号源+精准送弹药”的力学导航疗法,为应对耐药菌感染提供了增效减毒的新范式。 近年来抗生素研发的枯竭加剧了细菌耐药性对于公共卫生安全的威胁,亟需从多元角度开发新型的抗菌策略。传统的抗菌制剂研发过程通常仅关注对于细菌的杀伤效果,而该研究突破了传统“以菌为本”的研发思路,转向“宿主导向”的新模式。该治疗策略显著提升了抗生素抗消化道病原菌感染的疗效,不仅丰富了合理用药手段,更为应对全球耐药危机提供了创新解决方案。
细菌 感染 细胞 团队 力学
肖雨   2025-04-23 11:31:46

5.540476 2025-04-17 16:16:54

皮肤微生物组工程:皮肤疾病治疗的机遇与挑战 原文链接: https://onlinelibrarywileycom/doi/full/101002/imo270012 DOI: https://doiorg/101002/imo270012 2025年3月28日,中国科学院深圳先进技术研究院戴磊团队在iMetaOmics在线发表了题为“Skin Microbiome Engineering: Challenges and Opportunities in Skin Diseases Treatment”的文章。本综述系统回顾了皮肤微生物组在人体健康中扮演的关键角色,阐述了已知的皮肤微生物组与皮肤疾病之间的密切关联,强调了不同靶向和非靶向皮肤微生物组工程治疗适用的场景和优势,并指出了当前利用皮肤微生物组工程手段治疗皮肤疾病存在的限制和挑战。本文第一作者:吕奕昂、沈俊涛;通讯作者:戴磊(leidai@siataccn);合作作者:车有。主要单位:中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、香港大学公共卫生学院、中国科学院大学。 亮点 皮肤微生物组对皮肤健康至关重要,在维持屏障完整性、免疫调节和防御病原体方面发挥关键作用;微生物组工程提供了潜在的治疗策略,包括益生菌、微生物组移植、噬菌体疗法和工程菌;临床转化仍面临挑战,尤其是在标准化、安全性评估以及将微生物组疗法整合到精准医学中的方面。 摘要 皮肤微生物组由多种微生物组成,对皮肤健康至关重要,在屏障保护、免疫调节、伤口修复及病原体防御等方面发挥关键作用。微生物群落的失衡与多种皮肤疾病的发生和恶化密切相关。本综述探讨了皮肤微生物组工程作为治疗皮肤疾病的潜在策略。我们讨论了非靶向方法,如益生菌和菌群移植,这些方法旨在重塑微生物群落,以及更具针对性的策略,如噬菌体疗法、噬菌体裂解酶和工程化细菌,这些方法可特异性调控微生物群落或改变皮肤环境。这些策略为个性化皮肤病治疗开辟了新途径。尽管该领域已取得重要进展,微生物组疗法的临床转化仍面临诸多挑战,包括安全性、标准化、法规审批以及长期生态稳定性等问题。解决这些关键问题对于确保微生物组疗法在临床应用中的有效性和可重复性至关重要,这也凸显了该领域进一步研究的必要性。 引 言 皮肤是人体最大的器官,由表皮、真皮和皮下组织三个不同的层次组成。每一层都发挥着重要的生理功能,共同构成一道强大的屏障,保护机体免受外界威胁。皮肤的生物地理多样性受不同部位的温度、湿度和离子浓度等因素的影响,从而支持多种微生物的生存。皮肤持续与外界环境相互作用,同时又维持着相对稳定的生态系统,栖息着包括细菌、真菌、病毒和古细菌在内的多种微生物。越来越多的研究表明,皮肤微生物组在维持健康、影响皮肤疾病以及调控皮肤老化和疾病进程方面发挥着关键作用。 在过去几十年里,微生物组研究取得了快速进展,微生物组工程的突破已催生出针对结肠炎、阿尔茨海默病和癌症等疾病的新型疗法。同样,针对皮肤微生物组的研究也揭示了其在皮肤疾病中的重要作用,显示其与痤疮、湿疹和银屑病等疾病密切相关。本综述旨在系统探讨皮肤微生物组在健康与疾病中的作用,汇总当前的研究方法、典型案例以及皮肤微生物组工程在改善皮肤健康和治疗皮肤疾病方面的潜在应用。