生物课题研究

海归学者发起的公益学术平台分享信息，整合资源交流学术，偶尔风月课题组简介北京大学刘进课题组主要研究方向包括：油脂代谢、类胡萝卜素等高值产物的生物合成、系统生物学和合成生物学。因项目需要，现招聘博士后多名，研究助理1-2名。课题组介绍见：http://www2.coe.pku.e.cn/subpaget.asp?id=5301职位描述和应聘条件博士后：获得相关专业博士学位不超过3年，年龄35岁以下；以第一作者身份在相关领域发表过SCI研究论文；工作认真严谨，具有浓厚的科研兴趣，有较强独立从事课题研究的能力；为人宽厚诚信，具有较强的团队合作精神及责任心生化与分子生物学方向：微藻遗传平台的优化、藻种突变筛选、转录调控、表观调控、生物合成等。需具备扎实的生物学（分子生物学、生物化学、基因工程等）基础脂质和代谢物方向：优化脂质组和代谢组分析平台，以及利用平台开展逆境条件下的微藻油脂代谢研究。能熟练操作质谱分析仪（GC-MS, LC-MS/MS, Q-TOF等），有脂质组与代谢组研究经验的优先考虑生物信息学方向：基因组、转录组、调控网络等分析。有计算机编程能力，熟悉linux操作系统，有生物信息工作经验的优先考虑藻类CO2固定：此项目由BHP CCUS资助，需要在藻类CO2固定方面有扎实的基础研究助理：工作积极、认真、负责，较好的中英文写作和表达能力，生物学硕士学历，有良好的分子生物学、生物化学、基因工程等背景。2应聘材料个人简历包括学习、工作经历、主要研究工作内容、论文专著清单、获奖情况、推荐信等。3应聘方法在北京大学博士后管理相关规定基础上提供有市场竞争性待遇条件，并可协助申请北大博雅博士后计划（https://postdocs.pku.e.cn/tzgg/90439.htm）、中国博士后创新基金。科研助理岗位属北京大学合同聘用制，按照相关条例提供国家归定的五险一金，薪酬从优。优秀者报考博士生可优先考虑。有意者请将相关应聘材料发送到：gjinliu@pku.e.cn。应聘邮件要求：邮件题目为“应聘”+“岗位名称”。本招聘信息长期有效，招满为止。媒体转载联系授权请看下方

同花顺金融研究中心4月21日讯，有投资者向正海生物提问， 董秘您好！ 公司网站显示：公司是国家重点研发计划承担单位，国家“863”计划承担单位，高新技术企业。请问，目前公司承担哪些国家重点研发项目及“863”计划项目？活性生物骨和子宫内膜再生项目是否列入其中？公司回答表示，公司参与到国家重点研发计划项目以及曾列为“863”计划的课题研究的项目是活性生物骨项目。来源: 同花顺金融研究中心

摘要：合成生物学是一门以工程学思想为指导，对天然生物系统进行重新设计与改造，并设计与构建新的标准化的生物元件、组件与系统的新兴学科。它是生物化学、分子与细胞生物学、系统生物学等与工程学、数学、计算机科学等相融合的交叉学科，并在医药、能源、环境等领域取得了令人瞩目的成果。介绍合成生物学的定义、相关概念、学科特点与现阶段研究内容，并综述最新研究进展，如基因调控开关、基因计数器、生物逻辑门元件、生物计算、人造生物图案、可擦写数据寄存器、电生物反应器“合成”生物燃料等开创性的研究成果，并展望合成生物学的巨大发展前景。关键词：合成生物学；生物积块；基因线路；逻辑门；电生物反应器2010年J. Craig Venter团队创造了人类历史上第一个人造细胞Synthia(Gibson et al. 2010)，在科学界引起了巨大反响，从而使“合成生物学”(synthetic biology)进入了大众的视野。合成生物学是近年兴起的，综合了分子与细胞生物学、生物化学、生物信息学、系统生物学等，并与工程学、数学、计算机科学等交叉的一门新兴学科，是基因工程和代谢工程的“升级”版本，具有巨大的发展潜力，并已在生物医药、生物能源、环境治理、生物计算及相关基础研究领域取得了令人瞩目的成果。2004年美国MIT出版的《技术评论》一书把合成生物学选为将改变世界的十大技术之一。2010 年，《自然》杂志盘点当年12件重大科学事件，合成生物学排在第4位；在当年12月《科学》杂志评出的十大科学突破中，合成生物学排在第2位。1. 合成生物学的研究内容合成生物学是以工程学思想为指导，对天然生物系统进行重新设计与改造，同时设计并合成新的生物元件(element)、组件(device)和系统(system)的崭新学科。目前研究应用包括两个主要方面：一是“自上而下”的方法，通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，修改已存在的生物系统，使之增添新的功能；二是“自下而上”的方法，通过设计和构建新的生物元件、组件和系统，创造自然界中尚不存在的人工生命系统。由于合成生物学多学科交叉及多领域应用的特性，目前没有一个公认的标准定义，我们采用“合成生物学组织”网站(http:// syntheticbiology.org)的一段描述。合成生物学包括两条路线：①新的生物元件、组件和系统的设计与建造；②对现有的、天然的生物系统的重新设计。1.1 合成生物学目前的具体研究内容(1)底盘生物(chassis)及其基因组的合成、简化与重构，以作为各类生物元件、组件及系统的运行平台，如T7噬菌体基因组的重构(Chan et al., 2005)、克雷格文特尔人造细胞Synthia(JCVI1.0)的构建等。(2)生物大分子(如核酸和蛋白质)的合成、改造与模块化，如DNA合成技术的发展(Kosuri et al., 2010；Matzas et al., 2010)；人工创造遗传物质，如类DNA化合物(XNA)的合成(Pinheiro et al., 2012)；非天然氨基酸的合成(Noren et al., 1990；Wang and Schultz 2002；Chin et al., 2003；Mehl et al., 2003；Wang et al., 2003)及相应新密码子、tRNA的构建(Hohsaka et al., 2001；Hohsaka et al., 2001)，基于蛋白质工程的酶功能的优化、改造等。(3)合成及优化代谢网络，如青蒿酸(Martin et al., 2003；Ro et al., 2006；Hale et al., 2007；Tsuruta et al., 2009)、紫杉醇(Ajikumar et al., 2010)及高级醇(Atsumi et al., 2008)的生物合成基因簇的优化及异源表达。(4)各类生物功能元件的标准化，以及基于标准化生物元件的基因线路的设计与多领域应用。1.2 合成生物学的基本概念1.2.1 生物积块生物积块(biobricks)是指将天然存在的基本DNA功能片段，如启动子(promoter)、核糖体结合位点(ribosome binding site, PBS)、功能基因、终止子(terminator)等进行优化，确定动力学模拟参数及载体、宿主背景，在各元件头尾两端加上特定的酶切位点，并采用统一的描述与分类方法使之标准化，从而更有效率的进行查询、设计与基因操作。