文章討論了如何利用合成生物學(xué)工具克服傳統(tǒng)生物材料構(gòu)建方法的局限，回顧了近年來合成生物學(xué)賦能的生物材料在疾病診斷和治療上的應(yīng)用，并對該領(lǐng)域未來發(fā)展可能面臨的機遇與挑戰(zhàn)做出概述。近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所于寅副研究員、陳飛副研究員聯(lián)合華南理工大學(xué)葉健文副教授在學(xué)術(shù)期刊Bioactive Materials上發(fā)表題為Engineering the next generation of theranostic biomaterials with synthetic biology的綜述。文章討論了如何利用合成生物學(xué)工具克服傳統(tǒng)生物材料構(gòu)建方法的局限，回顧了近年來合成生物學(xué)賦能的生物材料在疾病診斷和治療上的應(yīng)用，并對該領(lǐng)域未來發(fā)展可能面臨的機遇與挑戰(zhàn)做出概述。文章旨在向生物材料領(lǐng)域研究同行介紹合成生物學(xué)方法，促進相關(guān)學(xué)科在交叉領(lǐng)域的交流與合作。深圳先進院研究助理王象為第一作者，深圳先進院于寅副研究員、陳飛副研究員和華南理工大學(xué)副教授葉健文為文章共同通訊作者，深圳先進院研究助理羅怡萱和梁倩怡也參與了本文的撰寫。生物材料幾經(jīng)更迭，已由最初惰性、靜態(tài)材料發(fā)展為可與人體微環(huán)境互作的動態(tài)活性材料。而其應(yīng)用領(lǐng)域也不再僅限于最初的再生醫(yī)學(xué)，被廣泛用于各類疾病的診斷、治療和模型建立。隨之而來的是對生物材料所提出的新的需求，比如：更高的材料復(fù)雜性、精準(zhǔn)度、多功能化，以及快速的研發(fā)和生產(chǎn)周期等。傳統(tǒng)生物材料的制造受限于化學(xué)和物理方法，難以實現(xiàn)較為復(fù)雜的診療功能。而合成生物學(xué)致力于構(gòu)建人工生物系統(tǒng)以實現(xiàn)特定功能，能為生物材料設(shè)計提供新的視角。合成生物學(xué)的發(fā)展已進入其第三個十年，大量的方法已被建立去構(gòu)建不同層次的生物體系（生物分子、單細胞、多細胞體系等），用以解決包括疾病診療在內(nèi)的多個領(lǐng)域的問題。這些功能可通過對現(xiàn)有的生物體系（細胞、非細胞體系）進行改造，又或是從頭設(shè)計而實現(xiàn)。文章以細胞體系的改造為例，簡述了如何通過底盤的選擇、基因線路的設(shè)計以及基因線路的導(dǎo)入，實現(xiàn)功能細胞的構(gòu)建。合成生物學(xué)相比傳統(tǒng)化學(xué)、物理方法制備生物材料具有多方面的優(yōu)勢，如：1）實現(xiàn)更高效、經(jīng)濟的生物材料生產(chǎn)；2）創(chuàng)新材料分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；3）構(gòu)建多種模式的雜化活材料；4）增加自組裝活材料的復(fù)雜性和可控性。文章基于材料成分和組裝特點，闡述了合成生物學(xué)賦能的生物材料在疾病診斷和治療方面的應(yīng)用。診療材料被分為三類，即：1）非活體材料，不含有完整活細胞，如細胞來源的大分子以及基因激活的仿生支架；2）雜化活材料，由工程化改造細胞和非細胞成分形成，如某些含有診療細胞的生物電子器件；3）自組裝活材料，該類材料由細胞及細胞來源成分通過自組裝形成，如生物被膜和多細胞組織。傳統(tǒng)的生物材料依賴于天然的細胞來源組分（如：核酸、多肽、透明質(zhì)酸、脫細胞基質(zhì)），以單一或組合的形式進行應(yīng)用。合成生物學(xué)方法給予研究者更高的自由度，對這些非活體材料進行理性改造或從頭設(shè)計，賦予材料新的特性和功能。例如：設(shè)計融合了自組裝功能域和治療功能域的自組裝多肽，用于構(gòu)建仿生支架促進組織修復(fù)和再生；或是通過對細胞的改造實現(xiàn)對脫細胞基質(zhì)組分的調(diào)節(jié)，增強脫細胞基質(zhì)的機械性能或提高治療效果。另外，合成生物學(xué)提供了一系列基因工程改造工具，可以結(jié)合以往的組織支架設(shè)計和制造方法，實現(xiàn)支架所介導(dǎo)的反向細胞基因改造，發(fā)揮分子工具和支架的協(xié)同作用。