此外,我们将分析微生物组疗法的发展挑战,并提出未来研究方向,以期推动皮肤病治疗的革新,并加深对皮肤健康的理解。皮肤微生物组的作用皮肤微生物组通过维持皮肤屏障稳态,对皮肤健康至关重要。它参与宿主代谢,分泌酶类促进表皮细胞分化,维持皮肤新陈代谢。此外,皮肤共生菌通过分解皮脂、调节 pH 值、分泌神经酰胺等方式,增强皮肤屏障的完整性和渗透性,同时通过调控紧密连接蛋白影响皮肤屏障的空间结构。在防御病原菌定植方面,皮肤微生物组通过占位竞争和分泌抗菌物质(如细菌素、短链脂肪酸和蛋白酶)抑制病原微生物的生长。例如,表皮葡萄球菌产生细菌素可有效抑制金黄色葡萄球菌,而马拉色菌代谢产物可破坏病原菌生物膜。这种保护作用在特应性皮炎等皮肤疾病中尤为重要。皮肤微生物组还调节宿主免疫系统,影响固有免疫和适应性免疫。它通过调控细胞因子(如 IL-1、CXCL1)缓解炎症,并促进抗菌肽(如 β-防御素和 RNase7)的分泌,增强皮肤屏障的免疫防御能力。在新生儿阶段,皮肤共生菌诱导调节性 T 细胞(Treg)形成,建立免疫耐受,长期影响皮肤免疫平衡。 图 1 皮肤微生物组通过多种机制和途径维持人体健康(A) 皮肤微生物组通过调节表皮细胞的代谢、影响皮脂分泌和pH 平衡,以及改变皮肤上皮与皮肤附属腺体之间的空间结构,维持皮肤理化性质的稳态;(B) 皮肤微生物组通过占据生态位并分泌抗菌肽、细菌素、有机酸等物质,防止病原体的定植;(C) 皮肤微生物组通过调节细胞因子的诱导来刺激免疫细胞,从而激活人体的先天免疫和适应性免疫系统。 皮肤微生物组与疾病 皮肤疾病影响着全球数百万人的生活,不仅对患者的身体和心理健康构成严重威胁,还显著降低生活质量。此外,许多皮肤疾病需要长期治疗和管理,加重了社会医疗资源的负担。根据《国际疾病分类(ICD-10)》,皮肤疾病及其相关疾病超过1000种,但其中少数常见疾病占据了大部分病例(表 1)。尽管对于许多皮肤疾病而言,皮肤微生物组的变化究竟是病因还是疾病的结果仍不明确,但大量研究已经证实,特定皮肤微生物与某些皮肤疾病之间存在紧密联系(图 2)。本文综述了一些常见皮肤疾病与皮肤微生物组的关联,并探讨基于微生物组的潜在治疗靶点。 感染性皮肤疾病由细菌、病毒、真菌或寄生虫等病原体引起,可通过人与人直接接触、接触受污染物品或环境传播。这些疾病通常具有较高的传染性,包括脓疱病、疥疮、带状疱疹和癣类疾病,可能对公共卫生和个人健康构成威胁。 疣是由人乳头瘤病毒(HPV)感染引起的常见皮肤损害。大多数疣可在感染后几个月内自愈,无论是否接受治疗。该病的发病率在青少年时期最高,影响超过 40% 的儿童。疣的类型包括寻常疣、扁平疣、跖疣、丝状疣、指(趾)周疣、肛门生殖器疣及口腔和呼吸道乳头状瘤等。目前,已知的人乳头瘤病毒种类超过 400 种,归属于 α、β、γ、µ 和 ν 五个属,其中 HPV 27、57、2 和 1 是普通人群中最常见的皮肤疣相关 HPV 类型。 带状疱疹可引起急性和慢性疼痛,甚至导致带状疱疹后神经痛,严重影响患者的日常生活和生活质量。带状疱疹是由水痘-带状疱疹病毒(VZV)引起的,VZV 是一种嗜神经的 α-疱疹病毒,能引发水痘和带状疱疹。带状疱疹的发病率随年龄增长而增加,每年每千人中,年轻成年人为 1234 例,而 65 岁以上老年人为 39118 例。VZV 感染可诱导机体产生 IgG、IgM 和 IgA 抗体,同时病毒特异性细胞免疫对 VZV 的控制至关重要。 癣类感染是由皮肤真菌引起的真菌性皮肤病,根据感染部位可分为体癣、头癣、腹股沟癣、足癣和灰指甲。全球约 25% 的人口受到癣类感染的影响,其中红色毛癣菌是最主要的致病菌。 特应性皮炎是一种常见的慢性炎症性皮肤病,影响全球 11%~20% 的儿童和 5%~8% 的成人。临床表现为红斑、脱屑和剧烈瘙痒,易复发,严重影响患者及其家庭的生活质量。