国际遗传机器大赛(international genetically engineered machine competition, iGEM)的主办单位美国麻省理工学院(MIT)“合成生物学联合会”(synthetic biology community)建立了生物积块文库，目前正在迅速发展壮大中。1.2.2 基因线路基因线路(gene circuit)借鉴电磁学中描述电器件关系的线路(circuit)概念，将标准化的生物元件(如生物积块)进行重新设计与构建，构成具有预期的全新功能的生物组件与系统，并进行数学模拟和系统性能分析(如稳定性、鲁棒性、敏感性等)。目前的研究内容包括基因调控开关(genetic switch)、振荡器(oscillator)、同步时钟(synchronized bacterial clock)、计数器(counter)、逻辑门元件(logic gates)、生物计算与存储等。2. 合成生物学最新研究进展2.1 基因调控开关基因调控开关研究对基因转录及表达的控制，是合成生物学基本手段之一，因此研究开展的也较早。James J. Collins课题组的Isaacs等(2004)构建了转录水平的RNA开关。该开关是一段25bp 的核苷酸序列，位于启动子和核糖体结合位点之间，转录后该段crRNA(cis-repressed RNA)自发折叠，导致下游功能基因不能翻译表达；通过诱导表达另一段与该crRNA 序列互补并结合能力更强的taRNA(trans-activating RNA)后，打开crRNA的折叠，使下游基因顺利表达。Blount等(2012)利用最近发展的dTALE(designer transcriptional activator-like effector)技术(Kay et al., 2007；Romer et al., 2007；Boch et al., 2009；Moscou and Bogdanove 2009；Bogdanove and Voytas, 2011)，在酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中通过诱导表达具有精确位点特异性，并且其结合位点可以任意“定制”的DNA结合蛋白来结合启动子核心区域，从而阻遏特定基因的转录，实现DNA生物元件中反相器(inverter)的功能(Blount et al., 2012)。dTALE技术利用来自一种黄单孢菌属(Xanthomonas)植物病原菌的转录激活因子蛋白(transcriptional activator)，其DNA结合域的结构与DNA结合位点的碱基有一一对应的关系，因此可以通过调整该DNA结合域的氨基酸序列来“定制”其DNA结合位点。利用该技术，可以对不同基因的启动子区域合成对应的dTALE，因此可以提供可重复的并行的“阻遏信号”，相对于之前数量有限且不能任意扩展的各种阻遏调控机制，这种TALOR(transcription activator-like orthogonal repressors)为基因线路的复杂化提供了有力工具。Egbert等(2012)发现，通过在Shine-Dalgarno 序列和翻译起始位点(translation initiation site)之间插入若干重复的碱基组合(ribosome binding simple sequence repeat, rbSSR)如AT、AC、A、T等，可以使下游基因的转录水平发生可预测性的下降。2.2 基因计数器能够在细胞中运行的工程化的基因计数器是为细胞“编程”及在细胞中构建复杂人工网络的基础功能模块之一。James J. Collins 课题组的Friedland等(2009)构建了两种基因计数器，第一种基于RNA开关调控的转录级联反应，可以对同一诱导物的添加次数进行3次计数，并且可以通过增加转录组件来进行扩展。第二种基于DNA重组酶的存储器级联反应，也可以对同一诱导物的添加次数进行3次计数，改进后还可以对每次加入不同的诱导物的情况计数，同样可以通过增加新的DNA重组系统来进行扩展。第二种计数器还具有“记忆”功能，即每次计数对应不同的DNA翻转变化，不仅可以通过输出信号来读取最终计数，还可以通过检测计数器中DNA序列的状态来读取即时计数。2.3 逻辑门元件逻辑门是数字电路的基本运算单元，也是计算机科学及自动化编程的基础。在细胞中模拟各种逻辑门元件的功能，并将其有序连接以进行复杂的逻辑运算与输出，是通过数字化编程在细胞中构建复杂人工代谢网络的基本研究内容。Win和Smolke(2008)开发了一个基于RNA的逻辑门元件，这些RNA元件可以与输入信号(效应物分子)发生反应产生结构变化，从而激活或阻遏下游报告基因的翻译表达。通过组合不同的RNA元件，可以行使各种逻辑门(与门、与非门、或门、或非门)和信号过滤器的功能。2010年，该研究组进一步构建了一种可以将细胞内特定蛋白质浓度作为输入信号的RNA逻辑门元件(Culler et al., 2010)。将预先编程的RNA逻辑门元件植入细胞内，并感应特定蛋白质信号分子的浓度变化，使细胞可以根据蛋白质信号分子的浓度，来自动调节目标基因的表达。上述结果表明，可以通过特定的逻辑门元件，对细胞中天然的调控网络进行重新编程，从而控制细胞行为或赋予细胞新的行为，这对细胞天然代谢网络的改造具有极大的应用价值。2.4 生物计算如果将携带有逻辑运算元件的单个细胞视为一个运算单元，那么通过数以亿计的细胞之间的相互作用，便可以产生强大的计算能力，这就是生物计算的潜力和价值所在。2011年1月，Nature杂志同期发表了两篇论文，分别介绍利用不同微生物进行复杂的逻辑运算。Tamsir等(2011)利用基于群体感应(quorum sensing)调控的基因线路，首先在大肠杆菌(E. coli)中构建了6种简单的或非(NOR)逻辑门，即由两个串联的启动子来控制一个抑制基因的表达，抑制基因控制着输出信号(报告基因)的表达；另外构建了2种单输入的反相器和缓冲器(buffer)。将含有这8种逻辑门的E. coli菌株的菌斑在培养平板上以不同的方式排列组合，菌斑之间通过群体感应效应物分子的扩散进行通信，可以构建出所有16种双输入布尔逻辑门，包括最复杂的(异或)XOR门和EQUAL门(Tamsir et al., 2011)。Regot等(2011)采用分布式计算方法，分别构建了4种基本逻辑运算的基因线路，并转入酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)细胞中，作为单位逻辑运算细胞。