實驗室平臺建設生物技術論文

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摘要：合成生物學是一門重要的新興學科。該文從研究方向和實施內容、功能實驗室的建設、管理運行機制及平臺效益等方面，對廈門市合成生物技術重點實驗室平臺建設與運行情況進行總結分析，闡明了合成生物技術平臺對海洋生物資源挖掘、生物活性物質開發、污染物資源化等技術研究中的協同創新帶動作用。

關鍵詞：合成生物技術；重點實驗室；平臺建設

自2000年《自然》（Nature）雜志報道了人工合成基因線路研究成果以來[1]，合成生物學研究在全世界范圍引起了廣泛的關注與重視。2014年廈門市科技局批準建設廈門市合成生物技術重點實驗室，該實驗室以開展合成生物學的應用基礎研究為主，解決與化工、醫藥、能源、材料、環境和生命等領域關系極為密切的某些重大科學技術問題，是一個集研發、產業化、成果推廣的產學研合作體系；同時是面向社會提供研發、技術（咨詢）服務、人員培訓、分析測試的開發的技術平臺。

1平臺的研究方向和實施內容

重點實驗室包括三個研發方向：（1）海洋極端氧化還原酶挖掘與新型生物分子機器構建。從海洋、極地等極端環境挖掘新型極端氧化還原酶，基于合成生物學理念，依據工程學理論將極端酶按照“元件-模塊-系統”的自下而上的方式進行研究；進一步研究酶功能結構域、分子內相互作用與對于極端反應環境的響應機制，設計組裝新型多酶分子機器；用于手性醫藥中間體、精細化學品等高附加值化學品的綠色生物制造。（2）污染物的生物轉化與資源化技術。針對環境中的典型污染物如有機固體廢棄物、重金屬等，研究其生物轉化與代謝機制，設計有效生物途徑以實現污染物的轉化與資源化。通過篩選高效合成生物絮凝劑的菌種以處理污染物，基于合成生物學理念，研究生物絮凝劑的合成與代謝途徑與機制；進一步研究生物絮凝劑關鍵基因組成與功能。（3）海洋微藻的自養和異養發酵技術與生物活性物質的開發。從極端海洋環境中篩選具有潛在生物活性的微藻菌株，結合發酵工程、生物工程、基因工程和分離純化的技術，從菌種篩選、原生質體融合、基因組重排育種、發酵工藝優化、先進分離、生物活性物質結構分析及毒理藥理分析等方面開展研究工作。重點研究通過微藻的自養光照培養或異養高密度培養過程優化，生產具有高附加值的生物活性物質，如-3和-6多不飽和脂肪酸，蝦青素等類胡蘿卜素產品以及藻藍蛋白等產品。建立具有產業化潛力的微藻生產與技術開發平臺。基于以上研究方向，重點實驗室設置了以下3個實施內容：（1）研究溶劑體系對耐鹽氨基酸脫氫酶催化性能與結構的影響規律，基于動、熱力學構建應答模型；基于序列、結構比對和能量響應，抽提、界定耐有機溶劑的結構響應元件，揭示耐鹽酶的有機溶劑耐受機制；基于氨基酸動態相互作用網絡，界定動態模塊，研究三維結構組裝與動態相互作用，揭示環境響應機制的結構基礎；設計組裝新型多酶分子機器，用于非水相體系中手性胺、手性氨基酸等手性化合物的生物催化制備，實現高附加值的醫藥中間體、精細化學品的綠色生物制造[2-3]。（2）研究有機固體廢棄物的生物轉化與資源化途徑與策略，解決其生物合成聚酯材料的關鍵問題；調控有機固體廢棄物生物合成聚酯材料過程中的微生物組成和功能以提高效率，闡明有機固體廢棄物和聚酯材料結構的關系。分析金屬砷、鉻等在環境的生物轉化途徑，研究其微生物介導氧化還原過程機制，分析外源材料作用下微生物胞外電子傳遞及金屬還原過程；篩選高效合成生物絮凝劑的菌種以處理污染物，采用合成生物學及代謝組學分析其生物絮凝劑的合成與代謝途徑，探討生物絮凝劑對污染物去除效率和機理[4-5]。（3）依托海洋生物資源，從海洋微藻篩選分離富含DHA的裂殖壺藻菌株，開發微藻的異養培養和高密度發酵技術以及不飽和脂肪酸的高效分離方面工作；研究利用雨生紅球藻自養培養生產抗氧化劑蝦青素的培養技術，開發光照自養雨生紅球藻培養的光合生物反應器，研究氮源代謝調控對蝦青素的影響和分離提取等方面工作；篩選耐高溫和強光照的螺旋藻菌株，研究培養過程螺旋藻氮源濃度和光照強度對藻藍蛋白的影響，建立光照培養螺旋藻的動力學模型，指導微藻光合培養規模化生產；開發高效分離和采集微藻菌體的生產技術[6-7]。