特应性皮炎的病理机制涉及遗传易感性、环境因素和宿主-微生物相互作用。中度至重度特应性皮炎患者常伴有金黄色葡萄球菌过度增殖,与炎症加重和疾病严重程度相关。部分轻度特应性皮炎患者皮肤中表皮葡萄球菌可能占据优势,该菌通常被认为是共生菌,可通过产生抗菌肽抑制病原体,但在某些情况下也可能引发炎症。 痤疮是一种影响全球9%人口的慢性炎症性皮肤病,在 15~25岁年龄段最为常见。其病理机制涉及皮脂分泌增加、炎症、毛囊角化异常和痤疮丙酸杆菌失衡。痤疮丙酸杆菌根据基因型可分为 I、II 和 III 型,其中 I 型(尤其是 IA 亚型)与痤疮关系最密切。痤疮丙酸杆菌可通过产生 CAMP 因子、卟啉和炎症因子 IFN-γ 和 IL-17 诱导炎症,加剧痤疮病变。 脂溢性皮炎是一种慢性复发性炎症性皮肤病,特征是发生在头皮、面部、胸部等皮脂腺丰富部位的红斑和鳞屑,全球患病率约为 5%。马拉色菌在脂溢性皮炎的发病机制中起关键作用,其产生的脂酶可分解皮脂,生成脂肪酸促进其生长并增强致病性。此外,马拉色菌可产生氧化应激产物,破坏皮肤屏障,并通过激活 IL-23/IL-17免疫通路加重炎症反应。银屑病是一种免疫介导的慢性皮肤病,全球患病率约为 2%~3%。其主要病理机制涉及适应性免疫系统的异常激活,导致 T 细胞分泌 IL-17 和 IL-22 诱导皮肤角质形成细胞异常增殖。研究表明,银屑病患者皮肤微生物组的 α 和 β 多样性显著降低,部分研究发现 Corynebacterium 丰度减少可能在疾病进展中起调节作用。 系统性红斑狼疮是一种异质性自身免疫疾病,约 80% 的系统性红斑狼疮患者伴有皮肤症状。研究发现,系统性红斑狼疮患者皮肤微生物组的多样性降低,且病变区域 金黄色葡萄球菌 丰度升高。金黄色葡萄球菌可通过 IL-23/IL-17 途径诱导免疫反应,促进 SLE 炎症。 黑色素瘤是最致命的皮肤癌类型,约占皮肤癌相关死亡的 75%。研究发现,黑色素瘤患者皮肤微生物组的 Streptococcus 和 Staphylococcus 丰度增加,而 Corynebacterium 在 III/IV 期患者中的占比较高,可能影响 IL-17 介导的炎症反应。 鳞状细胞癌是最常见的非黑色素瘤皮肤癌之一,部分研究发现 S aureus 在 cSCC 患者皮肤中的丰度增加,并能分泌 IL-6、IL-8 等促炎因子。 默克细胞癌是一种罕见但高度侵袭性的皮肤癌,通常与默克细胞多瘤病毒感染相关。 图 2 常见皮肤疾病、发病率及症状炎症性皮肤病的发病率较高,其中痤疮是最常见的皮肤疾病。同样,银屑病和红斑狼疮等自身免疫性疾病的发病率也较高。皮肤癌的发病率在统计方法上与其他皮肤疾病有所不同。 皮肤微生物组工程 皮肤微生物组在皮肤疾病的发生和治疗中发挥关键作用。针对皮肤微生物组的调控方法可分为非靶向方法和靶向方法,以改善皮肤健康并治疗相关疾病。 抗生素曾被誉为20世纪最伟大的医学发现之一,在降低感染导致的疾病和死亡率方面发挥了重要作用。然而,由于抗生素利润较低,其研发已逐渐减少,导致新型抗生素匮乏。同时,抗生素耐药性问题日益严重,据统计,每年美国有超过200万例耐药感染病例,造成超过23万人死亡,预计到2050年,这一数字将上升至1000万。因此,研究和开发抗生素替代疗法成为当今医学的热点话题。 尽管近年来皮肤病治疗方法不断进步,抗生素仍然是许多皮肤病的首选疗法,包括通过抑制细菌细胞壁合成、破坏细胞膜、干扰核酸或蛋白质合成等方式起作用。然而,抗生素的广谱作用会破坏皮肤微生物组的平衡,甚至影响人体细胞,可能导致更严重的疾病。因此,当前对抗生素的使用已受到严格限制,并推动了替代疗法的研究。 粪菌移植(FMT)已被广泛用于肠道微生物相关疾病的治疗,类似地,皮肤微生物组移植(SMT)通过将健康皮肤微生物群移植到患者的皮肤上,以恢复皮肤微生态平衡并改善疾病状态。