合成生物技術(shù)重點實驗室平臺建設與管理

彭雅娟，邵文堯

合成生物技術(shù)重點實驗室平臺建設與管理

彭雅娟，邵文堯

（廈門大學 化學化工學院，福建 廈門 361005）

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(nèi)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(shù)重點實驗室平臺建設與運行情況進行總結(jié)分析，闡明了合成生物技術(shù)平臺對海洋生物資源挖掘、生物活性物質(zhì)開發(fā)、污染物資源化等技術(shù)研究中的協(xié)同創(chuàng)新帶動作用。

合成生物技術(shù)；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(guān)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(shù)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(yī)藥、能源、材料、環(huán)境和生命等領域關(guān)系極為密切的某些重大科學技術(shù)問題，是一個集研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化、成果推廣的產(chǎn)學研合作體系；同時是面向社會提供研發(fā)、技術(shù)（咨詢）服務、人員培訓、分析測試的開發(fā)的技術(shù)平臺。

1 平臺的研究方向和實施內(nèi)容

重點實驗室包括三個研發(fā)方向：（1）海洋極端氧化還原酶挖掘與新型生物分子機器構(gòu)建。從海洋、極地等極端環(huán)境挖掘新型極端氧化還原酶，基于合成生物學理念，依據(jù)工程學理論將極端酶按照“元件-模 塊-系統(tǒng)”的自下而上的方式進行研究；進一步研究酶功能結(jié)構(gòu)域、分子內(nèi)相互作用與對于極端反應環(huán)境的響應機制，設計組裝新型多酶分子機器；用于手性醫(yī)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(zhuǎn)化與資源化技術(shù)。針對環(huán)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(zhuǎn)化與代謝機制，設計有效生物途徑以實現(xiàn)污染物的轉(zhuǎn)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(guān)鍵基因組成與功能。（3）海洋微藻的自養(yǎng)和異養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)與生物活性物質(zhì)的開發(fā)。從極端海洋環(huán)境中篩選具有潛在生物活性的微藻菌株，結(jié)合發(fā)酵工程、生物工程、基因工程和分離純化的技術(shù)，從菌種篩選、原生質(zhì)體融合、基因組重排育種、發(fā)酵工藝優(yōu)化、先進分離、生物活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(yǎng)光照培養(yǎng)或異養(yǎng)高密度培養(yǎng)過程優(yōu)化，生產(chǎn)具有高附加值的生物活性物質(zhì)，如w-3和w-6多不飽和脂肪酸，蝦青素等類胡蘿卜素產(chǎn)品以及藻藍蛋白等產(chǎn)品。建立具有產(chǎn)業(yè)化潛力的微藻生產(chǎn)與技術(shù)開發(fā)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(nèi)容：

（1）研究溶劑體系對耐鹽氨基酸脫氫酶催化性能與結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，基于動、熱力學構(gòu)建應答模型；基于序列、結(jié)構(gòu)比對和能量響應，抽提、界定耐有機溶劑的結(jié)構(gòu)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(tài)相互作用網(wǎng)絡，界定動態(tài)模塊，研究三維結(jié)構(gòu)組裝與動態(tài)相互作用，揭示環(huán)境響應機制的結(jié)構(gòu)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(xiàn)高附加值的醫(yī)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(zhuǎn)化與資源化途徑與策略，解決其生物合成聚酯材料的關(guān)鍵問題；調(diào)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(jié)構(gòu)的關(guān)系。分析金屬砷、鉻等在環(huán)境的生物轉(zhuǎn)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(fā)微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)和高密度發(fā)酵技術(shù)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(yǎng)培養(yǎng)生產(chǎn)抗氧化劑蝦青素的培養(yǎng)技術(shù)，開發(fā)光照自養(yǎng)雨生紅球藻培養(yǎng)的光合生物反應器，研究氮源代謝調(diào)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(yǎng)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(yǎng)螺旋藻的動力學模型，指導微藻光合培養(yǎng)規(guī)?；a(chǎn)；開發(fā)高效分離和采集微藻菌體的生產(chǎn)技術(shù)[6-7]。

2 平臺實驗室的功能化設置

根據(jù)自身實驗室特色及發(fā)展方向、定位目標，重點實驗室構(gòu)建了合成生物構(gòu)建與評價技術(shù)實驗室、生物催化劑改造與制備技術(shù)實驗室、合成生物應用技術(shù)實驗室等功能實驗室。

