合成生物技术重点实验室平台建设与管理

彭雅娟，邵文尧

合成生物技术重点实验室平台建设与管理

彭雅娟，邵文尧

（厦门大学 化学化工学院，福建 厦门 361005）

合成生物学是一门重要的新兴学科。该文从研究方向和实施内容、功能实验室的建设、管理运行机制及平台效益等方面，对厦门市合成生物技术重点实验室平台建设与运行情况进行总结分析，阐明了合成生物技术平台对海洋生物资源挖掘、生物活性物质开发、污染物资源化等技术研究中的协同创新带动作用。

合成生物技术；重点实验室；平台建设

自2000年《自然》（Nature）杂志报道了人工合成基因线路研究成果以来[1]，合成生物学研究在全世界范围引起了广泛的关注与重视。2014年厦门市科技局批准建设厦门市合成生物技术重点实验室，该实验室以开展合成生物学的应用基础研究为主，解决与化工、医药、能源、材料、环境和生命等领域关系极为密切的某些重大科学技术问题，是一个集研发、产业化、成果推广的产学研合作体系；同时是面向社会提供研发、技术（咨询）服务、人员培训、分析测试的开发的技术平台。

1 平台的研究方向和实施内容

重点实验室包括三个研发方向：（1）海洋极端氧化还原酶挖掘与新型生物分子机器构建。从海洋、极地等极端环境挖掘新型极端氧化还原酶，基于合成生物学理念，依据工程学理论将极端酶按照“元件-模 块-系统”的自下而上的方式进行研究；进一步研究酶功能结构域、分子内相互作用与对于极端反应环境的响应机制，设计组装新型多酶分子机器；用于手性医药中间体、精细化学品等高附加值化学品的绿色生物制造。（2）污染物的生物转化与资源化技术。针对环境中的典型污染物如有机固体废弃物、重金属等，研究其生物转化与代谢机制，设计有效生物途径以实现污染物的转化与资源化。通过筛选高效合成生物絮凝剂的菌种以处理污染物，基于合成生物学理念，研究生物絮凝剂的合成与代谢途径与机制；进一步研究生物絮凝剂关键基因组成与功能。（3）海洋微藻的自养和异养发酵技术与生物活性物质的开发。从极端海洋环境中筛选具有潜在生物活性的微藻菌株，结合发酵工程、生物工程、基因工程和分离纯化的技术，从菌种筛选、原生质体融合、基因组重排育种、发酵工艺优化、先进分离、生物活性物质结构分析及毒理药理分析等方面开展研究工作。重点研究通过微藻的自养光照培养或异养高密度培养过程优化，生产具有高附加值的生物活性物质，如w-3和w-6多不饱和脂肪酸，虾青素等类胡萝卜素产品以及藻蓝蛋白等产品。建立具有产业化潜力的微藻生产与技术开发平台。

基于以上研究方向，重点实验室设置了以下3个实施内容：

（1）研究溶剂体系对耐盐氨基酸脱氢酶催化性能与结构的影响规律，基于动、热力学构建应答模型；基于序列、结构比对和能量响应，抽提、界定耐有机溶剂的结构响应元件，揭示耐盐酶的有机溶剂耐受机制；基于氨基酸动态相互作用网络，界定动态模块，研究三维结构组装与动态相互作用，揭示环境响应机制的结构基础；设计组装新型多酶分子机器，用于非水相体系中手性胺、手性氨基酸等手性化合物的生物催化制备，实现高附加值的医药中间体、精细化学品的绿色生物制造[2-3]。

（2）研究有机固体废弃物的生物转化与资源化途径与策略，解决其生物合成聚酯材料的关键问题；调控有机固体废弃物生物合成聚酯材料过程中的微生物组成和功能以提高效率，阐明有机固体废弃物和聚酯材料结构的关系。分析金属砷、铬等在环境的生物转化途径，研究其微生物介导氧化还原过程机制，分析外源材料作用下微生物胞外电子传递及金属还原过程；筛选高效合成生物絮凝剂的菌种以处理污染物，采用合成生物学及代谢组学分析其生物絮凝剂的合成与代谢途径，探讨生物絮凝剂对污染物去除效率和机理[4-5]。

（3）依托海洋生物资源，从海洋微藻筛选分离富含DHA的裂殖壶藻菌株，开发微藻的异养培养和高密度发酵技术以及不饱和脂肪酸的高效分离方面工作；研究利用雨生红球藻自养培养生产抗氧化剂虾青素的培养技术，开发光照自养雨生红球藻培养的光合生物反应器，研究氮源代谢调控对虾青素的影响和分离提取等方面工作；筛选耐高温和强光照的螺旋藻菌株，研究培养过程螺旋藻氮源浓度和光照强度对藻蓝蛋白的影响，建立光照培养螺旋藻的动力学模型，指导微藻光合培养规模化生产；开发高效分离和采集微藻菌体的生产技术[6-7]。

2 平台实验室的功能化设置

根据自身实验室特色及发展方向、定位目标，重点实验室构建了合成生物构建与评价技术实验室、生物催化剂改造与制备技术实验室、合成生物应用技术实验室等功能实验室。

（1）合成生物构建与评价技术实验室。配备有双光束紫外可见分光光度计、多功能酶标仪、液相色谱仪、生化分析仪、电泳仪、电泳槽、热循环仪、核酸电泳仪、垂直电泳仪、蛋白第二向电泳仪、专用电泳凝胶扫描仪、等电聚焦仪、气相色谱仪、总有机碳分析仪，以上硬件设备可协助完成基因组重排育种、发酵工艺优化、生物活性物质结构分析及毒理药理分析等方面研究工作。