近年來，刺激響應(yīng)型生物材料的研發(fā)得到了廣泛關(guān)注。這些材料可以響應(yīng)環(huán)境中特定的生化（如：pH、酶、氧化還原劑）或物理（如：光、超聲、電磁）信號并對材料本身性質(zhì)等做出改變。區(qū)別于化學(xué)基團修飾的經(jīng)典方法，雜化活材料將非生物器件（如：無機納米顆粒、天然高分子材料、電子器件）與細胞相結(jié)合，希望利用細胞自身的響應(yīng)性以實現(xiàn)復(fù)雜功能。基于對細胞“輸入-處理-輸出”的工作框架的設(shè)計，可為細胞提供更為靈活多樣的刺激響應(yīng)模式，從而豐富雜化活材料種類，創(chuàng)新細胞和材料的工作策略。各類形式的雜化活材料在疾病診斷和治療方面已有諸多應(yīng)用，例如：便攜式微生物傳感器用于快速體外診斷，具有無線傳輸功能的生物電子器件用于腸道健康監(jiān)測，基于閉環(huán)式基因線路的細胞裝置用于自動給藥，以及上轉(zhuǎn)換材料所增強的細菌癌癥療法。文章指出雜化活材料的功能不僅僅依賴于功能細胞本身的作用，更強調(diào)細胞和非細胞器件之間的協(xié)同互作。非細胞器件所能提供的功能遠不止細胞保護和維持，還在于為細胞輸入、輸出端信號進行增強、轉(zhuǎn)換和傳輸。細菌生物被膜為一類具有代表性的自組裝活材料，由細菌及其產(chǎn)生的胞外基質(zhì)構(gòu)成。合成生物學(xué)通過對生物被膜中淀粉樣蛋白纖維的改造、或者是基于對細菌響應(yīng)性的改造，為生物被膜找到了新的用途。診療方面，例如：利用益生菌腸道定植的特性，通過生物被膜和功能蛋白的融合，實現(xiàn)在腸道的功能蛋白展示，可用于特定藥物的遞送或致病微生物的預(yù)防。另外，自組裝活材料可看作多細胞集體，而合成生物學(xué)不僅可以提供個體層面的改造，還可以通過定義個體單元間的對話實現(xiàn)集體層面的改造。合成生物學(xué)建立了一系列用于控制或重構(gòu)“細胞-細胞”、“細胞-環(huán)境”通訊的工具。這些新的工具或許可以用于增加人工組織的復(fù)雜性，為自下而上的組織工程方法拓寬思路。本綜述探討了合成生物學(xué)如何賦能生物材料以及下一代診療生物材料可能為疾病診斷和治療帶來的革命性變革。文章最后指出，跨學(xué)科合作不僅意味著設(shè)計思路和構(gòu)建方法的拓展，同時也對各方面的參與者提出了諸多挑戰(zhàn)。例如，隨著診療材料的數(shù)量的不斷增加，以及形式的多樣化，一個重要的問題是如何明確定義不同的材料類型，建立全面的生物安全和倫理評估框架，以及規(guī)范研發(fā)、審批和生產(chǎn)中的各個流程。盡管在本文中提到的許多研究仍處于早期概念設(shè)計階段，但研究人員可以展望未來，思考如何借助各領(lǐng)域已有的設(shè)備和方法，實現(xiàn)質(zhì)量控制和生產(chǎn)的放大。此外，合成生物學(xué)方法的引入也為傳統(tǒng)的生物材料學(xué)科帶來了新的視角和解決方案。例如，在新的跨學(xué)科背景下，“細胞-材料”互作的研究可能會有新的思考角度。這項工作得到了國家自然科學(xué)基金（82372403, 32322003）、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院科研基金（DWKF20190010, JCHZ20200005）、廣東省自然科學(xué)基金（2020A1515111079）、廣州市科技計劃項目（202201010695）的支持。圖一：利用合成生物學(xué)構(gòu)建指定功能示意圖圖二：通過基因線路構(gòu)建細胞功能示意圖圖三：非活體材料在診療方面的應(yīng)用實例圖四：雜化活材料的構(gòu)成及非細胞器件對功能細胞的多方面提高作用圖五：雜化活材料在診療方面的應(yīng)用實例圖六：細菌生物被膜在診療方面的應(yīng)用實例原文鏈接
