2020年,依据现代生命科学研究成果及发展趋势,笔者课题组首次提出中药道地性可表现为道地药材具有"优形、优质、优效"(excellent shape,high quality,and superior effect,简称"三优")特征,拓宽了传统药材辨状的范畴.近年来,随着对中药道地性自然属性、物质属性、药物属性研究的逐步深入,丰富和完善了道地药材"三优"的科学内涵."优质"(high quality)特征主要体现为道地药材具有"独特化学型",其可作为"优效"(superior effect)的物质基础,也可参与调控"优形"(excellent shape)的形成.与"形神合一"相似,在长期进化过程中,道地药材逐渐形成独特的环境适应性特征,表现为"形质合一".道地药材"三优"特征受到品种基因型和产区生态因子交互作用的影响,可体现为气候主导型、生产措施主导型、种质主导型.根据道地药材自然属性、物质属性、药物属性,可构建丹参等模式生物,并建立"三优"研究方法体系,包括基于"优质"特征的质量评价体系、"性效关系"表征方法体系、基于"优形、优质"特征的稳态综合控制体系等.未来道地药材研究应更加注重深入和广泛的基础性工作,需要建立综合性的药用模式植物研究平台,并构建药用模式植物突变体库,以便为其他药用植物的功能基因研究提供有力的模式生物.同时,针对道地药材"三优"特征的研究,提出了 3个热点研究方向,旨在揭示其遗传基础、生物学特性、生态适应性等方面的机制.这些研究将为优化药用植物的定向育种、规范化栽培以及提升药材质量提供科学依据,进一步推动道地药材的可持续利用和发展.

目的:研究蜂毒肽Protopolybia-MP Ⅲ及其优化突变体MP Ⅲ-3/4/7/10/14 在体外对Ⅰ型单纯疱疹病毒(HSV-1)复制周期不同阶段的抑制活性.方法:通过qPCR技术和多肽分阶段孵育平台,检测蜂毒肽Protopoly-bia-MP Ⅲ及 5 个优化突变体在Vero细胞内对HSV-1 感染的预防作用,以及其对HSV-1 复制周期不同阶段的影响.结果:Protopolybia-MP Ⅲ多肽突变体MP Ⅲ-4/10/14 预处理Vero细胞后去除上清,能限制HSV-1 感染.进一步通过多肽抗病毒作用阶段分析实验,发现野生型多肽Protopolybia-MP Ⅲ主要作用于HSV-1 复制周期的吸附阶段,而MP Ⅲ-3/14 主要作用于病毒复制周期的进入/融合以及进入后阶段,MP Ⅲ-4/7 主要作用于病毒复制周期的吸附以及进入/融合阶段,MP Ⅲ-10 主要作用于病毒复制周期的吸附以及进入后阶段.结论:本工作明确了蜂毒肽Protopolybia-MP Ⅲ及其突变体MP Ⅲ-3/4/7/10/14 对HSV-1 复制周期不同阶段的抑制活性,初步阐明了Protopolybia-MP Ⅲ多肽优化突变体抗病毒活性提高的原因,为胡蜂抗病毒多肽的分子设计和药用研究奠定基础.

目的:分析发热伴血小板减少综合征病毒(SFTSV)不同基因型和突变体的中和特性。方法:采用VSVΔG-Fluc*G骨架构建SFTSV不同基因型和突变体的假病毒，建立以假病毒为基础的中和抗体检测方法。制备不同基因型DNA疫苗并免疫豚鼠采集血清。对DNA疫苗免疫后血清以及自然感染者的血清进行中和抗体检测，分析其中和特性。结果:成功构建了5个基因型和43株突变体的假病毒。通过条件优化，建立了以假病毒为基础的中和抗体检测方法。利用报告基因表达量的减少，将中和抗体对假病毒的半数感染抑制率所对应的稀释倍数作为中和抗体滴度。以参考株HB29检测，自然感染者的中和抗体滴度在1∶100～1∶43 000之间，不同基因型DNA疫苗免疫后的中和抗体在1∶100～1∶2 500之间。不同基因型和突变体对DNA疫苗免疫的豚鼠血清以及自然感染者血清的中和抗体检测差异无统计学意义。结论:各基因型和突变体的中和特性未发现明显改变，对疫苗毒株的选择具有重要参考价值。