研究表明,SMT可用于治疗痤疮、腋臭以及伴侣动物的皮肤病。例如,一项研究发现,将健康皮肤微生物组涂抹于患者患处三天后,微生物群能够有效定植并改善痤疮症状。然而,目前大多数SMT仍使用健康供体的皮肤微生物群,这带来了伦理问题、病原体风险及合适供体的稀缺性。因此,研究人员正在探索替代方案,如同一受体不同体位之间的SMT移植,以及合成微生物群落(synthetic consortia)的应用,以提高移植的安全性、精准性和可控性。然而,合成微生物群落的长期定植稳定性仍然是挑战,未来研究应专注于优化其设计,确保其在皮肤上的持久作用。 益生菌指的是当摄入适量时对宿主健康有益的活性微生物,能够改善微生物组结构、增强免疫力,并促进皮肤健康。益生元则是能够选择性促进有益菌生长的底物。近年来,益生菌和益生元在皮肤美白、保湿、抗衰老等领域备受关注,同时也被用于治疗特应性皮炎、痤疮、银屑病等皮肤病。例如,一项双盲随机对照试验发现,Lacticaseibacillus rhamnosus 可改善特应性皮炎患者的皮肤和肠道健康;另一项临床研究发现,Staphylococcus hominis A9 能减少金黄色葡萄球菌定植并降低皮肤炎症。此外,Roseomonas mucosa 组成的外用益生菌药物曾进入临床试验,但最终未能通过II期试验。 在护肤品领域,乳杆菌(Lactobacillus) 是最常用的益生菌之一,研究发现 L plantarum-GMNL6 可减少黑色素生成并抑制痤疮丙酸杆菌(C acnes) 和金黄色葡萄球菌,具有美白和抗感染的潜力。另一项研究发现,含L reuteri 的乳膏能够通过改变腋下皮肤微生物结构来改善体味。此外,双歧杆菌(Bifidobacterium) 也在防止皮肤衰老和维持皮肤屏障功能方面发挥作用。考虑到活菌应用的限制,研究人员正在探索热灭活益生菌的潜在作用,如热灭活的乳杆菌可促进伤口愈合。未来,随着宏基因组学和高通量测序技术的进步,更多具有皮肤益生潜力的微生物将被发现,并进一步开发成精准化皮肤微生态调控产品。 工程化细菌是皮肤微生物组工程的关键策略之一,利用CRISPR-Cas 等基因编辑工具改造皮肤共生菌,使其具备治疗皮肤疾病的能力。例如,最近研究人员成功编辑 C acnes 使其在小鼠皮肤上表达和分泌中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(NGAL),从而促进皮脂细胞凋亡,缓解痤疮症状。尽管皮肤微生物工程的案例相对较少,但在肠道微生物组调控方面已有多项成功应用,例如利用工程化酵母调节丁酸合成来改善肠炎,或利用基因改造的E coli Nissle 1917 预防铜绿假单胞菌感染。未来,工程化细菌在皮肤疾病治疗中的应用潜力巨大,但仍需解决安全性、标准化生产、临床有效性验证等挑战。 噬菌体是一种可以感染和裂解细菌的病毒,在特定情况下能够精准清除病原体,而不影响其他共生菌群,因此成为抗生素替代品的研究热点。例如,C acnes 噬菌体 PAP 1-1 结合Nisin 可特异性杀灭 C acnes KCTC 3314,同时不影响其他皮肤共生微生物。此外,噬菌体疗法在治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA) 感染方面也取得了显著成效。尽管噬菌体疗法具有针对性强的优势,但其高特异性也限制了广泛应用,因需要精确鉴定病原菌株。 噬菌体裂解酶是一种高效的细菌裂解酶,能够直接破坏细菌细胞壁并引发细胞裂解。例如,一项研究发现从 C acnes 噬菌体 CAP 10-3 分离的裂解酶可显著抑制 C acnes 的生长。此外,通过抗菌肽融合技术,工程化裂解酶可增强裂解活性,并扩大抗菌谱。尽管裂解酶在治疗耐药细菌方面展现出潜力,但生产成本和稳定性仍然是限制其临床应用的重要因素。 