近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室（LTO）杜巖團隊在海洋熱浪垂向結(jié)構(gòu)研究方面取得新進展。相關(guān)研究成果以“Vertical structures of marine heatwaves”為題，發(fā)表在國際著名期刊Nature Communications上，副研究員張瑩為第一作者，研究員杜巖為通訊作者，合作者包括澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織首席研究科學(xué)家Ming Feng研究員和高級首席研究科學(xué)家Alistair J. Hobday研究員。海洋熱浪是發(fā)生在海洋中的異常暖水事件，通常定義為海表溫度至少連續(xù)五天超過季節(jié)性氣候平均態(tài)第九十百分位閾值。海洋熱浪持續(xù)時間可達數(shù)月，覆蓋范圍可至數(shù)千平方公里。在全球變暖背景下，海洋熱浪發(fā)生頻次增多，持續(xù)時間變長。在過去數(shù)十年，破紀(jì)錄的海洋熱浪事件席卷全球海洋（圖1）。海洋熱浪會影響大氣環(huán)流及降水分布，從而引發(fā)洪澇、干旱和野火等極端天氣事件；還會導(dǎo)致海洋生物死亡、漁業(yè)減產(chǎn)和物種遷移，進而破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)多樣性和穩(wěn)定性。已有研究表明，海洋熱浪的暖異常并不局限在海洋表層，也可抵達海洋深層；此外，不同影響深度的海洋熱浪的驅(qū)動機制和海洋生物響應(yīng)都具有顯著差異。然而，目前我們對全球海洋熱浪的垂向結(jié)構(gòu)和影響深度尚不清楚。本研究基于衛(wèi)星觀測的海表溫度和Argo觀測的次表層溫度剖面數(shù)據(jù)，定義了4類主要的具有不同垂向結(jié)構(gòu)的海洋熱浪：淺層、次表層反向型、次表層加強型和深層海洋熱浪（圖1），并分析了這4類海洋熱浪的時空特征及相關(guān)的動力機制。研究結(jié)果表明，具有不同垂向結(jié)構(gòu)的海洋熱浪的空間分布具有顯著差異性，其中次表層反向型和次表層加強型海洋熱浪在低緯度海域占比較高，而淺層和深層海洋熱浪多發(fā)于中高緯度海域。海洋多尺度動力過程（例如海洋行星波動、中尺度渦旋、邊界流等）對海洋熱浪的垂向結(jié)構(gòu)形成具有重要作用，這也反映了海洋動力過程對海洋熱量再分配的重要影響。淺層與次表層反向型海洋熱浪的影響深度較淺，而次表層加強型和深層海洋熱浪具有較深的影響深度，其空間分布與海洋的熱動力背景密切相關(guān)。在過去20年，由于海洋的持續(xù)升溫，這4類海洋熱浪呈顯著增多的趨勢，并伴隨著影響深度加深。該研究揭示了全球海洋熱浪垂向結(jié)構(gòu)的多樣性及其時空特征對全球氣候變暖背景下海洋儲熱及熱量再分配的指示作用。研究結(jié)果有助于對海洋極端事件時空特征及形成機理的系統(tǒng)認(rèn)識，為構(gòu)建海洋災(zāi)害立體監(jiān)測系統(tǒng)及預(yù)報平臺提供重要的科學(xué)依據(jù)。該研究由國家基金項目（42090042、42006026、42149910）、中國科學(xué)院項目（133244KYSB20190031、183311KYSB20200015、XDB42010305、SCSIO202201）、廣州市科技計劃項目（2023A04J0188）共同資助完成。相關(guān)論文信息：Zhang, Y., Du, Y.*, Feng, M., & Hobday, J. A. (2023). Vertical structures of marine heatwaves. Nature Communications. 14, 6483.論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42219-0論文博文：https://earthenvironmentcommunity.nature.com/posts/diversity-in-vertical-structures-of-global-marine-heatwaves?utm_source=like_mailer&utm_medium=email&utm_campaign=notify_contributor_about_like圖1（a）極端海洋熱浪事件；（b-e）不同類型海洋熱浪的垂向結(jié)構(gòu)
