符合工程化需求的生物元件设计

从合成生物学的角度来认知生命,其本质是可数据化与可设计性。生命体中绝大多数的催化功能是由酶来实现的,因此催化元件是合成生物学中最核心的元件之一。序列决定构象,而构象则决定功能。基于空间结构的催化元件序列数字化设计,是合成生物学研究的重要热点和前沿领域。它既可为开发合成生物学功能器件,特别是全新化学催化器件提供大量原型分子,同时也为发展模块化、工程化调控元件提供设计模板和指导规律。文章针对近年来出现的生物元件,尤其是催化元件的前沿进展进行简要介绍。     

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所

正中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学平台始建于2013年8月,2017年12月2日在中国科学院院长白春礼院士和深圳市副市长艾学峰的见证下成立为合成生物学研究所(以下简称"合成所")。合成所采用合成生物学的工程化设计理念,专注于人造生命元件、基因线路、生物器件、多细胞体系等合成再造研究,旨在揭示生命本质和探索生命活动的基本规律。研究所积极开展面向市场     

生物设计大有可为——记中科院天津工业生物技术研究所马红武

正2010年,由克雷格·文特(Craig Venter)带领的研究小组成功创造了世界上第一个由纯人工合成DNA编码的细菌物种——"Synthia"。标志着方兴未艾的合成生物学研究达到了一个新的里程碑。与传统生物学通过不断深入剖析生命体以研究其基本组件的办法不同,合成生物学是从最基本的组件开始重组生命体。马红武早在2006年在英国爱丁堡大学指导学生参加国际合成生物学竞赛i G E M时就已开始从事合成生物学研     

基因组的设计与工程化构建

合成生物学是利用工程化的思想来设计和构建新的生物基因组,是近年来的研究热点。近年来,对原核细胞支原体天然小基因组进行从头合成并进一步设计与构建最小基因组,对原核模式生物大肠杆菌基因组的不断删减及全基因组密码子简约化设计与人工合成测试,以及对真核模式生物酿酒酵母基因组人工设计与合成测试都取得了很大成功,极大地促进了我们对生命的理解。我国的基因组的设计与工程化构建方面的研究虽然起步较晚,但近年来取得了国际瞩目的成果。基因组的设计与构建为深入了解生命起源与进化,并为进一步构建具有强大应用功能的新型生命体奠定了基础。     

科学与工程的融合:促进合成生物学发展

合成生物学是生物科学在21世纪出现的一个分支学科,近年来这个领域的研究进展很快.本文简要介绍了合成生物学的概念理论、技术方法和应用,并在此基础上着重讨论了合成生物学工程化的前景、难点及实现路径,并提出了相应的建议.     

合成生物学的医学应用研究进展

在医学应用领域,合成生物学以人工设计的基因线路改造人体自身细胞,或改造细菌、病毒等人工生命体,再使其间接作用于人体。这些经人工设计的生命体能够感知疾病特异信号或人工信号、特异性靶向异常细胞和病灶区域、表达报告分子或释放治疗药物,从而实现对人体生理状态的监测,以及对肿瘤、代谢疾病、耐药菌感染等典型疾病的诊断与治疗。文章将综述了合成生物学的医学应用领域近期的一些研究进展。     

中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所中国科学院合成生物学重点实验室

正中国科学院合成生物学重点实验室于2008年12月成立,是国内第一个合成生物学重点实验室。实验室定位为合成生物学应用基础研究。实验室以发展合成生物学基础理论和创新使能技术为主导,建立合成生物学关键工程平台;针对能源、环境、健康等方面的国家需求,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。     

合成生物学的发展:我国面临的机遇与挑战

在“组学”与系统生物学的基础上,引入工程学概念,诞生了高度学科交叉的合成生物学.合成生物学以其工程化思维及由此衍生的崭新的科研文化,唤醒了生物学及相关传统学科从“发现”走向“创造”的强大生命力,正在带来生物学向工程技术科学转化的重大变革.本文在综述国际发展态势的基础上,从针对前沿交叉学科的前瞻性规划,战略性引导,早期布局,机制配套,创新人才培养,工程技术人才队伍集聚以及产学研创新价值链建设等角度入手,分析了我国合成生物学发展面临的挑战与机遇.     

