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高分辨率光刻3D生物打印

光刻生物打印技术（lithography bioprinting）可以制造出具备高分辨率、有望应用于组织工程的构件。来自爱尔兰高威大学（University of Galway）的Andrew C. Daly和来自悉尼大学的Khoon S. Lim发表焦点文章，回顾了Grigoryan及其同事的开创性研究，Grigoryan团队开发了生物树脂，在光刻生物打印过程中对X、Y和Z平面进行精确控制，并将该技术应用于生理模拟肺模型的制造。

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改善作物遗传转化以缓解全球粮食供应负担

粮食安全遭受着来自全球人口增长和气候变化影响的威胁。我们的大部分卡路里来自于几种难以改良的作物。来自加州理工学院（California Institute of Technology）的Gozde S. Demirer团队发表焦点文章，回顾了Lowe等人的研究，Lowe等人开发了一种植物转化方法，能够开展作物基因工程，从而提高未来粮食安全水平。

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可用于抗疟药物青蒿素工业生产的基因工程酵母

基于青蒿素的综合疗法是治疗无并发症疟疾的黄金标准。来自北卡罗来纳大学格林斯伯勒分校（University of North Carolina at Greensboro）的Jonathan R. Chekan团队发表焦点文章，回顾了Paddon等人的一项开创性研究，该研究详细介绍了利用基因工程酵母生产青蒿酸并将其转化为青蒿素的有效方法，并展示了如何利用代谢工程和合成生物学来生产生物活性化合物。

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利用串联化学催化和生物漏斗法开发木质素

来自美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory ）的Allison Z. Werner 和来自加拿大不列颠哥伦比亚大学（The University of British Columbia）的Lindsay D. Eltis发表焦点文章，回顾了Linger等人于2014年提出的一个通过整合化学和生物催化来实现木质素价值化的串联工艺。玉米秸秆的化学预处理产生了混合的木质纤维素衍生单体，这些单体被恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）转化为单一产品：聚羟基烷酸酯（polyhydroxyalkanoate）。

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挖掘革兰氏阳性菌的生物电化学应用潜力

能进行细胞外电子转移（extracellular electron transfer, EET）的细菌是氧化还原驱动的生物技术的核心，包括微生物燃料电池、生物修复和生物电子合成。但一直以来，可工程化的EET菌株局限于表征良好的革兰氏阴性模型物种。来自得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的Benjamin K. Keitz团队发表焦点文章，回顾了Light等人的研究工作，Light等人在革兰氏阳性单核细胞增多性李斯特菌（Listeria monocytogenes）中发现了一个既往未被发现但广泛保守的EET通路。

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具备可定制输入和输出功能的工程膜受体

来自美国西北大学的Neha P. Kamat团队发表焦点文章，回顾了Morsut等人的研究，Morsut等人报告了一个基于天然Notch受体、具备可定制输入和输出功能的合成受体系统。Morsut等人在高级受体设计方面的研究扩大了合成受体系统的范畴。新的蛋白质设计工具与更先进的膜生物物理学相结合，将创造出下一代工程受体。

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器官芯片：十年创新路

利用突破性的器官芯片（organ-on-a-chip）技术重建“活体器官”，这一技术正在引领药物研发进入新时代。来自南加州大学（University of Southern California）的Shannon M. Mumenthaler团队在发表焦点文章，回顾了Huh等人和Ronaldson-Bouchard等人的研究，这些研究凸显了器官芯片研究十年来所取得的进展，从单一器官功能到相互连接的器官，这些进展使得人们能够在重建组织中研究药物毒性和疾病发病机制。

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RNA和纳米载体：下一代药物和递送平台风头正盛

新冠mRNA疫苗的快速部署前所未有，可以追溯到RNA纳米载体的早期研究，包括Zimmermann等人的研究，来自康涅狄格大学（University of Connecticut）的Jessica Rouge发表焦点文章，对此进行了回顾。Zimmermann等人的研究展示了RNA纳米载体在体内的有效性。这项研究，以及其他研究，最终促成了第一个经美国FDA批准的RNA配方--Onpattro的诞生。

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打开产氧光合生物的固氮之门

将生物固氮（biological nitrogen fixation）传递给光合物种可能会开启下一次农业革命，但也带来了重大的基因工程挑战。来自美国内布拉斯加大学林肯分校（University of Nebraska-Lincoln）的Rajib Saha团队发表焦点文章，回顾了Liu等人的研究，集胞藻（cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803）以往是缺乏固氮能力的，但Liu等人创造出了集胞藻的固氮菌株，并揭示了产氧物种固氮的关键。

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用于可持续1,4-丁二醇合成的工程生物学

过去十年，人们采取了许多方法，试图利用绿色生物合成来替代不可持续的化学合成。来自爱丁堡大学的Stephen Wallace团队发表焦点文章，回顾了一篇具有里程碑意义的论文，该研究由Yim等人完成，利用从计算机模拟到体内（in silico-to-in vivo）的工作流程，在大肠杆菌（Escherichia coli）中实现了非天然小分子1,4-丁二醇的高水平生物生产。