2平臺實驗室的功能化設置

根據自身實驗室特色及發展方向、定位目標，重點實驗室構建了合成生物構建與評價技術實驗室、生物催化劑改造與制備技術實驗室、合成生物應用技術實驗室等功能實驗室。（1）合成生物構建與評價技術實驗室。配備有雙光束紫外可見分光光度計、多功能酶標儀、液相色譜儀、生化分析儀、電泳儀、電泳槽、熱循環儀、核酸電泳儀、垂直電泳儀、蛋白第二向電泳儀、專用電泳凝膠掃描儀、等電聚焦儀、氣相色譜儀、總有機碳分析儀，以上硬件設備可協助完成基因組重排育種、發酵工藝優化、生物活性物質結構分析及毒理藥理分析等方面研究工作。（2）生物催化劑改造與制備技術實驗室。配備有電子天平、生化培養箱、超聲波細胞破碎儀、攪拌式超濾裝置、全自動電子滅菌器、微生物生長曲線儀、高速冷凍離心機、超低溫冰箱、恒溫培養振蕩器，以上硬件設備可協助完成菌種培養、菌種篩選、發酵工藝技術研究、多酶分子樣品制備等方面研究工作。（3）合成生物應用技術實驗室。配備有生物反應器、制備型液相色譜儀、基因導入儀、智能光照培養箱、恒溫混勻儀、電穿孔儀、凝膠成像系統紫外投射儀、凝膠成像系統，以上硬件設備可協助完成手性醫藥中間體高附加值化學品的綠色生物制造、生物絮凝劑的合成與代謝途徑、微藻光合培養規模化生產、開發高效分離和采集微藻菌體的生產技術等研究工作。

3平臺的運營管理

3.1運行管理。重點實驗室以廈門大學化學化工學院化學工程與生物工程系為依托，組建常設組織機構，負責研究開發的組織、實施及實驗室日常管理工作；根據研究課題的需要，組成了三個研究課題小組，采取產學研結合的方式，完成專項課題研究與產品開發工作。實驗室管理平臺以產學研結合為基礎，全面、堅決地貫徹“開放、流動、聯合、競爭”的開放運行管理方針，充分發揮學術委員會的指導、監督作用，切實加強各項日常工作的管理，努力將本實驗室建設成為國內相關領域一流的科學研究、產業化和人才培養基地。3.2管理制度。行之有效的管理是以制度為基礎的，重點實驗室對實驗室人員管理、儀器設備使用、安全以及學生實驗等進行明文規定，保證實驗室高效安全運轉，為規范實驗操作，制訂了一系列嚴格的規章制度：“廈門市合成生物技術重點實驗室管理條例”“廈門市合成生物技術重點實驗室人員聘任條例”“廈門市合成生物技術重點實驗室學術委員會崗位責任”“廈門市合成生物技術重點實驗室儀器設備管理條例”“廈門市合成生物技術重點實驗室實驗技術人員崗位責任”“廈門市合成生物技術重點實驗室研究人員管理條例”“廈門市合成生物技術重點實驗室本科生實驗教學工作條例”“廈門市合成生物技術重點實驗室安全工作條例”“實驗室崗位責任制”。督促實驗人員嚴格遵守各項規章制度，督促實驗人員養成良好的實驗習慣。實驗開始前需進行相應的技術操作與安全教育培訓，經考核合格者方準許到相應的功能實驗室進行實驗，并承擔維護本實驗區域的衛生安全職責。3.3日常管理和管理信息化。指定專門人員負責各功能實驗室的日常管理。例如生物催化劑改造與制備技術實驗室對于實驗環境要求較高，需定期檢測實驗室空氣潔凈度、溫濕度等相關指標，確保實驗順利進行。其他實驗室也安排專門的教師及有經驗的研究生負責日常的安全衛生、實驗及儀器設備操作等方面的管理。在重點實驗室范圍內安裝了視頻監控系統，并建立各實驗室的QQ群、微信群等，交流實驗技術、實驗操作過程及儀器使用過程中經常出現的問題，力爭做到發現問題及時解決，集思廣益。通過信息交流，開拓和提高實驗室人員的理論水平、實驗技術水平及安全衛生意識。

4平臺的效益

重點實驗室共有510臺/套儀器設備，總價830.99萬元。自2014年成立以來，共投入經費近1500萬元，共獲得專利72件，其中發明專利授權45件，發表SCI論文78篇；為相關單位提供“海洋源化合物及其分離物的檢測與表征”“用于海洋活性化合物分離的功能化膜測試與表征”等測試服務；高密度培養裂殖壺菌發酵生產二十二碳六烯酸等研究成果已成功實現產業化，并獲得福建省科學技術進步二等獎，為企業取得了良好的經濟效益，促進了社會和行業的技術進步；指導本科生參加國際遺傳工程機器設計競賽（iGEM）已連續8年獲得了金獎，提升了實驗室在國內外的知名度，取得了良好的社會效益。

5結語

綜上所述，廈門市合成生物技術重點實驗室在建設過程中借鑒部分高校實驗室建設的成果和經驗，將技術平臺與運行管理機制建設相結合，研制和開發出了一些具有我國自主知識產權和市場競爭力的研究成果，并力爭推向市場[11-13]。目前重點實驗室已擁有合成生物構建和生物催化劑以及生物合成聚酯材料等技術，可為多家生物工程企業提供技術支持，為企業提供技術服務和相關人員培訓。通過合成生物技術平臺的建設與發展，可以實現合成生物學領域的產學研結合，為企業提供技術支持，提高企業的技術水平，高效推動生物產業超常規、跨越式發展。

作者:彭雅娟 邵文堯 單位:廈門大學