合成生物与生物安全

合成生物学基于生物、化学、物理、计算、工程等多学科交叉,对生物体以工程化的方式重新设计甚至是从头合成,将克服自然进化的局限,创造超越自然生命能力的合成生物,不仅对探索生命活动基本规律具有重要科学意义,也在工农业生产、环境保护、健康保健等领域具有巨大应用前景。随着合成生物技术发展的日新月异,合成生物的应用范围日益广泛,如何保障合成生物的生物安全性成为一个极其重要并且亟待解决的关键问题。合成生物学研究中大量涉及来自于病毒、致病性细菌和真菌的强毒力基因元器件,且被设计和使用的毒性基因元件和调控元件的数目也从少数几个跃升为几十个、上百个,乃至整个基因组的重新设计和编辑改造。如果缺乏有效管控或被恶意谬用,这些人工合成生物体可能会对生态环境平衡、公共卫生安全乃至国家国防安全造成威胁。因此,在人工设计和改造生物体的过程中,必须建立系统的防范和监控体系,设计有效的方法和技术来阻止人工生命体在野外环境下的复制和增殖、遗传信息的漂移以及阻断其进化出新的环境适应性,做到完全的人工改造生物隔离,达到真正的人工可控生命目标,确保其生物安全性。文章综述了合成生物学的研究进展和合成生物潜在的生物安全性威胁,以及合成生物的生物安全性防控设计策略,并对相关安全政策规章的制定给出了建议。     

合成生物学赋能：从学科发展到产业转化

合成生物学通过引入工程科学“自下而上”认识生命体系的理念,在生命科学研究中采用“设计—构建—测试—学习”迭代的研究范式,并在基因组和系统生物学的基础上,构建工程化的新生命体系,为生命科学提供了“从创造到理解”的新途径,不仅颠覆了从整体到局部的“格物致知—还原论”的传统研究策略,还开启了理解生命本质的“建物致知”新文化。同时,合成生物学将生物技术由“模拟自然过程”和“遗传工程改造”上升至“定量理性设计”和“标准化构建测试”的高度,推动生物工程和代谢工程朝着对标生命过程的高效率、普适性的工程化“重编程”,甚至是“从头构建”的新高度,以实现“建物致用”的目标。文章梳理了合成生物学近年来在生命科学基础研究中“建物致知”方面的重要进展,列举了其在化工、医药、食品、环境等应用领域中“建物致用”的具体案例,展现了合成生物学对人类社会全面发展正在发挥的重大影响,强调了为确保合成生物学的健康、快速发展,构建会聚生态系统与治理体系的重要性。     

产用融合——智能技术群驱动的第五制造范式

到目前为止,制造范式演进经历了4个阶段:手工制造、大机器生产、流水线生产、大规模定制。通过对历次制造范式演进历史的分析和研究,文章提出一个相对固定的制造范式是在技术、社会环境、制造价值观和制度4个因素影响下塑造出来的。其中,技术只是构造制造范式内部结构的工具,具有多重可能性,但适应社会环境和满足制造价值观的需要使得只有一种制造的内部结构可以被称为制造范式。在基本制造范式形成的基础上,制度的作用在于使已经形成的范式得到巩固和优化。现在,全球范围内正在进入智能技术革命与产业革命交织发生的新时期,文章基于研究认为,基于智能技术群,将会形成一个被称为"产用融合"的新制造范式,它将是继大规模定制之后的第五制造范式。     

光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略

首先介绍光合作用在国际及国内研究现状,进而简介当前光合作用合成生物学作为一个新兴学科其主要研究范围及进展,提出我国光合作用合成生物学研究目前面临提高其研究系统性、与需求更紧密结合及提高支持力度等需求。鉴于光合作用对未来粮食安全、能源安全及可持续性生态环境维持具有重要战略意义,其未来发展需聚焦于已有光合作用系统优化、光合系统与光合同化产物利用途径协同、跨物种间光合系统重构、全新光合途径构建、光合系统与生物材料耦合等研究方向。     

合成生物学的伦理争论:根源、维度与走向

合成生物学对生命现象的探讨从认知转向合成,研究对象从自然生命转向合成生命,由此引发大量伦理问题与争论。目前学术界对此的探讨涉及多个维度,但对不同维度特点与关系,以及各维度争论与合成生物学发展阶段内在关联的讨论相对薄弱。本文梳理合成生物学的伦理争论,归纳得出伦理争议发生的五个主要维度及其特点,具体包括：制造生命有机体的正当性问题,技术发展对宗教文化的挑战,生物安全性的伦理问题,利益风险分配的公平问题,行动自由与伦理监管的冲突。同时本文从合成生物学发展阶段出发,分析不同维度的伦理争论渐次展开并相互影响的内在逻辑。本文的探讨有助于厘清合成生物学伦理研究的混乱状态,深化理解合成生物学伦理争论中不同伦理立场的核心主张及其根据,进而明晰合成生物学伦理治理要解决的关键问题。     