初始信号为外部添加的效应物，细胞间通信信号为由初始信号产生的可扩散至其他细胞的分子，报告基因的表达水平作为最终输出信号。然后采用不同的组合方式，将各类细胞混合培养，并检测输出信号，可实现多路选择器(multiplexer)和进位加法器(carry adder)等逻辑运算功能(Regot et al., 2011)。2.5 人造生物图案Chenli等(2011)构建了一个可以调控大肠杆菌宏观生长图案的基因线路(Regot et al., 2011)。该线路通过诱导型启动子及群体感应效应控制大肠杆菌cheZ 鞭毛基因的表达，可以形成空间上有序排布的周期性条纹状图纹。通过数学模拟分析图案形成的原理，还可以调控条纹数量的变化。这对理解自然界中各种生物图案的形成原理，以及分化发育中细胞在时间、空间的有序排列和调控提供了崭新的思维，也显示了合成生物学在基础研究领域的强大潜力。2.6 可擦写数据寄存器与逻辑门元件、同步时钟、计数器等一样，数据寄存器也是为细胞编程的基础元件之一。Bonnet等(2012)构建了一个可擦写的重组酶可寻址数据(recombinase addressable data, RAD)模块。该数据寄存器利用来自噬菌体的DNA重组酶和切除酶系统，以外源诱导效应物作为输入信号，通过分别诱导表达整合酶、表达整合酶加切除酶、降解整合酶、降解整合酶加切除酶4 种方式，来翻转及回复一段含有组成型启动子的特定DNA序列，从而选择性的开启该DNA序列两端的不同报告基因(输出信号)的表达，达到存储和擦写的目的。该存储器可在基因组DNA中稳定存储并可反复擦写达100个细胞分裂周期以上。2.7 合成生物学应用举例：电生物反应器将CO2转变为生物燃料随着石油资源面临枯竭，生物能源的研究越来越受到重视。短短数年，生物燃料的发展便从第一代的玉米、甘蔗乙醇，第二代的秸秆纤维素乙醇发展到了第三代的微藻产油。但目前生物燃料除成本居高不下之外，还存在一个基本问题，即光合作用的能量转化效率不够高。曾因研究光合作用机制而获得诺贝尔化学奖的Hartmut Michel撰文称，光合作用出现兼有进化上的“合适”性和历史偶然性，其光能转化效率并不高，最终仅能转化光能的4%，低于目前研究的光伏发电(photovoltaic)的光能转化效率(太阳能电池转化效率15%与电池利用效率80%)(Michel, 2012)。James C. Liao课题组的Li等通过改造真氧产碱杆菌H16(Ralstonia eutropha H16)的代谢网络，使该菌可以CO2为唯一碳源和电能为唯一的能量输入来生产高级醇及其他高分子化合物(Atsumi et al., 2008；Atsumi et al., 2010；Li et al., 2012)。将该菌的培养溶液通电，可使通入的CO2 变为甲酸，通过改造真氧产碱杆菌的氨基酸及聚羟基脂肪酸酯(PHA)合成途径，该菌可以利用甲酸合成异丁醇和3-甲基-1-丁醇。异丁醇是理想的石油替代燃料并可直接用于汽车发动引擎。该系统还可以通过改造代谢网络合成其他化合物，如生物塑料、生物药制品等。将光伏发电与该技术相偶联，前者相当于光合作用的光反应，后者相当于暗反应，可以组成比光合作用效率更高、更易控制的光能利用系统。该系统也可以作为能量存储转换系统，将来源于风力发电、水利发电、核电等的电能转变为化学能储存，应用潜力巨大。3. 展望合成生物学是一门迅速成长的新兴交叉学科，自2000年左右开始，相关的研究论文数量逐年上升。随着相关技术的进步(如DNA合成测序技术的发展)，合成生物学的许多基础研究工作(如底盘生物的基因组简化与重构)、标准化生物元件库的扩充、基因线路设计的创新等，都会在近几年得到飞速发展。在应用方面，随着青蒿酸、紫杉醇的生物合成，微藻产油及高级醇合成基因簇的改造，砷离子生物传感器的应用，合成生物学已经在生物医药、生物能源、环境治理等领域展现了巨大的潜力，并且在生物计算、微生物成像等许多方面展现了极具创意的应用，对其他学科的发展有着不可忽视的影响。21世纪是生物学的世纪，而合成生物学将是未来生物学发展的重要分支，必将对人类生活产生重大影响。

核糖体是所有生物用来合成蛋白质的分子机器，是生命的基本元件。核糖体包括大亚基和小亚基，两个亚基都是由核糖体RNA和大量蛋白质构成的大型复合物。在真核细胞中，核糖体的组装是一个高度复杂、动态的过程，两个亚基在成熟过程中会结合大量的组装因子，形成一系列核糖体前体复合物。小亚基在成熟过程中形成两种主要的前体：位于细胞核仁区的早期前体和位于细胞质的晚期前体。最近研究已经解析了小亚基早期和晚期前体的结构，发现它们的成分和结构存在巨大的差别，但目前不清楚早期前体是如何转变到晚期前体的。中国科学院生物物理研究所叶克穷课题组利用单颗粒冷冻电镜技术解析了酵母核糖体小亚基早期前体向晚期前体转化过程中的一系列过渡状态的结构，首次观察到该转化的动态分子过程。这些结构显示核糖体前体RNA上的转录间隔序列在核糖体前体上发生降解，驱动组装因子的有序解离和核糖体结构的成熟。研究者还观察到切割间隔序列的核酸酶--外切体在核糖体前体上的结合位置。该研究对理解核糖体组装这个基本生命过程有重要意义。该成果"Cryo-EM structure of 90S small ribosomal subunit precursors in transition states"于2020年9月18日发表于《Science》杂志。叶克穷研究员是该文章的通信作者，杜易飞博士和安卫东博士为文章的共同第一作者。生物物理所生物成像中心为该研究提供了冷冻电镜研究设备和技术支持。该研究得到了科技部国家重点研发计划、中国科学院战略性先导计划和国家自然科学基金委等项目的资助。图 酵母核糖体小亚基成熟的动态过程文章链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6510/1477