水熱是影響和調(diào)控森林生態(tài)系統(tǒng)生物與非生物過程的基礎(chǔ)環(huán)境變量，作為大氣圈和生物圈重要物質(zhì)交換的森林冠層通量也不例外，受區(qū)域水熱條件的影響和調(diào)控。全球變化驅(qū)動了區(qū)域水熱季節(jié)量變分異或不同步，森林冠層通量如何響應(yīng)這種水熱季節(jié)量變分異或不同步需要明確。中國科學(xué)院華南植物園王林華助理研究員以南亞熱森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，利用森林冠層通量觀測12年（ 2003-2014 ）的數(shù)據(jù)，明確了區(qū)域水熱等相關(guān)環(huán)境變量的季節(jié)量變趨勢，分析森林冠層季節(jié)碳通量組分和蒸散發(fā)對水熱等相關(guān)環(huán)境變量變化的響應(yīng)。鼎湖山站亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)2003 -2 014年期間月尺度碳-水通量變化特征。 水熱是影響和調(diào)控森林生態(tài)系統(tǒng)生物與非生物過程的基礎(chǔ)環(huán)境變量，作為大氣圈和生物圈重要物質(zhì)交換的森林冠層通量也不例外，受區(qū)域水熱條件的影響和調(diào)控。全球變化驅(qū)動了區(qū)域水熱季節(jié)量變分異或不同步，森林冠層通量如何響應(yīng)這種水熱季節(jié)量變分異或不同步需要明確。中國科學(xué)院華南植物園王林華助理研究員以南亞熱森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，利用森林冠層通量觀測12年（2003-2014）的數(shù)據(jù)，明確了區(qū)域水熱等相關(guān)環(huán)境變量的季節(jié)量變趨勢，分析森林冠層季節(jié)碳通量組分和蒸散發(fā)對水熱等相關(guān)環(huán)境變量變化的響應(yīng)，量化生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)力(GEP)和生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Reco)對各環(huán)境變量變化響應(yīng)差異，發(fā)現(xiàn)GEP和Reco對水熱因子響應(yīng)的敏感性季節(jié)量變特征決定了生態(tài)系統(tǒng)季節(jié)和年度尺度上的凈生產(chǎn)力(NEP)變化。研究結(jié)果表明了森林冠層通量對水熱有效性變化的響應(yīng)程度和非同步性響應(yīng)決定其季節(jié)變化模式，從而對評估和預(yù)測森林生態(tài)系統(tǒng)過程對氣候變化的響應(yīng)具有重要意義。相關(guān)研究成果以“Seasonal patterns of carbon and water flux responses to precipitation and solar radiation variability in a subtropical evergreen forest, South China”為題于近期發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Agricultural and Forest Meteorology（《農(nóng)業(yè)與森林氣象學(xué)》）（IF2023=6.90）上。華南植物園王林華助理研究員為第一作者，閆俊華研究員為通訊作者。論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192323004501圖1. 鼎湖山站亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)2003-2014年期間月尺度碳-水通量變化特征