制造范式的演进规律与发展新制造的政策建议

到目前为止,制造业经过了3次范式转换,形成了手工制造、大机器生产、流水线生产、大规模定制4种制造范式。文章通过历史研究提出制造范式演进过程的5个规律:价值跃变、不可通约、逆向淘汰、原始创新和域定进化。尽管制造范式的转换过程具有时间跨度长、区域差异大等特点,但新旧制造范式之间的更替和演化仍然充分体现了"制造业革命"的内涵和规律。文章基于制造范式演进规律的研究,针对新制造发展提出了具有针对性的政策建议。     

大数据赋能的C2B个性化定制价值共创机制创新

基于尚品C2B个性化定制模式创新案例,应用动态能力理论,研究大数据赋能的C2B个性化定制价值共创机制创新,结果显示：C2B个性化定制价值共创包括价值形成、价值传递、价值实现三个阶段。产品大数据资源积淀,可促进企业对用户个性化需求的精准解读,赋予企业C2B供需对接动态能力;订单大数据资源联结,可促进企业对用户个性化需求的实时协调,赋予企业C2B资源协奏动态能力;生产大数据资源聚合,可促进企业对用户个性化需求的并行响应,赋予企业C2B协同制造动态能力。C2B供需对接动态能力,推动用户个性化需求定位和企业个性化方案制定,驱动C2B个性化定制价值形成;C2B资源协奏动态能力,推动用户个性化需求分配和企业个性化方案分享,驱动C2B个性化定制价值传递;C2B协同制造动态能力,推动用户个性化需求满足和企业个性化方案落地,驱动C2B个性化定制价值实现。研究结论可为大数据背景下制造企业实施C2B个性化定制模式创新提供指导     

Three-dimensional printed millifluidic devices for zebrafish embryo tests

Implementations of Lab-on-a-Chip technologies for in-situ analysis of small model organisms and embryos (both invertebrate and vertebrate) are attracting an increasing interest. A significant hurdle to widespread applications of microfluidic and millifluidic devices for in-situ analysis of small model organisms is the access to expensive clean room facilities and complex microfabrication technologies. Furthermore, these resources require significant investments and engineering know-how. For example, poly(dimethylsiloxane) soft lithography is still largely unattainable to the gross majority of biomedical laboratories willing to pursue development of chip-based platforms. They often turn instead to readily available but inferior classical solutions. We refer to this phenomenon as workshop-to-bench gap of bioengineering science. To tackle the above issues, we examined the capabilities of commercially available Multi-Jet Modelling (MJM) and Stereolithography (SLA) systems for low volume fabrication of optical-grade millifluidic devices designed for culture and biotests performed on millimetre-sized specimens such as zebrafish embryos. The selected 3D printing technologies spanned a range from affordable personal desktop systems to high-end professional printers. The main motivation of our work was to pave the way for off-the-shelf and user-friendly 3D printing methods in order to rapidly and inexpensively build optical-grade millifluidic devices for customized studies on small model organisms. Compared with other rapid prototyping technologies such as soft lithography and infrared laser micromachining in poly(methyl methacrylate), we demonstrate that selected SLA technologies can achieve user-friendly and rapid production of prototypes, superior feature reproduction quality, and comparable levels of optical transparency. A caution need to be, however, exercised as majority of tested SLA and MJM resins were found toxic and caused significant developmental abnormalities in zebrafish embryos. Taken together, our data demonstrate that SLA technologies can be used for rapid and accurate production of devices for biomedical research. However, polymer biotoxicity needs to be carefully evaluated.     

"Knight in shining armour" or "Frankenstein's creation"? The coverage of synthetic biology in German-language media

Although still a side issue in the German-language media, attention towards synthetic biology has risen clearly during the last years, in line with the first applications being presented. This paper presents findings from a content analysis of synthetic biology coverage in German-language media over the years 2004-2009. In the media, synthetic biology is not clearly separated from gene technology. News value is attributed to established categories such as persons and events. Many metaphors and analogies used in describing gene technology can also be found in the coverage of synthetic biology; however, engineering metaphors are more prominent. In addition, playfulness constitutes an aspect rarely found in genetic engineering coverage. Overall, the picture emerging is ambivalent, which leaves prospects for the further development of public debate ambiguous.     

合成生物学:开启生命科学“会聚”研究新时代

自然科学各学科的研究对象在时空尺度上的差别与相连,既决定了学科间的差别,也决定了学科间的交叉。生物学在发展到以机理研究为主的"生命科学"阶段后,得益于学科交叉和技术创新,在20世纪"分子生物学"和"基因组学"革命基础上,通过引入工程学理念,形成了"合成生物学",并迅速形成"会聚研究"的第三次革命。文章在阐述合成生物学的内涵并回顾其学科发展历程与取得成果的基础上,特别提出了合成生物学的科技支撑与社会治理问题,期望引起科学界、社会公众与政府管理层面的关注。