十年前，2009年美国国家科学基金会公布了生物增材制造发展路线图，其中预测，2-3年，实现植入物，假肢，支架和细胞打印5年，实现病/药理模型打印10年，实现功能组织打印15年，实现器官打印今年是2019年，10年之约如期而至。正如科学家们的预言一样，今年是生物3D打印领域的全方位爆发元年。2019年，我们见证了生物3D打印首次发表Science和Nature主刊，以及上百篇SCI期刊文章；我们见证了各位科研工作者一次又一次地颠覆了我们的想象，将一个个颇为科幻的技术拉入到现实之中。我们完全有理由期待，未来的生物3D打印技术会与我们的想象越来越近，更早地应用在我们的医疗之中。Science| “凭空”立体光刻技术1月31日，美国加州大学伯克利分校和劳伦斯利佛摩国家实验室的有研究者联合在 Science 发表重磅成果，其利用一种计算轴向光刻（CAL）方法，通过多角度的曝光图像叠加，使材料能够从模型的内部逐渐向外部固化，实现了“凭空”立体打印。入选理由：3D打印原理家族已经多年没有重磅新成员了，当思想者的雕塑在旋转的光影“凭空”产生时，无人不被这眼前的科幻感所震撼，同样感慨于研究者深厚的数学功底，将这立体光刻与悬浮打印完美结合，无愧本年最佳。Kelly, Brett E., et al. "Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction." Science 363.6431 (2019): 1075-1079.Science|3D打印会“呼吸”的人造器官5月3日，美国莱斯大学Jordan Miller教授与华盛顿大学Kelly Stevens教授合作发表了生物3D打印的第一篇NCS，利用高精度的光刻技术提供了复杂的血管化网络结构的构建方法，为复杂组织器官的构建成为可能。入选理由：打印一个大尺寸的组织结构其实并没有想象的那么困难，关键是大组织内部的营养供应怎么保证？研究者不仅构建了复杂的管道网络，还实现了多管道系统的复合构建，当打印的类肺结构“呼吸”起来时，你难以不相信他就是一个“生命”，富有冲击力的震撼，不愧是 Science 封面重磅。Grigoryan, Bagrat, et al. "Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels." Science 364.6439 (2019): 458-464.Nature| 多材料多喷头3D打印技术11月13日，哈佛大学Jennifer Lewis教授课题组，在 Nature 发表了使用多材料多喷嘴3D打印技术设计和制造体素化软结构的过程，该技术可实现八种不同的材料的高频切换，构建了折纸图案，机器人，复杂多材料立方体等众多复杂异质结构。其一体化高速打印的多材料机器人后续还可实现机器运动，令人耳目一新。入选理由：高粘度多材料异质结构的高速打印一直是3D打印有待解决的瓶颈问题，体素化的构建思想也会为未来3D打印的应用指明方向。拆除思维的墙，才能极大的发挥3D打印的强大力量。Skylar-Scott, Mark A., et al. "Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing." Nature 575.7782 (2019): 330-335.Science| 3D打印胶原心脏卡耐基梅隆大学Adam W. Feinberg教授团队在 Science 发表“3D bioprinting of collagen torebuild components of the human heart”，该研究利用悬浮胶（FRESH）作为打印支撑体（Supporting Bath），高精度的打印了心脏瓣膜及心脏等复杂结构。该研究打印的心室具有同步收缩（不再是一个补片），定向动作电位传播，以及收缩期间心室壁增厚达14%等功能。入选理由：如此精细复杂的胶原打印结构，目前恐怕只有悬浮打印才能做到，2019年悬浮打印异军突起，为血管化构建复杂组织器官结构贡献巨大力量。此外，胶原结构能实现如此力学强度，也可见研究者的深厚积累，交叉学科的重要成果绝不是单一因素决定，此篇成果让我们看到了3D打印复杂器官的希望。Lee, A., et al. "3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart." Science 365.6452 (2019): 482-487.Nature Medicine| 3D打印脊髓修复支架2019年，美国加州大学圣地亚哥分校Chen Shaochen 教授课题组和Tuszynski课题组合作采用微尺度连续投影光刻法(μCPP) 3D打印了高精度的脊髓修复支架。种植神经祖细胞(NPC)的脊髓支架在脊髓损伤模型内可以支持轴突再生，帮助损伤脊髓再生修复。入选理由：再酷炫的生物3D打印技术如果不能被应用也只是多彩的泡沫，研究者构建了如此精巧的模型，并取得了全髓修复在老鼠身上的良好效果，未来应用可期，值得关注。Koffler, Jacob, et al. "Biomimetic 3D-printed scaffolds for spinal cord injury repair." Nature medicine 25.2 (2019): 263.Science Advances|高细胞密度血管化组织的3D打印构建哈佛大学的Jennifer Lewis教授团队在9月份的 Science Advances 上发表文章《Biomanufacturing of organ-specific tissues with high cellulardensity and embedded vascular channels》。该研究开发出一种全新的生物3D打印方式：功能性组织中直接打印牺牲材料（SWIFT）。使用细胞聚集体所形成的高细胞密度的组织作为支撑材料，将牺牲材料打印进去用于制造血管网络。入选理由：悬浮打印方式的又一名作，哪里是支撑？哪里是牺牲？哪里是组织？哪里是血管？3D打印的理想能力就是实现三维空间多种材料的自由组合，但工艺和材料特性给我们限制太多，让我们不够自由，悬浮打印就是让我们重拾自由的一个方法。Skylar-Scott, Mark A., et al. "Biomanufacturing of organ-specific tissues with high cellular density and embedded vascular channels." Science advances 5.9 (2019): eaaw2459.Science| 大尺寸高速光固化技术10月18日，Science 发表美国西北大学关于一种大面积快速打印技术（high-area rapid printing，HARP）的最新成果，可以高速在几个小时内打出成人大小的结构。入选理由：3D打印的速度慢一直被诟病，2015年Carbon CLIP高速3D打印技术的诞生令人耳目一新，但高速聚合的大量放热问题限制了其更高速的应用。今年高速3D打印技术再一次被突破，离不开研究者对该技术痛点的深刻理解与创新性解决。随着高速打印的一次次突破，相信未来手术室里现场打印器件的一天会越来越近。Walker, David A., James L. Hedrick, and Chad A. Mirkin. "Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface." Science 366.6463 (2019): 360-364.Nature Biomedical Engineering|3D打印病人的胶质瘤芯片用于病人的放化疗效检验2019年03月18日，韩国科学家Dong Woo Cho教授团队用多喷头3D打印技术，构建了一个高度仿真的梯度厌氧胶质瘤模型，并且用该模型培养肿瘤患者的细胞，化疗的效果与患者实际化疗效果一致。