饮食、运动、护肤产品和心理压力都会影响皮肤微生物组的平衡。例如,研究发现肠-皮肤轴在皮肤健康中起关键作用,合理饮食可改善皮肤微生态。而适量运动可增强免疫力,维持皮肤屏障功能,避免病原体入侵。此外,某些护肤品可能破坏皮肤菌群平衡,而温和、保湿类产品有助于维持皮肤健康。研究还发现,压力水平与痤疮严重程度正相关,因此减压对皮肤健康至关重要。 冷冻疗法、激光疗法和气体疗法等方法也可作为皮肤微生物调控的辅助策略。例如,激光疗法可抑制 金黄色葡萄球菌,而气体疗法(如臭氧、NO)可促进伤口愈合并抑制耐药菌生长。 未来,随着微生物组学、合成生物学和工程化技术的发展,皮肤微生态调控方法将更加精准,为皮肤疾病治疗和皮肤健康管理提供更多可能。 图 3 皮肤微生物组调控策略非靶向干预:通过调节皮肤微生物组的整体组成来影响微生物生态平衡而靶向方法则通过选择性清除特定病原体或潜在致病微生物,或改变特定微生物类群的丰度和功能,从而引起皮肤微生物组结构和功能的显著变化。此外,生活方式因素和其他干预措施(如护肤习惯、饮食习惯、物理或化学治疗)也会通过调节皮肤微生物的生态平衡和多样性来影响皮肤微生物组。 讨 论 早期的测序技术和传统培养方法为我们提供了对皮肤微生物组的基础认知,大部分早期研究都基于这些技术和策略。随着新一代扩增子测序和宏基因组测序技术的发展,我们对皮肤微生物组的理解变得更加深。然而,这些新技术并非没有局限性。由于皮肤样本通常采用拭子采集,所含细菌数量极少,而宿主DNA含量较高,因此对样本处理和分析能力的要求更高。此外,皮肤微生物组采样方法缺乏统一的标准和共识,导致研究结果存在较大差异。未来研究应着力建立标准化的采样指南,以提高数据的可比性和一致性。 尽管我们对皮肤微生物组的研究已经不再完全依赖传统培养方法,但目前成功分离培养的皮肤微生物仍然仅占极小比例。毫无疑问,未来研究应继续探索培养那些目前仍无法体外培养的皮肤微生物,以扩展我们对皮肤微生物组的认知和理解。此外,皮肤微生物与皮肤疾病之间的因果关系仍不清晰,大多数研究仅揭示了潜在的相关性,只有少数致病微生物及其作用机制得到了深入研究。目前,猪被认为是最理想的皮肤疾病动物模型,但以猪为基础的皮肤疾病研究在实际操作中存在诸多挑战,且猪皮肤与人类皮肤在结构和组成上仍存在显著差异。未来研究可能需要进一步开发更适合的动物模型,以更深入地解析皮肤微生物组与宿主皮肤疾病之间的相互作用机制。 随着皮肤微生物与皮肤疾病之间的相互作用机制逐步明朗,将为皮肤微生物组工程疗法提供更多潜在靶点。合成生物学的快速发展将带来更多调控和改造皮肤微生物组的工具和技术。此外,随着皮肤微生物组工程疗法的应用案例不断增加,我们需要对不同治疗策略的适用场景进行更明确的定义,并对其应用进行严格审查。另外,在生成式人工智能快速迭代的背景下,未来的研究需要探索如何利用日益成熟的人工智能技术,支持皮肤微生物组工程中的传统和新兴工具。这将需要深入思考和探索,以充分发挥人工智能在促进皮肤微生物组研究与应用中的潜力。 作者简介 吕奕昂(第一作者) ● 中国科学院深圳先进技术研究院、南方科技大学联合培养硕士。 ● 研究方向为皮肤微生物组工程,曾获全国大学生生命科学竞赛一等奖,研究成果以第一作者发表在iMetaOmics、Theoretical and Natural Science期刊。 沈俊涛(第一作者) ● 中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员。 ● 研究领域为噬菌体合成生物学与微生物组工程,研究成果以第一作者或共同第一作者身份发表在Cell Host & Microbe,Journal of Virology,Genomics,Journal of Genetics & Genomics等国际学术期刊。 戴磊(通讯作者) ● 研究员,博士生导师,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所副所长,合成所合成微生物组学研究中心主任,国家重点研发计划青年项目负责人,入选《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”。 ● 近五年研究成果以通讯作者发表在Cell Host & Microbe、Nature Communications、The ISME Journal、iMeta等学术期刊。