（1）合成生物構(gòu)建與評價技術(shù)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(huán)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(xié)助完成基因組重排育種、發(fā)酵工藝優(yōu)化、生物活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(shù)實驗室。配備有電子天平、生化培養(yǎng)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(yǎng)振蕩器，以上硬件設備可協(xié)助完成菌種培養(yǎng)、菌種篩選、發(fā)酵工藝技術(shù)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(shù)實驗室。配備有生物反應器、制備型液相色譜儀、基因?qū)雰x、智能光照培養(yǎng)箱、恒溫混勻儀、電穿孔儀、凝膠成像系統(tǒng)紫外投射儀、凝膠成像系統(tǒng)，以上硬件設備可協(xié)助完成手性醫(yī)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(yǎng)規(guī)?；a(chǎn)、開發(fā)高效分離和采集微藻菌體的生產(chǎn)技術(shù)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(gòu)，負責研究開發(fā)的組織、實施及實驗室日常管理工作；根據(jù)研究課題的需要，組成了三個研究課題小組，采取產(chǎn)學研結(jié)合的方式，完成專項課題研究與產(chǎn)品開發(fā)工作。

實驗室管理平臺以產(chǎn)學研結(jié)合為基礎，全面、堅決地貫徹“開放、流動、聯(lián)合、競爭”的開放運行管理方針，充分發(fā)揮學術(shù)委員會的指導、監(jiān)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(nèi)相關(guān)領域一流的科學研究、產(chǎn)業(yè)化和人才培養(yǎng)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(guī)定，保證實驗室高效安全運轉(zhuǎn)，為規(guī)范實驗操作，制訂了一系列嚴格的規(guī)章制度：“廈門市合成生物技術(shù)重點實驗室管理條例”“廈門市合成生物技術(shù)重點實驗室人員聘任條例”“廈門市合成生物技術(shù)重點實驗室學術(shù)委員會崗位責任”“廈門市合成生物技術(shù)重點實驗室儀器設備管理條例”“廈門市合成生物技術(shù)重點實驗室實驗技術(shù)人員崗位責任”“廈門市合成生物技術(shù)重點實驗室研究人員管理條例”“廈門市合成生物技術(shù)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(shù)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(guī)章制度，督促實驗人員養(yǎng)成良好的實驗習慣。實驗開始前需進行相應的技術(shù)操作與安全教育培訓，經(jīng)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(qū)域的衛(wèi)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(shù)實驗室對于實驗環(huán)境要求較高，需定期檢測實驗室空氣潔凈度、溫濕度等相關(guān)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(jīng)驗的研究生負責日常的安全衛(wèi)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(nèi)安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并建立各實驗室的QQ群、微信群等，交流實驗技術(shù)、實驗操作過程及儀器使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，力爭做到發(fā)現(xiàn)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(shù)水平及安全衛(wèi)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(jīng)費近1 500萬元，共獲得專利72件，其中發(fā)明專利授權(quán)45件，發(fā)表SCI論文78篇；為相關(guān)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(yǎng)裂殖壺菌發(fā)酵生產(chǎn)二十二碳六烯酸等研究成果已成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并獲得福建省科學技術(shù)進步二等獎，為企業(yè)取得了良好的經(jīng)濟效益，促進了社會和行業(yè)的技術(shù)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(xù)8年獲得了金獎，提升了實驗室在國內(nèi)外的知名度，取得了良好的社會效益。

5 結(jié)語

綜上所述，廈門市合成生物技術(shù)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(jīng)驗，將技術(shù)平臺與運行管理機制建設相結(jié)合，研制和開發(fā)出了一些具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)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(gòu)建和生物催化劑以及生物合成聚酯材料等技術(shù)，可為多家生物工程企業(yè)提供技術(shù)支持，為企業(yè)提供技術(shù)服務和相關(guān)人員培訓。通過合成生物技術(shù)平臺的建設與發(fā)展，可以實現(xiàn)合成生物學領域的產(chǎn)學研結(jié)合，為企業(yè)提供技術(shù)支持，提高企業(yè)的技術(shù)水平，高效推動生物產(chǎn)業(yè)超常規(guī)、跨越式發(fā)展。

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Construction and management of key laboratory platform for synthetic biotechnology

PENG Yajuan, SHAO Wenyao

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Synthetic biology is an important emerging discipline. This paper summarizes and analyses the construction and operation of Xiamen Key Laboratory Platform for Synthetic Biotechnology from the aspects of research direction and implementation content, construction of functional laboratory, management and operation mechanism and platform benefit, and expounds upon the synergistic and innovative driving role of the synthetic biotechnology platform in marine biological resources mining, bioactive substance development, pollutant resource utilization, etc.

synthetic biotechnology; key laboratory; platform construction

G482

A

1002-4956(2019)07-0263-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.065

2018-11-28

2017年福建省本科高校教育教學改革研究項目（FBJG20170277）；2016年福建省本科高校教育教學改革研究項目

彭雅娟（1981—），女，福建廈門，碩士，工程師，主要從事實驗室建設、日常管理與維護.E-mail: pyajuan@xmu.edu.cn

邵文堯（1980—），男，福建廈門，碩士，工程師，主要從事實驗室建設與管理、實驗課教學.E-mail: wyshao@xmu.edu.cn