入选理由：细胞/组织打印已将生物3D打印的应用推动到了体外高度仿生组织模型构建的新高度，多喷头细胞3D打印技术更是为复杂的人体病理模型构建成为可能，研究者基于病人细胞打印的高度仿真的梯度厌氧胶质瘤模型，并取得了准确的预测效果，为未来生物3D打印在个性化病人用药指导方面的应用提供了又一佐证。Yi, Hee-Gyeong, et al. "A bioprinted human-glioblastoma-on-a-chip for the identification of patient-specific responses to chemoradiotherapy." Nat. Biomed. Eng 1.1 (2019).Nature Methods| 微流控促进肾organoids的血管化和成熟哈佛大学Wyss研究所报道了一种在3D打印的微流控芯片内培养肾脏类器官的方法，该方法可扩大内皮祖细胞的内源池并产生具有被壁细胞包围的可灌注腔。和静态培养相比，研究者发现在微流体流动条件下培养的血管化肾脏类器官具有增强的细胞极性和人基因表达的成熟足细胞和肾小管区室。在体外微流条件下诱导肾类器官实质性血管生成和形态成熟的能力为研究肾脏发育，疾病和再生开辟了新途径。入选理由：Organoids 应该是2019年最火的体外模型研究词，3D打印与其不是互斥的，两者的结合可以不仅是直接打印organoids，也可以打印其培养所需的工具。3D打印微流控芯片，3D打印力学结构件等3D打印辅助器件都将成为未来3D打印助力生命科学研究不可或缺的手段。Homan, Kimberly A., et al. "Flow-enhanced vascularization and maturation of kidney organoids in vitro." Nature methods 16.3 (2019): 255.PNAS|多材料4D打印可形变晶格结构哈佛Wyss研究所开发出可变交联强度及各向异性的墨水，该墨水具有可控的弹性模量及热膨胀系数，再通过合理的几何学设计及4喷头的复合多材料打印技术，打印出“神奇”的形状可变结构，未来可应用在软电子开发，智能织物，组织工程和机器人等领域中。入选理由：4D打印技术实现了对复杂结构的“降维”制造，多喷头技术的使用，赋予了结构更多各项异性的可能，使得更为复杂的结构制造成为现实。多喷头打印技术的应用才是刚刚起步，解放思想才有更大突破。03:04Boley, J. William, et al. "Shape-shifting structured lattices via multimaterial 4D printing." Proceedings of the National Academy of Sciences 116.42 (2019): 20856-20862.您也想成为生物3D打印领域的大牛吗上普于今年发布桌面级生物3D打印机BioMaker。仅一台微波炉大小，但功能强大，搭载多种打印喷头，没有打不出，只有你想不到。有了这款打印神器在手，再加上一个绝妙的研究方向，不愁发不了高分文章~这一篇文章帮你了解BioMakerSUNP FLOAT是今年上普研发的用于悬浮打印的支撑墨水，可以支持各种复杂结构的打印，想打什么就打什么，正可谓“打印万物”。支持绝大多数水凝胶在SUNP FLOAT里边打印，包括胶原，GelMA，明胶，海藻酸钠等常见水凝胶材料。专业团队带你体验最前沿科研技术上普成立于2014年，是一家世界领先的高科技公司，专门从事3D生物打印和制造先进生物打印产品。基于20多年的研发及经验及公司专利技术，SunP致力于研发创新的3D生物打印系统，新型生物墨水和先进的3D细胞模型并应用于个性化组织工程和癌症治疗，医疗器械，药物测试和新药研发。如果您对我们的产品感兴趣，请联系我们的销售小姐姐（王女士，18511003831）或是发邮件给我们（info-china@sunpbiotech.cn），期待与您合作。

多能干细胞命运调控的“表观组—代谢组—表观组”跨界“蝴蝶效应”中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员刘兴国课题组，运用染色质免疫共沉淀测序和转录组测序联合分析、靶向代谢物组学、染色质开放性测序等多组学技术，发现细胞命运调控的“表观组—代谢组—表观组”跨界“蝴蝶效应”。相关研究8月24日在线发表在《自然—代谢》。诱导多能干细胞（iPSC）技术为研究人类疾病病理和再生医学治疗提供了广阔前景，同时是研究细胞命运转变的良好模型。iPSC重编程机理在不同层次被广泛研究，包括表观层次、转录层次、代谢层次以及细胞层次方面。然而，重编程中多层次是否及怎样“跨界”调控干细胞命运，是一个一直没有回答的基本科学问题。研究人员提出由母系转录因子Glis1调控多能干细胞命运的“表观组—代谢组—表观组”的跨界级联反应新概念，表明Glis1实现衰老细胞重编程并稳定基因组的强大功能，揭示Glis1介导“表观组—代谢组—表观组”的级联反应中，糖酵解代谢组驱动的组蛋白乙酰化和乳酸化修饰在前期和后期的表观遗传组连接中发挥“他山之石”的核心作用。刘兴国介绍，该研究着眼于被称为“Yamanaka第五因子”的Glis1，这一母系转录因子只在卵子和受精卵中表达。研究人员首先发现Glis1不仅促进正常细胞重编程，而且实现了衰老细胞重编程。进一步发现由Glis1得到的iPSC基因组更加稳定。这些表明Glis1是一个强有力的细胞命运决定因子。研究人员运用染色质免疫共沉淀测序和转录组测序联合分析、靶向代谢物组学、染色质开放性测序等多组学技术全面解析并归纳了Glis1介导多能性获得的独特3阶段途径——“表观组—代谢组—表观组”跨界级联反应：随机阶段，此级联反应在重编程早期由Glis1与体细胞基因和糖酵解基因的启动子结合而启动；化蛹成蝶阶段，糖酵解基因的表达激活了这一通路，同时线粒体氧化磷酸化未受影响；决定阶段，乙酰辅酶A和乳酸水平的提高分别调控了“第二波”基因和多能性基因启动子上的组蛋白乙酰化修饰和乳酸化修饰，在染色质水平打开并促进基因转录表达，而加速了多能性的获得。该研究提出细胞命运调控的“表观组—代谢组—表观组”跨界级联反应概念，具有广泛的生理病理意义。Glis1不仅在母系细胞中高表达，而且在病理条件例如癌细胞中同样高表达，因此这一跨界级联反应具有潜在的重要病理意义。重要的是，这一概念适用于众多表观因子，为细胞与发育的生理调控和病理发现提供了全新的理论基础。据了解，科研人员生动地将跨界级联反应比喻为“蝴蝶效应”：转录因子Glis1犹如蝶恋花的微风，引发全基因组水平多能性的龙卷风，这一“蝴蝶效应”，并非单单依靠基因组水平可以完成，需要“他山之石”——代谢水平跨界来连接，形成“表观组—代谢组—表观组”的级联反应三部曲。这一跨界级联反应，正如“蝴蝶效应”中微风变飓风需要千里的混沌条件，又如那青花瓷的美丽在纯青炉火中需要渺渺烟雨共同塑就。体细胞要返老还童，回到精卵“一如初见”的多能性状态，需要代谢这一跨界伏笔。值得一提的是，该研究发现由乳酸产生的新型组蛋白乳酸化修饰调控细胞干性。这是继组蛋白乳酸化修饰2019年10月在巨噬细胞极化中被发现后，首次发现此修饰调控细胞转换。刘兴国课题组的发现为这一新兴方向奠定了基础。论文链接：https://www.nature.com/articles/s42255-020-0267-9