皮肤 微生物 研究 疾病 治疗
肖雨   2025-04-17 16:21:41

4.23738 2025-04-11 10:18:21

  4月11日,国际学术期刊Nature Immunology在线发表了中国科学院深圳先进技术研究院刘陈立研究员联合中国科学院上海营养与健康研究所肖意传和秦骏课题组的合作研究成果,题为Microbiota-shaped neutrophil senescence regulates sexual dimorphism in bladder cancer。此研究利用多组学技术结合动物模型,系统揭示了受肠道菌群影响的中性粒细胞衰老在调控实体肿瘤性别二态性中的关键作用,为实体肿瘤患者的性别差异治疗提供了新的理论基础和分子靶标。 文章上线截图 原文链接:https://wwwnaturecom/articles/s41590-025-02126-6?sessionid=838439624   临床统计数据表明,几乎所有的非生殖系统肿瘤都存在性别二态性,主要表现为男性的肿瘤发病率和致死率都显著高于女性。尽管性激素(如雄激素)、性染色体及相关基因的差异被认为是潜在原因,但决定肿瘤性别差异的免疫学机制仍不清楚。肿瘤微环境(TME)中浸润的不同类型的免疫细胞对于肿瘤免疫的调控以及肿瘤的发生发展至关重要,其中浸润的中性粒细胞在肿瘤免疫的调控中展现出促癌或抑癌的双重作用,然而它们的功能异质性是否在肿瘤性别差异中发挥功能尚不明确。   首先,研究团队利用单细胞测序技术,分析了雌雄膀胱癌肿瘤小鼠的肿瘤浸润免疫细胞,发现中性粒细胞在肿瘤中的浸润存在最为显著的性别差异,并鉴定到一群与年龄相关的衰老样中性粒细胞亚群。相比非衰老中性粒细胞,其显示出更强的免疫抑制能力,且在雄性的肿瘤微环境中富集,进而导致雄性肿瘤微环境中抗肿瘤免疫的低下。基于该衰老样中性粒细胞亚群的特征性基因表达谱,将其命名为Retnlg+Lcn2+senescence-like neutrophils (RLSNs)。基于TCGA数据集的分析结果显示,膀胱癌患者中RLSNs的存在(通过RLSNs的特征性基因集鉴定)与患者较差的总生存期(OS)显著相关。如果利用Retnlg-DTR系统特异性去除RLSNs时,雌雄小鼠肿瘤生长的差异就消失了,说明中性粒细胞的衰老确实影响了肿瘤的性别二态性。 中性粒细胞衰老调节肿瘤性别二态性模式图   基于先前研究提示中性粒细胞衰老由肠道微生物群调节,研究团队进一步发现雌性小鼠肠道中一种名为Alistipes shahii的肠道菌(以下简称A shahii)显著增多,且该菌相关的代谢产物鲁拉西酮的水平在雌性小鼠中更高。鲁拉西酮可直接靶向RLSNs中的标志性蛋白——LCN2,由于LCN2是一种铁螯合蛋白,由此释放细胞内Fe²⁺并促进RLSNs的铁死亡,最终清除了雌性肿瘤中富集的RLSNs。而雄性因缺乏A shahii及鲁拉西酮,导致RLSNs的铁死亡被抑制,并大量积累在雄性肿瘤微环境中以抑制抗肿瘤免疫。此外,雄性体内积累的RLSNs会分泌大量LCN2蛋白以清除对铁敏感的A shahii,进一步抑制了体内A shahii的含量。   综上,本研究首次揭示了肠道菌A shahii相关的代谢产物鲁拉西酮通过靶向LCN2调控RLSNs铁死亡,进而调节肿瘤的性别二态性的新机制,为男性和女性膀胱癌患者制定差异性治疗策略提供理论基础和分子靶标。   此外,已获美国FDA批准的抗精神病药物鲁拉西酮或可被重新用于增强抗肿瘤免疫,既可单独使用,也可与现有免疫疗法联用,为膀胱癌患者差异性治疗开辟新路径。   中国科学院上海营养与健康研究所肖意传和秦骏研究员、中国科学院深圳先进技术研究院刘陈立研究员为文章的共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。
