SSB┃【清华卢元/张吉松课题组合作项目】利用微型套管反应模式建立CO2调控蛋白质合成的新范式

生命体系能够感知氧气（O₂）、二氧化碳（CO₂）等环境气体产生生理反应，且这些气体与生命合成分解代谢息息相关。其中蛋白质合成作为重要的代谢过程和应用需求，常常认为与环境中的O₂调节息息相关，而其它气体比如CO₂关注则较少。研究CO₂对蛋白质合成的影响具有重要基础和应用研究意义，不仅有助于推进生命科学基础研究，而且有助于指导如何利用CO₂实现高附加值功能蛋白质产品的高效合成。

然而，利用CO₂调控蛋白质合成面临两方面挑战亟需解决：一是传统利用细胞合成蛋白质的过程中，CO₂的传质和高浓度抑制问题；二是缺少快速精准调控水相中CO₂浓度且可以灵活放大的反应器模式。

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近日，清华大学卢元课题组联合清华大学张吉松课题组，在Synthetic and Systems Biotechnology发表文章，建立了融合前沿无细胞蛋白合成技术以及微型套管（tube-in-tube）新型膜反应器技术的全新蛋白质合成工程策略，实现了CO₂调控蛋白质合成的基础和应用研究新范式。

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体外无细胞蛋白质合成，是合成生物学研究的前沿热点，可在开放体系中实现蛋白质的高效合成，具备无跨膜运输问题、合成环境可灵活调控、高毒性忍耐性等优势，可解决气体CO₂运输传质等问题。微型套管（tube-in-tube）作为新型的膜反应器，具备高效气液传质和过程条件准确可控等优势，可解决CO₂在水相中快速传质和浓度精准调控的需求问题。本研究创新性地融合两种技术优势，开发了应用于蛋白质按需柔性连续合成新模式。通过调控微型套管反应器内管外的CO₂浓度，探究出适应蛋白合成的最佳CO₂浓度；同时探究了添加CO₂之后O₂对蛋白质合成影响的变化；进一步测试了不同气体条件下无细胞反应的代谢组变化，来探究CO₂对蛋白质合成的内在影响机制。该工作构建了一个同时具有开放生物合成体系和优异气体传质性能的生化反应合成平台，不仅可以作为基础研究平台深刻理解气体对生命过程的影响，还可以作为应用研究平台用于高效的功能蛋白质合成制造。其中发展的CO₂调控蛋白质合成的新范式，将革新绿色生物制造领域，促进生物医药、生物催化等国家重大需求领域的快速发展。

图: Schematic diagram of the tube-in-tube reactor for cell-free protein synthesis.

文 章 信 息

文章标题：

CO₂-elevated cell-free protein synthesis

期刊期卷号：

Synth Syst Biotechnol, 2022, 7 (3), pp. 911-917

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研究团队：

Xiaomei Lin#, Caijin Zhou#, Ting Wang#, Xiaoting Huang, Junxin Chen, Zhixia Li, Jisong Zhang*, Yuan Lu*

#第一作者：

        博士生林晓媚、博士生周才金、博士生王婷

* 通讯作者：

        卢元、张吉松

通讯作者介绍：

 

卢元

• 清华大学化学工程系

• 工业生物催化教育部重点实验室副教授

• 博士生导师

研究领域：

发展和应用前沿多学科交叉合成生物学技术，突破天然生命体系的限制，快速改造生物分子机器和系统网络，以解决生物制造与人类健康等领域最具挑战性的工程难题。

学术成就：

• 先后主持和参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目研究

• 在Small, PNAS, ACS Applied Materials & Interfaces， Bioresource Technology,  ACS Synthetic Biology, Biotechnology and Bioengineering, Synthetic and Systems Biotechnology， Bioresources and Bioprocessing 等国内外学术期刊发表论文80余篇

• 著作或参编书籍5部

• 公开和授权发明专利30余项

 

张吉松

• 清华大学化学工程系

• 化学工程联合国家重点实验室副教授

• 博士生导师

研究领域：

流动化学和微填充床气液固反应研究，主要包括：1）基于微填充床技术的加氢和氧化反应；2）医药中间体的连续高效合成；3）基于微器件的在线表征和分析技术。

学术成就：

• 在AIChE J, Chem Eng J, Anal Chem, React Chem Eng等发表SCI收录刊物论文70余篇

• 撰写中文专著章节2篇

• 公开和授权发明专利20余项，技术转化3项

期 刊 介 绍

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ynthetic and Systems Biotechnology 是高质量国际开放获取期刊，创刊于2016年。期刊覆盖合成生物学、系统生物学以及生物医药等领域的各个方面。

Synthetic and Systems Biotechnology 发表的文章和期刊征稿活动将及时在公众号进行分享，欢迎学者们关注话题集#合成和系统生物技术（SSB），及时掌握期刊研究动态。

期刊现已被SCIE、EMBASE、PubMed Central、Scopus、CSCD等重要数据库收录。

• 2021年获得第一个影响因子：4.781，Q1区

• 2020CiteScore: 8.4，学科领域排名14/113

• 期刊入选2019年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目

• 期刊是中国生物工程学会合成生物学专业委员会的会刊

• 期刊是生物反应器工程国家重点实验室的官方期刊

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