作为细胞结构与功能的中心参与者,蛋白质一直是生命科学研究的中心主题.分析蛋白质序列变异对其结构、功能的影响,是研究蛋白的重要手段之一.近年一种称为深度突变扫描(deep mutational scanning,DMS)的技术被广泛应用于蛋白研究领域,其通过高丰度DNA文库在蛋白特定区域平行引入成千上万种突变,经筛选后,利用高通量测序为每一种突变打分,从而揭示序列与功能之间的相关性.深度突变扫描以其高通量、快速简易、节省人工等特点,已经成为蛋白质功能研究以及蛋白工程改造的一种重要方法,目前已在蛋白进化、抗体改造、致病突变鉴定等蛋白研究的多个领域广泛应用.本综述简要概括了深度突变扫描技术的原理,重点介绍了其在哺乳动物细胞中的应用,同时分析了目前的技术瓶颈,旨在为相关研究提供参考.

启动子是起始基因转录的重要元件,启动子的功能与基因表达水平密切相关.启动子工程旨在研究启动子功能改造和定向进化,可以拓展和深化酿酒酵母启动子在合成生物学中的应用.基于酿酒酵母启动子的结构特征,重点综述了酿酒酵母启动子工程的策略和应用,即调控序列的敲除、传统启动子的随机突变、饱和突变、启动子杂交、合成最小化启动子骨架、转录因子结合位点的修饰和改造等技术原理和研究实例,并结合CRISPR/dCas9和人工智能工具在酿酒酵母启动子工程领域的最新进展,展望启动子工程在合成生物学领域的未来发展方向.

合成生物学的迅猛发展推动了微生物细胞工厂中多种复杂化学品的生物合成,但仍存在产量低、生产效率不高等诸多问题.基因编码型生物传感器可以感知细胞内外代谢物浓度及外界环境的波动,产生可测量的信号输出或调控通路中的基因表达水平,具有成本低、操作简单、可再生等优点.目前,基因编码型生物传感器已经成为合成生物学和代谢工程的重要组成部分,是微生物细胞工厂中代谢动态调控及理想表型进化/筛选的强大工具.概述了基因编码型生物传感器的组成及工作原理,重点介绍了基因编码型生物传感器在微生物代谢动态调控及高通量筛选中的最新研究进展,就基因编码型生物传感器设计与构建过程中面临的挑战进行探讨,并展望了其今后的发展方向.

自然界中大多数微生物处于未培养状态,被称为"微生物暗物质".随着微生物单细胞分离方法的不断更新,利用新技术、新方法应对微生物纯培养的挑战获得了重要进展,这些新的分离及培养策略对推动微生物资源学的发展具有重要意义.尽管宏基因组学和基因组学数据相关成果日益增多,但微生物单细胞的分离与培养对于系统研究微生物的生态功能、遗传进化等仍至关重要.本文主要概述了目前使用的或正在研发的膜扩散培养法、微流控分选、荧光激活细胞分选、单细胞拉曼分选、光镊技术、显微操作技术等单细胞分离技术的原理与应用,及其在微生物单细胞分离和培养方面的优点与不足,同时展望了这些单细胞分离技术未来的发展和应用前景.

植物古基因组学是基因组学一个新兴分支,从现存物种中重建其祖先基因组,推断在古历史中导致形成现存物种的进化或物种形成事件.高通量测序技术的不断革新使测序读长更长、更准确,加快了植物参考基因组序列的组装进程,为古基因组学研究提供了大批量可靠的现存物种的基因组序列资源.全基因组复制(whole-genome duplication,WGD)亦称古多倍化,使植物基因组快速重组,丢失大量基因,增加结构变异,对植物进化极其重要.本文综述了植物基因组测序与组装研究进展、植物古基因组学的原理、植物基因组WGD事件以及植物祖先基因组进化场景,并对未来植物古基因组学研究进行了展望.