近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室（LTO）詹海剛研究團隊，聯(lián)合美國伍茲霍爾海洋研究所教授Dennis J. McGillicuddy Jr.，自然資源部第二海洋研究所研究員邢小罡，在海洋中尺度渦影響次表層浮游植物分布的研究方面取得新進展。相關(guān)成果以副研究員何慶友為第一作者，研究員詹海剛為通訊作者發(fā)表于Progress in Oceanography《海洋學(xué)進展》上。浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級生產(chǎn)者和固碳者，對維持海洋生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性和促進全球碳循環(huán)有著重要作用，它的生長和分布受到海洋中尺度渦等動力過程的強烈影響。衛(wèi)星觀測結(jié)果顯示，副熱帶流渦區(qū)反氣旋渦內(nèi)海表浮游植物葉綠素濃度普遍高于氣旋渦內(nèi)，明顯區(qū)別于其他海域。這引發(fā)了近年來關(guān)于中尺度渦如何影響該海域浮游植物生物量與初級生產(chǎn)力的學(xué)術(shù)爭論。研究團隊分析了同步投放于副熱帶東南印度洋的兩套生物地球化學(xué)浮標(biāo)（BGC-Argo）數(shù)據(jù)（圖1）。這兩套浮標(biāo)分別被投放于一個氣旋渦和一個反氣旋渦內(nèi)，并對它們進行了3個月的追蹤觀測。觀測結(jié)果顯示，由冬入春期間，氣旋渦內(nèi)混合層隨著近表層海水變暖而變淺至真光層以內(nèi)，引發(fā)真光層底部浮游植物的快速積累，出現(xiàn)生物量和葉綠素濃度的次表層最大值層；近表層浮游植物則因混合減弱、光暴露增強造成浮游植物的光適應(yīng)調(diào)整，導(dǎo)致海表葉綠素濃度降低（圖2）。相比之下，反氣旋渦阻礙了混合層的季節(jié)性變淺，渦內(nèi)混合層一直深于真光層，浮游植物相對均勻地分布于混合層內(nèi)。因此，盡管春季反氣旋渦內(nèi)海表葉綠素濃度高于氣旋渦內(nèi)，但其次表層和垂向積分的浮游植物生物量和初級生產(chǎn)力均低于氣旋渦內(nèi)。對全球生物地球化學(xué)浮標(biāo)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果證實了這一現(xiàn)象在副熱帶流渦區(qū)的普遍性。這些研究結(jié)果表明，僅靠衛(wèi)星遙感難以全面捕捉渦旋對浮游植物分布和生產(chǎn)力的影響，需要結(jié)合更多的現(xiàn)場生物地球化學(xué)垂向觀測，才能準(zhǔn)確評估中尺度渦對海洋生產(chǎn)力和碳循環(huán)的影響。該研究由國家重點研發(fā)項目、自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會項目等共同資助完成。相關(guān)論文信息：Qingyou He, Dennis J. McGillicuddy Jr., Xiaogang Xing, Shuqun Cai, Weikang Zhan, Yinghui He, Jiexin Xu, and Haigang Zhan* (2023), Subsurface phytoplankton responses to ocean eddies can run counter to satellite-based inference from surface properties in subtropical gyres, Progress in Oceanography, 218, 103118, doi:10.1016/j.pocean.2023.103118.文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079661123001611圖1. 生物地球化學(xué)浮標(biāo)（BGC-Argo）追蹤觀測中尺度渦軌跡圖。圖中a為多年平均海表葉綠素濃度空間分布，b為反氣旋渦和氣旋渦內(nèi)平均海表葉綠素濃度相對差異。北側(cè)浮標(biāo)投放于反氣旋渦（AE）內(nèi)，南側(cè)浮標(biāo)投放于氣旋渦（CE）內(nèi)。c和f中綠色線條為中尺度渦移動軌跡，黑色線條為浮標(biāo)軌跡，填色為海表高度異常（SLA），箭頭為海表流速異常。d和g為渦中心（紅實線）和浮標(biāo)所在位置（紅虛線）海表高度異常隨時間變化，黑線為浮標(biāo)相對渦中心距離。e和h為浮標(biāo)軌跡相對渦中心位置。圖2. 同步觀測的氣旋渦（CE）和反氣旋渦（AE）內(nèi)葉綠素（Chl）、浮游植物碳（CPhyto）、浮游植物碳比葉綠素（ = CPhyto/Chl）和初級生產(chǎn)力（NPP）垂向分布隨時間變化。圖中黑色線條為混合層深度，青色線條為真光層深度。