近日，中科院合肥研究院王俊峰课题组对糖尿病候选药物FGF21进行改造后制成FGF21ss，糖尿病小鼠实验结果表明FGF21ss表现出更加优异的降血糖、减体重效果，具有良好的成药性，未来有望为糖尿病患者带来福音。相关研究已申请国家发明专利和国际专利保护，目前已与多家企业达成初步意向，共同推进临床试验和产业化工作。根据世界卫生组织WHO发布的统计报告，糖尿病在2019年全球十大死亡原因中排名第九。今年发表在国际顶级医学期刊《英国医学杂志》（BMJ）上的调查文章表明，中国糖尿病患者人数已达1.3亿，居全球首位。目前糖尿病药物治疗以控制血糖、延缓相关并发症发生为主，并不能彻底治愈糖尿病，其主要原因在于糖尿病治疗药物作用机制绝大多数围绕胰岛素具有的降血糖功能展开，而没有针对糖尿病真正的病因——胰岛素抵抗，治标不治本。因此，开发能够改善胰岛素抵抗的治疗药物将有助于更好地治疗糖尿病。FGF21是一种人自身具有的调节代谢的内分泌蛋白质，具有改善机体的胰岛素抵抗、促进糖脂能量代谢、消耗多余葡萄糖及脂类、逆转氧化应激反应引起的细胞凋亡（如糖尿病并发症大血管病变、动脉粥样硬化等）等优点，有治疗肥胖症、糖尿病、非酒精性脂肪肝等代谢相关疾病的潜力。目前基于FGF21的药物开发取得了系列进展，但并没有很好地解决FGF21药代动力学和稳定性较差，需要频繁给药的问题，极大阻碍了临床应用。在本研究中，研究人员依托稳态强磁场实验装置，运用核磁共振波谱学手段解析了FGF21的溶液结构，发现FGF21本身结构的稳定性较低，为此研究人员使用蛋白质工程手段对FGF21进行了改造，最终获得了一个新的变体FGF21SS。在蛋白质稳定性实验中，FGF21SS表现出远优于FGF21的热稳定性；同时，糖尿病小鼠实验结果表明FGF21SS展现出了更高的生物学活性：在炎症脂肪细胞中，能够逆转由炎症因子引起的细胞胰岛素抵抗，恢复对胰岛素的敏感性；在治疗肥胖小鼠的糖尿病实验中，具有优秀的降血糖、减体重和降低血清胰岛素的能力，并且优于FGF21。由于FGF21ss的热稳定性高，有利于药物的制作、存储以及运输，同时其降血糖活性功能有较大提高，可有效减少给药次数，极大改善糖尿病患者的治疗方案。目前该药物的产业化进程正在稳步推进，已与多家公司达成协议共同开展临床前一系列实验，预计2年后申请临床批件开展临床实验，有望在完成临床转化后用于糖尿病、肥胖和非酒精性脂肪肝等慢性代谢性疾病治疗。该成果发表于知名分子生物学国际期刊《欧洲分子生物学组织报告》（EMBO reports）。合肥研究院强磁场中心王俊峰研究员和戴晗研究员是本研究的通讯作者，朱磊博士、赵宏鑫博士和刘娟娟博士是本研究的共同第一作者。合肥工业大学和温州医科大学科研人员参与了研究。该工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划和强磁场安徽省实验室的支持。FGF21结构动态性以及FGF21SS蛋白质工程改造示意图文章链接：https://www.embopress.org/doi/abs/10.15252/embr.202051352

在刚刚过去的2020年世界自闭症日，北京希诺谷生物科技有限公司发布自闭症家犬模型实验视频。此前，希诺谷生物曾在2018年3月成功诞生世界首例基因编辑自闭症模型犬。视频中，野生型比格犬会主动与人互动交流，听到陌生人呼叫名字也有反应，而Shank3(突触后密集区支架蛋白基因)基因编辑家犬自闭症模型则与人无目光对视，无交流互动、喜欢独处，偶尔会疯狂转圈。希诺谷生物副总经理赵建平告诉动脉网，Shank3基因编辑犬出现的行为学异常和重复刻板是自闭症的临床核心症状，“作为动物模型，要模拟病人发病机制和临床特征，除了需要敲除SHANK3基因外，更重要的就是行为模式和社交互动要与病人契合。” 这是人类首次运用犬基因编辑技术和克隆技术来构建社交与情感相关基因突变体，由此揭示社交和情感的生物学基础。据了解，2019年12月，希诺谷生物联合中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国科学院生物物理研究所、中国科学院昆明动物研究所、北京大学五家单位共同申请的科技部国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”中“社交与情感的生物学基础和转化研究”专项，顺利通过答辩，课题研究全面展开。犬是人类驯养时间最长的动物之一，最早的被驯犬可以追溯至一万多年前的新石器时期。以家犬为模式动物，开展社交与情感以及认知功能研究领域，能够更好地揭示人类社交和情感的遗传和神经生物学机制，未来有可能带来认知和精神疾病药物研发的突破。国际领先的动物基因科技商业化供应商自1943年自闭症首次被确诊以来，科学家一直致力于找出这种疾病更深层次的发病机制。通过对大量自闭症患者样本的基因检测，研究人员发现，SHANK3与自闭症有着巨大的关联。SHANK3是目前研究最深入的几个孤独症致病基因之一，其导致的孤独症谱系主要临床症状为肌肉张力减退、发育迟缓、语言缺失或滞后、社交障碍、甚至智力障碍。通过对家犬的全基因组序列分析，研究人员发现在家犬中Shank3基因结构与人类相似。于是，希诺谷生物针对家犬进行了基因编辑。赵建平先生告诉动脉网，目前公司拥有Shank3 21号外显子片段删除、5~21号外显子大片段删除的F0代以及不同基因类型的大量杂合F1代。通过表型分析，突变犬均表现出不同程度的运动能力异常、重复刻板、犬/犬和人/犬社交异常、认知障碍等自闭症临床症状。希诺谷生物创立于2012年，是一家位于北京昌平科技园的国家高新技术企业。作为国内从事动物基因科技商业化的企业，希诺谷创建了动物基因编辑和体细胞克隆两大技术平台，开展犬、猫、马、猪、牛等多物种克隆，开辟了全球基因编辑家犬疾病模型这一全新的领域，开发新一代模式动物。希诺谷生物相继培育出世界首例基因编辑动脉粥样硬化疾病模型犬“苹果”、世界首例基因编辑克隆犬“龙龙”、世界首例自闭症疾病模型犬、世界首例点突变GCK糖尿病模型犬、世界首例LCA先天性黑蒙模型犬、国内第一例克隆警犬“昆勋”、国内第一只克隆猫“大蒜”等，并在清华启迪和建银国际机构助力下，推动科技成果产业化，逐步开展商业化应用。