肿瘤 RLSNs 研究 性别 中性
肖雨   2025-04-14 10:21:20

4.101758 2025-04-10 09:02:36

  随着生物测序技术突破,全球天然基因库已积累数十亿量级序列,其中蕴藏海量高价值功能基因。然而,当前仅有少数明星基因被深度挖掘,绝大多数仍处于“沉睡”状态。如何突破传统注释与建模局限,利用AI等手段激活“基因宝库”,正成为合成生物学与生物制造领域的关键挑战。   4月9日,中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所娄春波团队与北京大学定量生物学中心钱珑团队合作在国际学术期刊Science Advances上发表题为“Discovery of Diverse and High-quality mRNA Capping Enzymes through a Language Model-enabled Platform”的研究论文,报道了全球首个面向合成生物学元件挖掘与生物制造应用的大语言模型——“SYMPLEX”,并将SYMPLEX模型应用于mRNA加帽酶基因的挖掘,展示了大语言模型赋能生物制造的巨大潜力。   该模型通过融合领域大语言模型训练、合成生物专家知识对齐和大规模生物信息分析,实现了从海量文献中自动化挖掘功能基因元件,并精准评估其工程化应用潜力。研究团队将SYMPLEX应用于mRNA疫苗生物制造关键酶——加帽酶的挖掘,成功获得多种高性能新型加帽酶。第三方公司实验验证显示,这些酶在催化效率上超越国际头部企业New England Biolabs(NEB)商业化加帽酶2倍以上,显著提升了mRNA疫苗生产率和成本效益。此项成果不仅为合成生物学元件设计提供了AI驱动的新范式,更展现了大语言模型等人工智能技术在生物制造中的广阔应用前景。 文章上线截图 原文链接:https://wwwscienceorg/doi/full/101126/sciadvadt0402?af=R ■ 破局传统:功能基因深度挖掘的大语言模型   天然生物基因组蕴藏着海量功能基因,这些基因在进化过程中不断优化,形成了多样化的序列空间和复杂精巧的功能活性,赋予生物体适应复杂环境的独特优势。随着高通量测序技术的发展,全球生物序列数据库已突破数十亿规模,为生物制造和合成生物学提供了前所未有的基因元件资源库。然而,尽管这些天然基因蕴含着巨大的应用潜力,目前仅有少数明星基因(如基因编辑工具酶)得到了系统的注释和结构解析。这种研究的不均衡导致现有基于序列、结构或深度学习的基因挖掘技术和蛋白质设计方法难以应用于更复杂的基因系统,严重制约了高价值功能基因的开发与利用。   针对上述问题,研究团队创造性地将大型语言模型(LLM)与结构化生物知识库深度融合,开发出SYMPLEX智能基因挖掘平台(图1)。SYMPLEX是强大的功能基因搜索引擎,通过自动化阅读和理解千万级体量的生物学文献,在基因、功能和知识水平上提取分析文献内容,并与专家数据库进行概念对齐、交互和基于先进生物信息技术的统计模式生成,从而提供证据链完整的高质量候选基因集合。SYMPLEX不仅有效规避了大语言模型幻觉,还能自动生成基因功能相关的细粒度知识树,引导科学家探索广泛的生物机制和分子过程(图1)。   对比结果表明,SYMPLEX大模型在挖掘基因的深度、数量和多样性上均显著优于传统生物信息学方法,其挖掘的基因多样性也超越了现有蛋白质功能预测模型的边界(图2)。 