摘要:合成生物学是中国现代化关键战略技术之一,目前中国在底盘细胞构建、化学品合成的元件设计合成、合成途径创建及合成细胞工厂构建,以及合成生物学基本技术开发方面取得了一系列重要进展,中国合成生物学技术时代的发展必然会大力推动植物资源的开发与利用,成为新的经济增长点。本文详细的论述了合成生物学在次生代谢产物生物合成和植物抗性改造、植物资源的种植与鉴定、精细化学品的开发与利用等方面的运用,中国合成生物学技术时代的发展必然会大力推动植物资源的开发与利用,成为新的经济增长点。
1、合成生物学时代背景
合成生物学是生物学、工程学、化学和信息技术之间相互交叉的一个新兴领域。核心技术是将复杂的生命系统拆分成各个功能原件,对其进行标准化和模块化的定义,通过设计、模拟和实验实现对生物原件的生物设置,直至构建一个新的生物系统,包括生物燃料、生物修复、大宗化学品、医药等精细化学品生物材料的生产和应用[1]。随着合成生物学时代的到来,法国生物化学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷(EmmanuelleCharpentier)和美国化学家珍妮弗·杜德纳(JenniferA.Doudna)发现了基因编辑技术中CRISPR/cas9基因剪刀,获得了诺贝尔化学奖,这种工具可以非常精准地改变动物、植物和微生物的DNA,为植物育种带来了新机遇,有望催生创新性癌症疗法[2]。
合成生物学已被中国科技部视为优先领域,被列为国家重点研发计划,也列在中国科学院公布的《创新2050:科技技术与中国的未来》的报告中,是中国现代化关键战略技术之一。由于石油等资源不断被开采利用,利用合成生物学技术对纤维素、木质素等植物再生资源开发生物燃料已经成为必然趋势。合成生物学技术应用于大宗化学品的生产、手性化合物的合成、抗生素等制药生产工艺流程、香兰素和其它食品调味剂的合成、维生素的生产等领域。合成生物学时代背景下的可持续发展和绿色环境友好型生产工艺越来越多的应用于植物资源的开发利用方面。
2、次生代谢产物生物合成和植物抗性改造
次生代谢产物萜类、生物碱、苯丙烷类衍生物这些的生物合成途径的研究是开展合成生物学的基础。例如,所有的萜类都来自于一个共同的前体异戊烯基二磷酸(isopentenyldiphosphate,IPP)。IPP在IPP异构酶的作用下形成dimethylallyldiphosphate(DMAPP),IPP和DMAPP在异戊烯基转移酶的作用下形成geranyldiphosphate(GPP)、farnesyldiphosphate(FPP)和geranylgeranyldiphosphate(GGPP),倍半萜合酶的起始底物为FPP,经过最初的离子异构化后环化形成各种阳离子中间产物,最终通过去质子反应或捕获亲核试剂,进一步环化形成一系列的倍半萜,GGPP环化产生二萜。三萜由鲨烯合成,四萜由植烯合成。例如,青蒿素的生物合成途径是由MVA途径和MEP途径提供IPP,经催化后形成FPP。经过紫穗槐二烯合成酶、细胞色素P450单氧化酶等生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸,再经过二氢青蒿醇、二氢青蒿醛和二氢青蒿酸的合成,最后在植物体内合成了青蒿素。
在植物抗性改造方面,中国最成功的案例就是袁隆平团队在新疆喀什地区岳普湖县巴依阿瓦提乡pH酸碱度7.8的重度盐碱土地的海水稻试验基地水稻再一次获得丰收,2020年秋亩产已经达到300公斤。目前中国有超过140亿亩的盐碱地,合成生物学技术创新会为粮食的生产做出巨大贡献。
3、植物资源的种植与鉴定
人工培植的植物资源是开发利用的基础。栽培药用植物时,野生类型与栽培类型之间存在较强的基因交流,应用分子谱系地理学研究药用植物的道地性遗传基础和栽培起源具有很好的广阔前景。从样本提取总DNA,进行PCR的扩增和测序、引物筛选和设计,基于DNA序列分析的基础上,进行居群分析和遗传结构分析,收集用不同分子标记测定的多种植物cpDNA多样性,具有较高的遗传多样性的植物是由于其分布跨越了较宽的地理范围和高度的遗传分化。测定遗传结构和遗传分化等分子生物学技术的应用解决了种质资源的混在,造成品种并不纯、异交衰退等问题,对植物的引种栽培方案的制订和野外资源的保护具有指导意义[3,4]。
植物的分子鉴定是运用DNA分子标记技术对植物基原进行真伪优劣的鉴定。与传统的植物鉴别方法相比,合成生物时代的技术已经从细胞和亚细胞水平向遗传物质DNA分子水平发展,更加准确的鉴别近缘品种、容易混淆的品种、珍稀品种等样品的鉴定。DNA条形码分析和植物端粒酶技术等新技术的应用已经变得越来越普及。通过对植物端粒长度的变化可以对植物的生长年限进行鉴别[3,4]。
