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。     

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合成生物学的魅力如同乐高玩具一样建造的细菌显示出合成生物学向基因模块的设计和建造发展的潜力,这种基因模块可以向已有生物系统中导入新功能,甚至可以建造出新的生物系统。这一新兴领域汇集了那些力求理解生命并制造新生物功能的生物学家、物理学家、化学家和工程师。本期杂志特刊关注合成生物学领域研究成果如何帮助我们理解生物学并造福人类的。     

我国人工湿地的研究与应用进展及未来发展建议

作为水环境保护体系的重要角色,人工湿地在我国发展迅速,被广泛应用于多种类型污染水体治理。本文系统总结了人工湿地研究的发展现状和存在的主要问题,梳理了近年来国内外在人工湿地方向的研究进展、取得的主要成果及发展趋势。当前的研究热点和挑战聚焦在复杂环境下净化能力提升、水—气污染协同调控、生态服务价值提升,以及运行与管理优化等方面。结合国际学术前沿与热点,以及国家生态文明建设和国际履约能力提升等重大战略需求,提出未来应聚焦人工湿地植物与微生物功能群对环境胁迫的响应机制、关键元素生物地球化学过程、多种生态服务功能提升与价值估算等关键科学与技术问题,强化多学科交叉,利用多种手段开展系统性研究,为我国人工湿地领域发展提供坚实的科学和实践依据。     

超分子仿生材料与微体系

生物体与生命过程是亿万年进化的产物，各种生物分子通过不同层次的组装，由微观到宏观，自发地形成了复杂但精确的组装体系，实现了各种特异性的生物功能及其他功能。现代超分子科学的研究显示，合成分子同样可以具有这种自发组装行为，依据仿生学原理，采用过程仿生的组装行为，制备结构与功能仿生的超分子仿生材料与微系统，可以     

肿瘤靶向多肽纳米药物递送系统研究进展

肿瘤靶向为现在现代递药系统提供了新方向,但肿瘤部位环境复杂,在药物递送过程阻碍重重。肿瘤组织部位不同于正常组织部位,具有酸性环境、过表达受体等特点,利用这些特点开发出了不同作用靶点的药物。近年来,纳米技术的高速发展为传统化疗药物的递送提供了契机,分子自组装领域的快速发展为多功能纳米递药系统的研发提供了新机遇。多肽作为生物相容性高、序列可设计、易修饰、功能多样化的生物分子,可组装构建结构多样和功能集成的纳米药物。本文综述了利用多肽自组装应对肿瘤部位中的不同靶点构建多靶点、智能给药系统以实现响应释放和高效递送,针对肿瘤复杂的微环境,构建更智能、更综合的治疗方案,将是未来重要的发展方向之一     

真核膜蛋白和蛋白质复合体结构与功能关系

正后基因组时代,"生命蓝图"的绘制已初现端倪,而生物体如何实现自身这一最为复杂、最为精密的"机器"的正常运转?生物大分子及其复合体是生命活动的"执行者",生物大分子的功能与结构是破解生命奥秘的关键。以"生物超大分子复合体的组装调控与细胞生命过程关系"为核心科学问题,围绕真核细胞膜蛋白、染色质结构与细胞命运决定、感染与免疫的结构基础等     

基因表达的三维调控

人类基因组草图及拟南芥菜和其它模式生物基因组全序列的公布极大地推动了基因组学研究的发展 ,也为生物的品种改良及产量和品质的提高奠定了基础。如何对天文量数据进行信息化处理 ,并将所得信息转入功能、应用研究是我们面对的新问题。我们将细胞特异性表达启动子与可诱导系统相结合 ,建立起可用于植物转基因表达时、空、量三维调控的基因开关系统 ,为功能基因组研究及通过基因工程技术对植物代谢实施精确调控提供了全新的思路。     

人体再生复原科学——人类生命科学新体系

生命科学研究方向在哪里？ 生命科学是当今世界科学发展最为迅速的领域之一。对于20世纪大多数生命科学家而言,生命是一架基于还原论原理建造的“自动机”。现在的科学家们已经意识到,有机体是一个由成千上万生物大分子和小分子相互作用形成的完整的复杂系统只有认识整个复杂系统的结构和功能,才能真正地了解生命。     

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。     

合成生物学及其在生物制造领域的进展与治理

合成生物学是利用工程学的设计原理改造和优化现有自然生物体系,甚至从头合成创建具有特定功能的人工生物体系,在深入理解生命本质的同时,实现在能源、材料、食品、医药、化工、环境和农业等领域的广泛应用.本世纪以来,合成生物学研究发展迅速,已经取得了一系列突破性的成果.本文简要综述了合成生物学的概念理论、技术方法和功能应用主要发展概况及其生物安全风险管理,并且就其在生物制造领域的应用进行了重点阐述,并对其未来发展,尤其合成生物学发展需要点解决的问题进行了展望.     