目的:对嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)来源的谷胱甘肽双功能合成酶(glutathione bifunctional synthetase,GshF)在大肠杆菌(Escherichia coli)进行表达,对 GshFst 进行定点突变,得到酶活和稳定性有所提高的突变株,并对突变株全细胞催化条件进行优化.方法:选择6种不同的表达载体表达,获得最优表达载体后利用单因素试验进行诱导条件的优化,在此基础上,利用AlphaFold2对GshFst进行建模和分子对接,通过预测得到突变位点,经单点突变及组合突变,获得优势突变体,并对催化条件进行优化.结果:GshF在大肠杆菌中成功表达,获得了突变体GshFstL136K/V498C,其比酶活为12.03 U/mg,较野生型提高了 86.80％,在37℃的半衰期为134.24 min,较野生型提高了 40.95％.以GshFstL136K/V498C为出发菌株,采用单因素试验对全细胞催化条件优化,得到的最佳催化条件是:生物量OD600=30,反应温度40℃,反应pH 9.0,缓冲液Tris-HCl 50 mmol/L、L-谷氨酸 40 mmol/L,L-半胱氨酸 25 mmol/L,甘氨酸 40 mmol/L,ATP 25 mmol/L,催化3 h后,GSH浓度可以达到24.17 mmol/L,底物L-半胱氨酸的转化率约为96.68％.结论:筛选到了适合GshFst的表达载体及诱导表达条件,对GshFst进行半理性改造提高了其催化活性和稳定性,通过优化获得了全细胞催化合成GSH的工艺.

以深度学习为代表的新一代人工智能技术已经成为推动新药研发的重要驱动力.本文创造性地提出了一种基于人工智能技术的创新药物分子设计和优化工作流程"分子工厂",该流程融合了自主研发的智能分子生成模型、高性能分子对接算法以及高精度亲和力预测方法,已作为核心模块被整合进一站式药物设计软件平台DrugFlow,为先导化合物发现和优化提供了一整套成熟的解决方案.利用"分子工厂"模块,针对Menin蛋白开展了抗耐药第 2代抑制剂的研发.通过计算和实验的结合,快速获得多个潜力化合物,其中化合物RG-10对Menin野生型、M327I突变体和T349M突变体的IC50 分别为9.681 nmol/L、233.2 nmol/L和 40.09 nmol/L;与已进入Ⅱ期临床的阳性参照分子SNDX-5613相比,其对M327I和T349M突变体的抑制活性显著提升.上述研究充分展现了"分子工厂"技术在新药研发项目中的独特优势,能快速高效地针对特定蛋白结构产生高质量的活性分子,对推动新药研发具有重大价值和深远意义.

CRISPR-Cas系统是细菌或古细菌内抵御病毒再次入侵的一种适应性免疫系统,能够对靶向核酸进行切割.基于Cas9 蛋白及其突变体的特性,科学家开发出多样化的基因编辑工具,能够对细胞内的基因进行敲除或敲入等基因编辑操作,实现生物的遗传变异;或对DNA或RNA进行表观修饰,调控基因的表达,已广泛地应用于生命科学的研究.禽类是农业中的重要物种,为人类提供优质的蛋白质.在禽类的基因组编辑和修饰中,CRISPR-Cas9 技术仍处于研究状态,且只在鸡和鹌鹑两种家禽上取得实质性进展.本文从CRISPR-Cas9 系统的组成成分、传递方法、优化策略介绍了CRISPR-Cas9 基因编辑技术及其在家禽生产和疾病防控中的应用,为进一步开发适用于家禽体系的CRISPR-Cas9 提供理论基础.

[背景]作为降解木聚糖的核心酶种,木聚糖酶可以有效促进木质纤维素的消化水解,在动物养殖领域应用广泛.来源于嗜热细菌贝斯其热解纤维素菌(Caldicellulosiruptor bescii)的GH10 家族木聚糖酶CbXyn10C最适温度为 85℃,在 80℃条件下具有良好的热稳定性,具有饲料工业应用潜力.[目的]为满足饲料制粒尤其是水产饲料加工过程的工艺要求,进一步提高木聚糖酶CbXyn10C的热稳定性并阐明其耐热机理.[方法]以CbXyn10C晶体结构为基础,采用刚性氨基酸引入、疏水作用网络重排 2 种策略对其热稳定性进行理性设计,获得在 100℃条件下比活提高的单点突变体后,通过有益突变位点叠加策略进一步提升酶的热稳定性,最后采用分子动力学模拟技术分析其热稳定性提高的分子机制.[结果]共获得了 4 个稳定性提高的单点突变体A45P、T69P、F309V和A325P,其中突变体A45P效果最优.随着在A45P基础上另外 3 个突变位点的叠加,酶的热稳定性在不损失酶活的前提下得到了逐步提升.获得的四点突变体A45P/F309V/A325P/T69P的耐热性最好,其最适反应温度和熔解温度Tm值较野生型分别提高了 5℃和 6.8℃.分子动力学模拟技术分析发现 4 个位点的突变引入了新的氢键作用力且优化了疏水作用网络,进而导致酶的结构构象更加稳定.[结论]本研究不仅提高了木聚糖酶在饲料工业中的应用价值,而且对基于酶蛋白结构的稳定性分子改造提供了理论支持.