4、精细化学品的开发与利用
合成生物学利用工业水平上的生物催化技术生产纯的单一化学物质的精细化学品包括高果糖浆、阿斯巴甜和一些原料药。例如维生素、半合成青霉素、抗疟青蒿素、抗肿瘤成分紫杉醇等生产。酶催化已经是普遍用于制备维生素和卫生保健产品领域中的重要手性中间体。发酵、酶催化的合成催化、光学活性医药中间体的合成都已经进入商品化生产。例如,获得诺贝尔科学奖项中国药学家屠呦呦研究发现了青蒿素,解决了长期困扰的抗疟治疗失效难题。美国加州大学伯克利分校Keasling团队2003年在大肠杆菌中合成青蒿酸的前体化合物青蒿二烯,阿米瑞斯生物合成技术公司在2013年利用酵母菌株实现青蒿素大规模的商业化生产[5]。生物合成的制造方式帮助建立精细化学品、工业基础的酶与复杂医药体的合理工程化合成平台。生物合成技术为代谢工程和多酶途径提供技术基础。
5、数据库的应用
在DNA分子标记技术方面,美国国立生物技术信息中心(NationalCenterforBiotechnologyInformation,NCBI)和国际生命条形码联盟(InternationalBarcodeofLife,IBOL)为标准DNA条形码序列及相关支持性数据的检索提供服务。国际生命条形码数据系统(BarcodeLifeDataSystem,BOLD)提供了DNA条形码的技术规范和要求。
在网络药理学研究方面,中药系统药理学分析平台与数据库(TraditionalChineseMedicineSystemsPharmacologyDatabaseandAnalysisPlatform,TCMSP)是一种独特的中草药系统药理学平台,它能捕捉药物、靶标和疾病之间的关系。该数据库包括化学物质、靶点和药物靶点网络,以及相关的药物靶点网络,以及涉及口服生物利用度、药物相似度、肠上皮通透性、血脑屏障、水溶性等天然化合物的药代动力学特性。STRING是一个已知和预测蛋白质相互作用的数据库。来自原始生物之间的直接相互作用(和预测)包括来自物理数据库的间接相互作用。此外,蛋白质数据库(ProteinDataBank,PDB)、ChemBio3DUltra14.0三维化学结构绘图软件,SystemsDock的分子对接服务器也正在被运用于合成生物学领域。
目前,中国已经广泛开展分子对接方面的研究,以确定化合物与受体蛋白之间的相互作用。例如,使用Autodock4.2.6软件可以将受体蛋白与目标化合物以及选择性抑制剂进行分子对接。在查阅文献的基础上建立含有配体分子结构的分子库,使用DiscoveryStudio2016(DS)软件对分子库的分子结构进行优化,从PDB数据库下载靶点蛋白,运用DS中的分子对接(MolecularDocking)技术查看筛选出的配体分子与对应靶点蛋白的非键相互作用情况[6,7]。
随着在微观尺度上精确控制化学反应的纳米机器的发展,热纤梭菌已经成为目前最有希望实现纤维素转化工业化的菌株之一,是一种能够高效的、能直接分解纤维素的嗜热厌氧菌,其转化纤维素的主要产物有乙醇、乙酸、乳酸、CO2和H2等,纤维小体在降解纤维素底物方面具有的优势越来越明显[8]。中国目前在底盘细胞构建、化学品合成的元件设计合成、合成途径创建及合成细胞工厂构建,以及合成生物学基本技术开发方面取得了一系列重要进展,中国合成生物学技术时代的发展必然会大力推动植物资源的开发与利用,成为新的经济增长点。
参考文献:
[1]林章凛,张艳,王胥,等.合成生物学研究进展[J].化工学报,2015,66(8):2864-2870.
[2]刘霞,卢子建.科技日报,2020,10(7),18:15.
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[6]于启蒙,张新超,孟慧琴,等.基于计算机辅助药物设计研究白术挥发油的主要成分作用靶点及药效预测[J].化工设计通讯,2020,46(10):152-154+198.
[7]孟艳秋,杜良竑,梅宇.基于Bcl-xL靶点的积雪草酸衍生物的合成及生物活性研究[J].中国药物化学杂志,2020,30(9):526-536.
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于雪莹,李春英,赵春建,杨奕.合成生物学时代背景下植物资源的开发与利用[J].国土与自然资源研究,2020(06):68-69.