基因突变对生命的进化具有重要意义,针对质粒的DNA定点诱变技术也是基因工程、蛋白质工程研究中的重要手段之一.为了提高质粒定点诱变的效率,本研究利用引物部分重叠的设计方案,使用Tm值相对固定的引物设计模式,将同一引物分为重叠区(Tm =50±2℃)和非重叠区(Tm=60±2℃),并在严格控制模板用量(2 pg/kb)的基础上,通过20个PCR循环对目标质粒进行定点诱变扩增,随后取0.5μL产物直接用于转化.在FastPfu Fly酶系中,利用此法构建了6个含碱基替换、缺失和插入的质粒,均获得成功,突变效率可达96％以上,阳性克隆获得数达70个以上.此外,利用4种不同PCR酶系对该法的适用性进行了评价,结果表明突变效率均可达93％以上,阳性克隆获得数均在10个以上.通过适当增加PCR模板用量(10 pg/kb)并使用纯化后的PCR产物进行转化,该法可适用于转化效率大于106(cfu/μg)的任意感受态细胞,对应的突变效率可大于91％,阳性克隆获得数大于20.根据本法的作用原理,该方案适合质粒中1O～ 20 bp(因重叠区GC含量及碱基序列的不同而改变)以内的任意碱基替换和插入,以及任意长度的DNA片段缺失.且具有通用性强、耗时少、诱变成功率高、成本低、对感受态及转化效率无特殊要求等优点,适合各实验室的日常研究使用.

随机水文过程受到随机性和确定性因素的综合影响,其时间序列不仅具有反映遗传特性的纯随机成分,还含有反映变异特性的确定性跳跃、趋势、周期成分和随机性相依成分,使得随机水文过程表现出复杂的变化形态和演变规律.为了对上述复杂的变化形态和演变规律进行统一认识,本文从随机过程模拟和时间序列分析两个角度描述了非一致性水文序列的遗传和变异特性或规律,同时对非一致性水文频率计算途径进行比较,说明非一致性研究面临的主要问题.在此基础上,本文借鉴生物基因概念来定义水文基因,并分别利用常规矩、权函数矩、概率权重矩、线性矩等描述水文基因的构建和表达过程;同时定义跳跃、趋势、周期、相依和纯随机成分为构成水文基因的5种水文碱基,综合考虑非一致性水文序列的遗传成分和变异成分,并阐述其遗传、变异和进化原理,以揭示水文要素概率分布遗传、变异和进化的演变规律.

非一致性水文频率分析是变化环境下工程水文计算需要解决的主要问题之一.本文从随机水文序列组成的角度,将不同时间尺度下的非一致性水文现象概化为具有遗传、变异与进化特性或规律的水文过程,据此借鉴生物基因理论提出水文基因的概念,并定义常规矩基因为水文序列的各阶原点矩和中心矩.为了识别与检验水文基因的各组成成分,创建了水文基因诊断系统.为了阐述水文基因的遗传、变异与进化原理,以P-Ⅲ分布为例详细描述了常规矩基因的构建与表达过程.以澜沧江流域允景洪站年最小1月流量序列为例,对上述基于常规矩基因的非一致性水文频率计算方法进行了可行性和实用性验证.结果表明:该方法能以水文基因变异识别为基础,揭示非一致性水文序列的演变规律,不仅为变化环境下工程水文计算提供了新的研究途径,也能为水安全评价提供重要的参考依据.

CRISPR/Cas9(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas9)是继锌指核酸酶(ZFNs)和类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)基因编辑技术之后的第三代基因编辑技术.CRISPR/Cas9在细菌和古生菌中广泛存在,是细菌在长期进化过程中形成的一种"适应性免疫防御",能够针对噬菌体感染、质粒接合和转化所造成的外源导入基因特异性识别、降解入侵的外源DNA,CRISPR/Cas9通过一段20 bp的短RNA来识别打靶位点的精准编辑技术.CRISPR/Cas9具有设计操作简便、编辑高效和通用性广等优点,是新一代具有革命意义的精准基因编辑技术.从CRISPR/Cas9的发现、作用机理、基因编辑以及应用局限等方面进行归纳总结,旨为理解其工作原理和精准基因编辑技术应用提供参考.

介绍核酸适配体及体外指数富集配体系统进化技术的原理,着重介绍核酸适配体不同靶标的亲和力表征方法,并对这些方法的优、缺点进行比较,建议未来可以联合多种互补的检测技术进行亲和力的相互印证.