（2）生物催化剂改造与制备技术实验室。配备有电子天平、生化培养箱、超声波细胞破碎仪、搅拌式超滤装置、全自动电子灭菌器、微生物生长曲线仪、高速冷冻离心机、超低温冰箱、恒温培养振荡器，以上硬件设备可协助完成菌种培养、菌种筛选、发酵工艺技术研究、多酶分子样品制备等方面研究工作。

（3）合成生物应用技术实验室。配备有生物反应器、制备型液相色谱仪、基因导入仪、智能光照培养箱、恒温混匀仪、电穿孔仪、凝胶成像系统紫外投射仪、凝胶成像系统，以上硬件设备可协助完成手性医药中间体高附加值化学品的绿色生物制造、生物絮凝剂的合成与代谢途径、微藻光合培养规模化生产、开发高效分离和采集微藻菌体的生产技术等研究工作。

3 平台的运营管理

3.1 运行管理

重点实验室以厦门大学化学化工学院化学工程与生物工程系为依托，组建常设组织机构，负责研究开发的组织、实施及实验室日常管理工作；根据研究课题的需要，组成了三个研究课题小组，采取产学研结合的方式，完成专项课题研究与产品开发工作。

实验室管理平台以产学研结合为基础，全面、坚决地贯彻“开放、流动、联合、竞争”的开放运行管理方针，充分发挥学术委员会的指导、监督作用，切实加强各项日常工作的管理，努力将本实验室建设成为国内相关领域一流的科学研究、产业化和人才培养基地。

3.2 管理制度

行之有效的管理是以制度为基础的，重点实验室对实验室人员管理、仪器设备使用、安全以及学生实验等进行明文规定，保证实验室高效安全运转，为规范实验操作，制订了一系列严格的规章制度：“厦门市合成生物技术重点实验室管理条例”“厦门市合成生物技术重点实验室人员聘任条例”“厦门市合成生物技术重点实验室学术委员会岗位责任”“厦门市合成生物技术重点实验室仪器设备管理条例”“厦门市合成生物技术重点实验室实验技术人员岗位责任”“厦门市合成生物技术重点实验室研究人员管理条例”“厦门市合成生物技术重点实验室本科生实验教学工作条例”“厦门市合成生物技术重点实验室安全工作条例”“实验室岗位责任制”。督促实验人员严格遵守各项规章制度，督促实验人员养成良好的实验习惯。实验开始前需进行相应的技术操作与安全教育培训，经考核合格者方准许到相应的功能实验室进行实验，并承担维护本实验区域的卫生安全职责。

3.3 日常管理和管理信息化

指定专门人员负责各功能实验室的日常管理。例如生物催化剂改造与制备技术实验室对于实验环境要求较高，需定期检测实验室空气洁净度、温湿度等相关指标，确保实验顺利进行。其他实验室也安排专门的教师及有经验的研究生负责日常的安全卫生、实验及仪器设备操作等方面的管理。

在重点实验室范围内安装了视频监控系统，并建立各实验室的QQ群、微信群等，交流实验技术、实验操作过程及仪器使用过程中经常出现的问题，力争做到发现问题及时解决，集思广益。通过信息交流，开拓和提高实验室人员的理论水平、实验技术水平及安全卫生意识。

4 平台的效益

重点实验室共有510台/套仪器设备，总价830.99万元。自2014年成立以来，共投入经费近1 500万元，共获得专利72件，其中发明专利授权45件，发表SCI论文78篇；为相关单位提供“海洋源化合物及其分离物的检测与表征”“用于海洋活性化合物分离的功能化膜测试与表征”等测试服务；高密度培养裂殖壶菌发酵生产二十二碳六烯酸等研究成果已成功实现产业化，并获得福建省科学技术进步二等奖，为企业取得了良好的经济效益，促进了社会和行业的技术进步；指导本科生参加国际遗传工程机器设计竞赛（iGEM）已连续8年获得了金奖，提升了实验室在国内外的知名度，取得了良好的社会效益。

5 结语

综上所述，厦门市合成生物技术重点实验室在建设过程中借鉴部分高校实验室建设的成果和经验，将技术平台与运行管理机制建设相结合，研制和开发出了一些具有我国自主知识产权和市场竞争力的研究成果，并力争推向市场[11-13]。目前重点实验室已拥有合成生物构建和生物催化剂以及生物合成聚酯材料等技术，可为多家生物工程企业提供技术支持，为企业提供技术服务和相关人员培训。通过合成生物技术平台的建设与发展，可以实现合成生物学领域的产学研结合，为企业提供技术支持，提高企业的技术水平，高效推动生物产业超常规、跨越式发展。

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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学改革研究项目（FBJG20170277）；2016年福建省本科高校教育教学改革研究项目

彭雅娟（1981—），女，福建厦门，硕士，工程师，主要从事实验室建设、日常管理与维护.E-mail: pyajuan@xmu.edu.cn

邵文尧（1980—），男，福建厦门，硕士，工程师，主要从事实验室建设与管理、实验课教学.E-mail: wyshao@xmu.edu.cn