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藤石松Lycopodiastrum casuarinoides (Spring)Holub又名“舒筋草”,为石松科藤石松属的单种属植物,生于海拔100~3 100 m的林下、林缘、灌丛下或沟边,主要分布于热带与亚热带地区,在我国华东、华南、华中及西南大部分省区广泛分布,能祛风除湿、舒筋活血,主治跌打损伤、风湿关节痛、月经不调等。
2024-03-04栀子(Gardenia jasminoides Ellis)是我国八大香花之一,是一种药食同源植物,其果、花等皆有药效。栀子花味苦、性寒,归肺、肝经,有清肺止咳、凉血解毒的功效[1,2]。目前对栀子花药效的研究较少[3,4]。研究[5,6,7]表明:栀子花的主要成分有多糖、黄酮、环烯醚萜、三萜、酚酸等,其中,多糖占栀子花干质量的10%以上,高于其他活性成分。植物多糖具有抗炎、抗菌、抗氧化、降血糖、降血脂、提高人体免疫力等功效[8,9,10]。
2024-01-18黄花棘豆(Oxytropis ochrocephala Bunge)俗称“马绊肠、醉马草、团巴草、疯草”,为豆科棘豆属多年生草本有毒植物,是我国特有植物,广泛分布在西藏、新疆、青海、甘肃、四川及宁夏等省区的天然草原,尤其是在过度利用的退化草地形成种群优势[1]。
2023-11-23苔藓植物作为高等植物中的第二大类群,体型微小,结构简单,没有真正根、茎、叶的分化,大部分种类喜湿润环境,是喀斯特生境中重要的先锋植物类群和初级生产者。贵州苔藓植物分布种类众多,《贵州苔藓植物志》(第一、第二、第三卷)收录苔藓植物有100科373属1620种(包括种以下分类单位)。
2023-09-22兰科植物(Orchidaceae)约有700属20 000多种,地生、附生或较少为腐生草本,极罕为攀援藤,分布极其广泛。兰科植物不仅有很强的观赏价值,还有较高的药用价值,如石斛(Dendrobium nobile)、天麻(Gastrodia elata)、杜鹃兰(Cremastra appendiculata)等均是我国名贵中药材,但因过度采挖,栖息地生态环境遭到破坏,野生资源越来越稀少,人工繁育已成为保护资源、有效开发利用的重要途径。
2023-09-22城市综合公园在城市中占有重要地位,可以改善城市微气候,提升空间品质,是多重景观的集合体,为人们的活动、交往提供场所。城市综合公园作为城市绿地的重要组成部分,其空间规划、道路布置和节点设置等都会诱导和改变人的行为,通过研究人的行为与心理活动,可以更好地优化景观空间,提高公园的整体质量。
2023-08-01竹类植物在园林景观中具有重要的应用价值。本研究通过探讨竹类植物的特征特性及其在园林景观中的应用,旨在提供关于竹类植物的全面了解和合理利用建议。首先介绍了竹类植物的分布和园林设计对多样植物资源的需求。然后探讨了竹类植物的特征和生长习性。在园林景观中,竹类植物具有美学、功能性和生态价值。
2023-07-26林檎为蔷薇科苹果属的落叶乔木,按照《中国植物志》的分类,目前我国有2种林檎,分别是台湾林檎(Malus doumeri)和尖嘴林檎(Malus melliana),主要分布在福建、广西、江西、湖南、云南、贵州及台湾等省份及地区。在广西、湖南等省份以及个别少数民族地区有利用林檎叶制作茶饮的习俗,可将之作为一种新型的功能型饮料。
2023-07-12蝴蝶兰为兰科蝴蝶兰属(Phalaenopsis)植物,其花形似蝴蝶,有“兰花皇后”的美誉。在国内外花卉市场中,蝴蝶兰因其花大色艳备受欢迎,因此培育具有大花性状的蝴蝶兰新种质对于蝴蝶兰育种具有重要作用。目前栽培种主要为四倍体、三倍体和非整倍体,其中四倍体占绝大多数,达82%。多倍体常具有株型粗壮、叶和花器官巨大、抗逆性强等优点,因此多倍体诱导是培育蝴蝶兰新品种的一项重要技术。
2021-09-28土壤为果树的生长发育提供营养和水分,果园土壤管理方式的不同会影响土壤理化性质和土壤的肥力,果树的产量最终也会受到影响[1]。清耕是我国大多数果园采取的管理制度,长期清耕,土壤结构遭到破坏,有机质含量降低,而发达国家的果园土壤管理制度是生草管理,果园实施生草栽培技术后,可以改良果树生态条件,改善土壤环境,优化土壤结构,提高土壤养分,保水、保肥、抗旱[2]。
2021-09-16我要评论
期刊名称:合成生物学
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主管单位:中国石油和化学工业联合会
主办单位:化学工业出版社,中国生物工程学会
出版地方:北京
专业分类:科学
国际刊号:2096-8280
国内刊号:11-5606/Q
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创刊时间:2009年
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