实际上，犬类被用作药物开发的试验动物已经有相当长的研究历史，犬是国际公认的标准实验动物，并且曾经贡献多个诺贝尔生理或医学奖。赵建平先生指出，家犬在长期与人类相伴生存的过程中，相似的生长环境和饮食结构，长期的趋同进化，发展出了许多与人类相近的特性，往往更加顺服，实验中的配合度也较高。“实验中使用较多的家犬是比格犬，它们在组织学、解剖学、结构学等方面与人类似，在药物代谢和毒理学研究里发挥了重要作用。”自创立以来，希诺谷生物一直致力于开发模拟人类临床疾病的系列基因编辑家犬疾病模型，已经形成覆盖脑科学、心脑血管、代谢性疾病、罕见病等多个方向的模式动物，最多繁育到F2代，为国内多个科研机构、医疗机构、生物医药企业提供支撑疾病发病机制研究、药物有效性评价、新药研发实验、非药物治疗有效性实验与评价的模式动物。与其他类型的模式动物，如小鼠、非人灵长类猴相比，家犬具有丰富的社交和情感，特别是与人类跨物种间的社交和情感，配合度高、繁殖快，便于遗传操作。同时，犬作为常见宠物，具备相对完善的医疗体系，影像、B超、生化等检查检测可为模型犬的研究与应用提供充分的医疗手段，是研究多种人类常见疾病的理想模式动物。基因编辑家犬疾病模型，采用基因工程的方法对犬基因组进行基因编辑，其疾病症状为原发症状，表型持续时间长，且具有可遗传性，能够更全面、真实地模拟人类疾病。据赵建平先生介绍，目前，希诺谷生物主要通过成熟模型销售和委托定制开发两种方式输出模式动物。对于培育相对成熟的模式动物，如全身性动脉粥样硬化家犬模型、自闭症家犬模型，主要采取订单销售的方式直接面向用户提供产品；而对于研究团队新的课题方向，需要进一步开发的模式动物，希诺谷生物则通过定制开发的方式完成交付。同时，鉴于许多科研团队没有大动物的实验平台和场地，公司提供基于模式动物开展大动物实验服务。通过多年的运营，希诺谷生物积累下丰富经验及研究能力，与多所国内外高校、科研院所、制药企业建立了稳定的合作关系。生命科技蓬勃发展，模式动物需求巨大在生命科学研究领域，进行实验研究需要四个基本要素，即实验动物、设备、信息和试剂。实验动物又称模式动物，是生命科学研究必不可少的载体，据统计，《自然医学》杂志2008发表的全部论文中，约86%使用了实验动物。随着基因编辑技术的快速发展，人们开始尝试运用基因修饰手段获得各种基因缺失和基因敲入的实验动物。目前，我国生命科学领域科学研究与成果转化快速发展，带动了作为支撑和服务行业的模式动物产业需求快速增加，行业年增长率超过20%。尤其是基因科技的飞速发展，对于更能准确模拟人类基因缺陷性疾病的基因编辑模式动物的需求正在爆发式释放。随着全球生命科学行业持续快速发展，模式动物行业已经不仅是生命科学行业的子行业，成为生物技术、医学、制药等行业的主要推动力。近年来，全球各国的研究机构、科研团队在生命科学研究领域投入了大量资金。以美国最大的生命科学研究单位之一美国国立卫生研究院（NIH）为例，2016年度美国国立卫生研究院从美国联邦政府获得的研究经费预算为323亿美元，较2015年度增长了约20亿美元，增幅达到6%。NIH数据显示，过去15年间，受美国联邦政府资助的前25大机构的日均实验动物存量大幅增加，从1997年至2003年间的约74,600只增加到2008年至2012年间的约128,900只，增幅达到73%。在我国，《国民经济和社会发展“十三五”规划纲要》、《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》都将生命科学行业作为战略新兴行业之一。近年来，生命科学研究领域的投入不断增加。《新英格兰医学杂志》(NEJM)杂志曾指出，仅生物医学方面，中国的研究投入就从2007年的约20亿美元，增长至2012年的约84亿美元，年平均增幅达到33%，由此催生出模式动物和基于模式动物开展动物实验的巨大需求。基因编辑技术是当前生物技术中最热门和发展最快的应用领域，是基因组时代研究基因功能最直接和最有效的方法之一。而犬是生物医药研究中标准的模式动物，基因编辑疾病模型犬是研究人类脑科学、心血管疾病、代谢性疾病、罕见病和肿瘤等领域理想的大动物模型。赵建平先生表示，作为新一代模式动物，基因编辑家犬模型在生命科学基础和转化应用研究中，有望开辟新的研究方向和驱动新的产业发展，为提升药物研发效率、开展药物筛选、药物代谢、药效评价等提供有力支撑和高效助力。#自闭症#

世间万物究竟是造物主的杰作，还是物竞天择的结果？一个受精卵分裂出的40万亿细胞是如何有序形成各个组织器官，并最终发育为完整人体的？同一片森林里的上百种生物是如何抢占生存空间，以构成复杂而稳定的生态系统的？尽管进化论指出了生命的演化规律和发展方向，但多细胞生物的“按需制造”原理尚未知晓，“物竞天择”也难以解释同一环境下的物种多样性。如今，这一生命发展的本质规律，用一个公式就能“算”出来——中国科学院深圳先进技术研究院、深圳合成生物学创新研究院刘陈立研究员实验室，与加州大学圣地亚哥分校华泰立教授团队合作，2019年11月7日在Nature杂志以长文形式发表了题为“An evolutionarily stable strategy to colonize spatially extended habitats (Weirong Liu#, Jonas Cremer#, Dengjin Li, Terence Hwa*, Chenli Liu*, 2019)”的研究论文。该文章是深圳先进院第一篇第一作者和最后通讯作者单位文章。研究经过5年时间的大量进化生物学、定量生物学和合成生物学研究，反复研究空间迁徙与进化，最终得到一个揭示生物迁徙进化策略的定量规律，为合成生物学、生态学、甚至是现代企业扩张提供了全新的理论指导和启示。细菌制造大谜题：“抢地盘”不光靠“跑得快”非洲动物大迁徙是自然界一大奇观，每年数以百万的动物分为前中后“三军”向北进发，打头阵的是20多万匹野斑马，紧跟其后的是百万头角马，殿后的是50万只瞪羚。在此期间，还有40万新生命加入队伍。将上述大场面搬进实验室，把动物替换成细菌放进培养皿，便成了刘陈立团队研究的对象——细菌迁徙。“过去的研究普遍认为，在细菌迁徙的竞争中，想要占领最大疆域，扩张速度越快越好，不同细菌单独跑的情况下也确实如此；然而，不同细菌同时跑的时候，情况出人意料。”刘陈立说道。在探究细菌迁徙的前期实验中，团队设计了4种培养环境，在每种环境中反复“演绎”细菌迁徙过程，各重复50个循环后发现：菌群的迁移速率呈发散状变化，占领外围的菌群越“跑”越快，而占领中心的菌群则不断放慢“脚步”。“这一现象出乎我们的意料，在均一环境下，一般认为‘先到先得’，速度变慢则意味着被淘汰，此前领域内的研究也都未注意到运动速度慢也有优势。”