DNA的合成、组装及转移技术

合成生物学作为新近迅速发展的交叉学科,已在生物医药、能源、新材料等领域展现越来越广泛的应用潜力。合成基因组学作为合成生物学的重要研究方向,着重于新生命体系的从头设计与合成,其以DNA合成、拼装和转移等核心技术为支撑。文章对当前基因组合成相关技术进行了阐述,以系统了解该技术体系中存在的问题,便于寻找突破点,把握发展契机。     

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。     

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。     

Chip in a lab: Microfluidics for next generation life science research

Microfluidic circuits are characterized by fluidic channels and chambers with a linear dimension on the order of tens to hundreds of micrometers. Components of this size enable lab-on-a-chip technology that has much promise, for example, in the development of point-of-care diagnostics. Micro-scale fluidic circuits also yield practical, physical, and technological advantages for studying biological systems, enhancing the ability of researchers to make more precise quantitative measurements. Microfluidic technology has thus become a powerful tool in the life science research laboratory over the past decade. Here we focus on chip-in-a-lab applications of microfluidics and survey some examples of how small fluidic components have provided researchers with new tools for life science research.     

Cell membrane-covered nanoparticles as biomaterials

Surface engineering of synthetic carriers is an essential and important strategy for drug delivery in vivo. However, exogenous properties make synthetic nanosystems invaders that easily trigger the passive immune clearance mechanism, increasing the retention effect caused by the reticuloendothelial systems and bioadhesion, finally leading to low therapeutic efficacy and toxic effects. Recently, a cell membrane cloaking technique has been reported as a novel interfacing approach from the biological/immunological perspective, and has proved useful for improving the performance of synthetic nanocarriers in vivo. After cell membrane cloaking, nanoparticles not only acquire the physiochemical properties of natural cell membranes but also inherit unique biological functions due to the presence of membrane-anchored proteins, antigens, and immunological moieties. The derived biological properties and functions, such as immunosuppressive capability, long circulation time, and targeted recognition integrated in synthetic nanosystems, have enhanced their potential in biomedicine in the future. Here, we review the cell membrane-covered nanosystems, highlight their novelty, introduce relevant biomedical applications, and describe the future prospects for the use of this novel biomimetic system constructed from a combination of cell membranes and synthetic nanomaterials.     

光场成像技术进展

归纳总结了光场成像从理论到实现的发展历程,根据光场数据获取方式对目前典型的光场成像设备进行了分类.在光场相机原理的基础上,重点阐述了基于光场的计算成像原理、数字重聚焦技术、合成孔径成像技术和显微成像技术,并对光场成像技术的应用前景和存在的关键问题进行了讨论.     

我国合成生物学发展下的知识产权保护

自从人类基因组计划完成以来,生物学家已经把他们的工作从理解生物学转向修改生物学。合成生物学是一个迅速发展的跨学科领域,包括开发和建造合成DNA序列、系统、基因组和工业设备等。获得知识产权的保护是促进合成生物学研究发展的重要手段。此文综合分析了合成生物学发展现状、知识产权保护制度、管理等相关问题,随后全方位探讨该领域的解决方案、建议措施;在知识产权保护层面为促进中国合成生物学的发展提供参考。     

综合国力的协调发展及其决策、预警和调控

从７０年代起，人类社会就开始经历一场新的技术革命。这场革命不仅在极大地改变各国的经济结构和社会结构，也使不同国家的综合国力从要素、结构、功能到运行模式不断发生着深刻变动。本文正是着眼综合国力发展的全方位分析，围绕科技、经济、资源、生态、社会的自组织调适，大胆提出了综合国力运作及其增长过程的可控制性，可操作化原理与方法，把综合国力发展中的决策决断、预测预警和各种宏微观变量调控一并纳入相应的程序化目标管理系统，做到定性定量结合，充分体现综合国力增长的大协调、非线性和与国际关系现实逼近的时代特征     

设计生命:合成生物学的安全风险与伦理挑战

合成生物学的快速发展引起学界的广泛关注。合成生物学的工程特性赋予其“设计”和“重构”的实践内涵,人为设计的生命得以加入传统的以DNA为基础的生命进化进程,进而引发了一系列安全风险和伦理问题。文章探讨了合成生物学发展历程中的标志性事件所引发的伦理争议,剖析了合成生物学面临的安全风险、伦理困境及其诱因,在借鉴欧美国家监管机制的基础上,提出我国合成生物学伦理监管的思路。     

中国可再生资源综合利用的战略思路与对策

实现可再生资源综合利用是经济全球化趋势、加入WTO以及实现社会经济可持续发展的时代要求。本文考察了我国几大类主要的可再生资源的利用现状与未来发展趋势，针对目前面临的严峻形势，对我国的再生资源综合利用从战略指导思想、基本原则、远景目标和发展途径等方面进行了思考研究。最后，从提高意识、加强管理、筹措资金、开发技术以及完善立法等五个方面提出了促进我国可再生资源综合利用的对策与建议。