图1 SYMPLEX大模型的技术路线及其与传统基因挖掘流程对比 图2 SYMPLEX挖掘结果多样性对比和细粒度知识树生成 ■ 应用案例:解锁mRNA疫苗高效生产的蛋白质密码   近年来,mRNA疫苗以其高效、可快速开发等特点在全球抗疫中发挥了关键作用。然而,mRNA疫苗背后的一项关键工艺——mRNA 5’端加帽(capping),却因其效率较低、成本高昂成为“卡脖子”环节。加帽过程对稳定mRNA、促进翻译和减少免疫反应至关重要,而目前mRNA疫苗生产工艺中使用的仍是传统的痘病毒双蛋白(Vaccinia D1/D12)加帽酶,选择有限且价格昂贵。   研究团队利用SYMPLEX大规模挖掘mRNA加帽酶,并进行了实验验证。SYMPLEX 通过批量处理生物学文献和生物信息分析,识别出16,685个与 mRNA 加帽相关的基因,并进一步筛选出75类(18,779 条序列)高置信度的完整加帽酶基因。经过46种候选基因实测,研究团队获得了14种可在哺乳动物和酵母细胞中稳定发挥作用的加帽酶,其中2种新型加帽酶的体外活性比商业化痘病毒加帽酶高出两倍(图3)。值得一提的是,本研究挖掘的新型加帽酶与已知加帽酶的序列相似性低于20%,且编码序列长度缩减30%,有望为mRNA疫苗和基于mRNA的基因疗法研究提供关键使能技术支持。   此外,SYMPLEX的挖掘还揭示了加帽酶在自然界中多样的构型与进化策略。研究发现,加帽酶TPase功能域的桶状外围结构具有保守与可设计区间,而MTase功能域则存在新的酶活中心模体。这些发现表明,SYMPLEX不仅能助力于理解生物过程的多样化策略,还可为酶的理性工程优化或生成式蛋白设计提供高质量数据集。 图3 候选加帽酶在细胞体系和体外转录体系中表现出跨物种、跨体系的高加帽效率。 ■ 平台赋能:合成生物制造的“智能基座”   目前,SYMPLEX在线交互式平台已上线供研究人员免费使用(https://bdainformaticsorg/page?type=SYMPLEX)(图4)。平台采用模块化设计,提供三个核心功能:   (1)文献智能提取引擎PubEngine:支持高通量的文献智能检索分析与可视化交互;   (2)基因功能标注系统GeneTagger:实现从分子机制到生物过程的细粒度自动化基因与功能提取;   (3)标准化知识中枢GeneNorm:实现与专家知识库的概念对齐与标准化,支持知识树构建和功能模式识别。   各模块既可无缝协同实现高效数据流转,又能独立运行,以加速功能基因挖掘以及蛋白质设计。平台现有注册用户200余人,2024年访问量达6000余次。 图4 SYMPLEX平台   本项研究开创了功能基因深度挖掘的新范式,利用大语言模型高效推动生物知识转化,为mRNA疫苗规模化生产提供了关键酶资源库。研究团队正利用SYMPLEX挖掘更多可用于生物制造和合成生物学的关键酶元件,并将该平台拓展至合成通路设计等领域,有望推动生物制造进入“AI for Science”新纪元。   北京大学研究员钱珑、中国科学院深圳先进技术研究院研究员娄春波为本文共同通讯作者。北京大学博士研究生王天泽、覃博文、厉思宏,中国科学院深圳先进技术研究院博士研究生王子陌为共同第一作者。本研究获得了浙江大学欧阳颀教授团队和北京远轩科技有限公司的大力支持,并得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市重点基金以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。
基因 功能 生物 研究 SYMPLEX
肖雨   2025-04-10 09:18:10
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