刘陈立表示，“我们的实验说明细菌在空间扩张过程中，不止采用加快运动速度这一种策略，还有其它因素决定着最终的‘版图’分布。”菌群大战“暴露”迁徙规律定量公式“算”出最优策略为找出菌群“攻城略地”的关键因素和共性规律，团队在后期设计了两两竞争实验，让运动速度不同的两个菌群在同一起点同时“扩张”，结果显示，一个非常特别的分水岭出现了。细菌群体迁徙进化实验“两个菌群出发后，菌群数量的空间分布会出现一个转折位置，在这里双方势均力敌，”刘陈立的博士生也是本文的第一作者刘为荣介绍说，“在该位置以内的空间，跑得慢的菌群占有优势，一旦超出这个位置，跑得快的菌群则以快取胜。” 随后，团队继续将“细菌大战”的实验扩展到三个菌群，结果形成了两大分水岭，由慢到快运动速度不同的菌群，从内而外各自占据了优势空间。经过5组进化菌群和合成生物学改造菌群的反复竞争实验证明，这一现象具有普遍性。刘陈立总结说，在整个迁徙过程中，每个种群都有着自己的“扩张策略”，根据想占领的空间面积及位置，调控各自的迁徙和生长速度，最终构成各占一隅的稳定格局。找到迁徙进化的规律后，研究团队根据模型计算和实验验证推导出一个简单定量公式，包含生存面积、运动速度、生长速度这三大关键因素。根据该公式，在已知空间大小的条件下，便能算出迁徙进化的最优策略。生物世界亦有规律可循“造物”工程获强大工具从生态学角度而言，这个定量原理认为不同物种在抢占各自的生存空间时，有着不同的生长速度和运动速度。这为解释同一生态环境条件下物种多样性的产生提供了启示。而此前的生态学理论大多认为所处生态环境的不同是导致物种多样性产生的原因。从合成生物学角度而言，如果说合成生物学是像拼“乐高”一样组装生物结构，那么本次研究得到的定量公式则为“造物”工程提供了全新的设计理论。“万有引力、热力学定律……物理世界已有许多规律可循。而我们认为，生物世界同样存在定量规律，理解了定量规律后，才可以真正实现生物的工程化，最终达到造物致知，造物致用。”刘陈立表示。作为基础研究领域的重大突破，此次从细菌上学习到的生物迁徙进化规律，能够从理论上指导多细胞生物或生态体系的构建。未来，在该理论的指导下，调控细胞运动、生长速度，定量计算细胞在空间中的分布位置，有望实现生物组织和器官的工程化合成。刘陈立团队由左至右：李登进(共同作者） 刘陈立（通讯作者） 刘为荣（共同第一作者）专家点评中国科学院院士赵国屏：从“描述”到“建构”生命科学研究正在开启以系统化、定量化和工程化为特征的“多学科会聚”研究的新时代，正在逐渐从描述（descriptive）阶段，经过分析（analysis）阶段向建构性（constructive/synthesis）阶段发展，最终达到对生命与生命过程“可预测、可调控和可创造”目标。在这个过程中，一个重要的科学问题是获得对生物体系有序结构形成原理的定量认识。中国科学院深圳先进研究院合成生物学研究所，中科院定量工程生物学重点实验室刘陈立研究员课题组和加州大学圣地亚哥分校华泰立教授实验室，针对这一重要科学问题，以大肠杆菌为单细胞模式生物，采用定量生物学和合成生物学的策略，独辟蹊径地将空间信息引入细菌实验性进化研究，经过多年坚持不懈的定量实验考察和理论分析，结合“设计-建构-检测”，最终探知了种群在空间上竞争性定植背后“隐藏”的定量规律，这一成果，生动体现在今天发表的这篇Nature长文之中。传统的细菌实验性进化通常只考虑时间信息，这个工作专门考察种群为什么能够在空间上竞争性定植，并解析这一定植过程中基因组的进化规律。他们发现，在不同大小空间上定植的细菌种群分别进化趋向不同的“稳定”迁移速率。进一步通过经典的两两竞争实验和数学模型分析，发现一个种群所占空间大小和区域位置，与其竞争者的迁移速率有着明确的定量关系。理论分析进一步预测遗传基础不同的细菌种群通过“细胞增殖”与“细胞迁移速率”之间的平衡，能自发地在不同的空间区域定植，并稳定共存。在解析了“编码”这一进化过程的基因组变异的基础上，作者又通过进化实验和合成生物改造菌株验证了上述定量规律和理论预测。这是一个完全原始创新的工作。它所揭示的定量规律能够为合成多细胞生物体系有序结构的设计与构建基础理论指导，是合成生物学“建物致知”研究理念的生动示范。同时，对于物种进化，特别是物种内部微进化理论的发展，也具有不可取代的重要意义，也是实验性进化研究的一次生动范例。这项研究表明，细菌不仅是开展定量生物学和合成生物学研究的极好材料，也是开展实验性进化研究的极好材料。但是，国内从事这方面研究的实验室不多。究其原因，一方面是需要研究者有很深厚的遗传学和进化科学的理论知识功底；另一方面，此类工作的成功需要在大量和长期的重复性精确测定获得的数据基础上，才可能给出定量分析和理论模型预测。希望这篇Nature长文的诞生，能够启发我国从事生命科学基础研究的研究者们（主要是青年研究人员，老师和学生），一方面加深研究功底的积累，加强研究能力的培养；另一方面拓展研究的视野，创新研究的思路。只要我们在这样一条艰难而正确的道路上坚持下去，我们的前途就一定是光明的。中国科学院院士欧阳颀：复杂生物过程背后的简单定量关系这个工作在针对微观生态进化的“时域”与“空域”的精细定量程度与系统程度方面跨出了一大步。在缺乏定量可控的实验情况下，达尔文的进化论无法发展出能够做出定量预测的理论，因而是不完整的。尤其是复杂时空变化的环境下，多物种的竞争与适应策略更是进化理论研究的难点。本文利用细菌的迁移和繁殖等基本生命参量，研究了不同细菌种群在限定营养的二维空间中，不同领地上定植能力最强的细菌种群的生长和扩张速率等适应力的演化规律。与通常认为的“先到先得”策略不同，特定领地上定植能力最强的细菌不是跑得最快的（扩张速率最大的），而是不同的领地对应着一个最优的扩张速率。更值得注意的，作者利用非线性动力学模型，推导了一个简单的定量关系解释了 “先到不先得”的违反直觉的实验结果。另外，这种细菌种群对领地的竞争定植可被认为是一种空间上的博弈游戏，作为游戏玩家的细菌将迁移速率作为一个策略，迁移速率稳定的平衡态类似于博弈论中的纳什均衡，也就是说从这个稳定策略中偏离的任何玩家都不会得到任何利益。这个漂亮的工作示范了复杂生物过程背后存在着简单定量关系。上海纽约大学经济学副教授翁韡韡：对现代企业扩张策略具有借鉴意义细菌迁徙扩张所获得的规律甚至可以推演企业在市场中应采取的最佳扩张策略。面对当今复杂多变的市场环境，个体企业很难简单快速地决定最优的公司规模以及相应的扩张速度。细菌迁移扩张实验的结果一定程度上也为“最优公司规模”理论提供了生物学上的证据。就菌群的迁移速率呈发散状变化这一结果而言，对应于公司决策层面，我们可以借鉴推演公司在探索最优规模的过程中所呈现的整体行为特征——不同类型的公司根据自身的特质以及对所处的市场环境大小，渐进式扩张，逐步明确适合自身的最优规模和相应的扩张速度，策略差异越发显著。区别于盲目的快速扩张，理性的逐步趋于各自最优扩张规模的做法也会自然带来公司类型以及市场的多样性。