γ-氨基丁酸可由谷氨酸脱羧酶(glutamate decarboxylase,GAD)催化谷氨酸一步合成,反应体系成分简单、环境友好.然而,绝大多数GAD酶催化pH偏酸性且反应范围狭小,需要加入无机盐维持最适催化环境,增加了生产附加成分.此外,随着产物 γ-氨基丁酸的生成,溶液 pH 会逐渐上升,不利于 GAD 酶的持续转化.本研究首先从实验室保藏的一株高产 γ-氨基丁酸的植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)中克隆得到谷氨酸脱羧酶LpGAD,基于酶蛋白表面电荷修饰,选择 9 个位点进行定点突变及组合突变,酶学性质表征结果显示三突变体 LpGADS24R/D88R/Y309K在催化 pH 区间内酶活力整体提高,尤其拓宽了在偏中性pH 6.0下的酶活,为野生酶的1.68倍.接下来,通过分子动力学模拟解析了酶活提高的机理.此外,将Lpgad与LpgadS24R/D88R/Y309K突变基因分别在谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)E01 中过表达,通过优化确定了摇瓶最适转化条件为反应温度40℃,菌体量OD600=20,底物L-谷氨酸 100.0 g/L,5-磷酸吡哆醛添加量为 100 μmol/L.5 L发酵罐中,不调节 pH,通过分批投料底物 L-谷氨酸,γ-氨基丁酸产量高达 402.8 g/L,较对照菌株提高了1.63倍.本研究成功拓宽了LpGAD的pH催化范围及酶活,提高了γ氨基丁酸的转化效率,为实现其规模化工业生产奠定了基础.

本研究分析了共表达白细胞介素-15(interleukin-15,IL-15)和趋化因子配体19(C-C chemokine ligand 19,CCL19)的EGFRvⅢ CAR-T细胞的功能特性及其体外特异性杀伤效果,旨在优化CAR-T细胞多项功能,提高靶向 EGFRvⅢ 的 CAR-T细胞对胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM)的治疗效果.通过基因工程技术获得重组慢病毒质粒,转染 293T 细胞获得慢病毒并感染 T 细胞获得靶向EGFRvⅢ的第四代CAR-T细胞(EGFRvⅢ-IL-15-CCL19 CAR-T).利用流式细胞仪、细胞计数仪、趋化小室、凋亡试剂盒等检测了第四代和第二代CAR-T细胞(EGFRvⅢ CAR-T)的CAR分子表达率、增殖、趋化能力、体外特异性杀伤能力及抗凋亡能力等.结果表明,与EGFRvⅢ CAR-T细胞相比,EGFRvⅢ-IL-15-CCL19 CAR-T细胞能成功分泌IL-15 和CCL19,具有更强的体外增殖能力、趋化能力以及抗凋亡能力(P值均<0.05),而体外特异性杀伤能力无显著差异.因此,靶向 EGFRvⅢ且同时分泌IL-15 和CCL19 的CAR-T细胞有望提高胶质母细胞瘤的治疗效果,为临床试验提供一定的参考依据.

枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)是公认的食品安全菌株,目前已被用于多种高附加值产品的生物合成,包括被广泛用作营养化学品和药物中间体的N-乙酰神经氨酸(N-acetylneuraminic acid,NeuAc).响应目标产物的生物传感器被广泛用于代谢工程中的动态调控和高通量筛选等方面,以提高生物合成效率.但是,枯草芽孢杆菌中缺乏可高效响应NeuAc的生物传感器.因此,本文首先测试和优化了能将胞外NeuAc转运进胞内的转运蛋白,获得了一系列具有不同转运能力的菌株,以用于后续响应NeuAc的生物传感器的验证;随后将响应NeuAc的转录因子Bbr_NanR的结合位点插入枯草芽孢杆菌组成型启动子的不同位置,筛选具有活性的杂合启动子;接下来,通过在具有NeuAc转运能力的枯草芽孢杆菌中表达Bbr_NanR,选择能响应NeuAc的杂合启动子,并进一步通过优化 Bbr_NanR 表达量获得了一系列动态范围广、激活倍数高的生物传感器,其中生物传感器P535-N2能灵敏地响应胞内NeuAc浓度的变化,具有最大的动态范围,为(180?20 245)AU/OD;P566-N2 则具有最高的激活倍数,为 122 倍,是已报道的枯草芽孢杆菌中响应N-乙酰神经氨酸的生物传感器的 2 倍.本文构建的响应NeuAc的生物传感器可用于高产NeuAc的酶突变体和枯草芽孢杆菌菌株的筛选,为枯草芽孢杆菌生物合成NeuAc提供了高效、灵敏的分析和调控工具.