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电子植物：农业和城市生态系统的未来？

电活性和功能性材料可以与植物整合，以监测和控制植物发育，或收集和储存能量。来自剑桥大学的Anna-Maria Pappa团队发表焦点文章，回顾了Stavrinidou等人的开创性研究，该研究证明导电聚合物可在活体植物内生长并形成电路，在智能农业和现代城市生态系统中的应用前景十分广阔。

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实现人造肉的生物制造

人造肉（cultured meat）由于更健康、更人道和可持续的特征，已经成为一种颇有前景的传统肉类替代品。来自新加坡科技研究局（Agency for Science, Technology, and Research）的Deepak Choudhury团队发表焦点文章，回顾了该新兴领域的突出创新成果，包括开发无血清培养基（Messmer等人）以及改造大豆蛋白以作为可食用支架（Ben-Arye等人）。

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微生物协调裂解与药物递送

为了解决基因工程微生物在剂量和运载物释放方面的局限性，Din等人利用先前设计的振荡遗传电路来实现肿瘤杀伤蛋白（cancer-killing protein）有效载荷的同步释放。来自美国特拉华大学（University of Delaware）的Aditya M. Kunjapur团队发表焦点文章，简要回顾了这项发表于2016年的研究及其对该领域的变革性影响。

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对甲烷微生物碳通量的深入了解为甲烷生物催化铺平了道路

工业上以甲烷营养菌（methanotrophic bacteria）作为催化剂对甲烷进行生物转化，以形成有价值的产品。来自北德克萨斯大学（University of North Texas）的Calvin A. Henard发表焦点文章，回顾了Kalyuzhnaya等人具有里程碑意义的研究，该研究确定了一种具有工业前景的甲烷营养菌中，从甲烷到中心代谢中间体和替代发酵产品的主要代谢途径，从系统水平上为理解甲烷营养提供了洞见。

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通过定向进化实现内源性蛋白质相互作用的近似标记

增强型抗坏血酸过氧化物酶2（enhanced ascorbate peroxidase 2, APEX2）是由Lam等人通过定向进化产生的一种蛋白质，改变了我们对亚细胞实体和现象的理解，来自麻省理工大学的Emma J. Chory团队发表焦点文章，对此进行了回顾。这种基因工程蛋白的快速动力学凸显了定向进化的强大，定向进化扩展了生物学家的分子工具箱。

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不采用农业食品生物新技术的代价

实现联合国可持续发展目标将需要加大创新投资力度，并进一步采用创新技术，这对于改善粮食安全、作物营养供应和可持续性尤为重要。来自加拿大萨斯喀彻温大学（University of Saskatchewan）的Stuart J. Smyth团队发表文章，阐述了不采用转基因作物和基因组编辑育种所带来的一些全球成本。

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生物经济和净零碳排放：来自40年前第一期Trends in Biotechnology的经验

许多生物技术应用倾向于生产低产量但相对高价值的产品，如胰岛素和疫苗。价值较低且需要大批量生产的产品的生物工艺更难在规模上尽善尽美，特别是如果目标产品是还原化学品，如溶剂或塑料。历史上，在化石原料无法获取或价格昂贵的特殊情况下，工业微生物学取得了成功。不可避免的是，随着这些情况的改善，生物工艺在与石油化学的竞争中艰难生存。那么为什么还要尝试竞争呢？因为在未来几十年与气候变化的斗争中，化石资源将被逐步淘汰。来自OECD的Jim Philp发表观点文章并指出，要在2050年实现净零碳排放，所有部门都需要转型，而不仅仅是能源和运输领域，这可能预示着拥有与以往相比更加完备工具的工业生物工艺即将迎来新的机遇。

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可再生燃料生产过程中的营养物质回收和污染物清除：机遇与挑战

在实现净零排放能源经济目标的刺激下，对可再生燃料的需求正在迅速增长，而在从化石燃料过渡到可再生燃料的过程中所产生的有毒废物流（toxic waste streams）往往被忽视了。这些废物流包括，硫醇和氨，以及苯、甲苯和二甲苯等。具备适宜的处理技术时，这些化合物可以被转化为有价值的营养物质。来自荷兰瓦格宁根大学（Wageningen University）的Annemiek ter Heijne团队发表观点文章，对预期的废物流及其特征进行了概述，指出了相关废物流的未来挑战，如资源回收技术开发方面的滞后，并讨论了有待挖掘的从这些废物流中回收有价值营养物质的机会。

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农业生物技术促进可持续粮食安全

近来，全球粮食安全受到了新冠大流行和最近东欧军事冲突的影响。来自波兰国家科学院（Polish Academy of Sciences）的Ewa Wo?0?2niak-Gientka团队发表观点文章，综合考虑了上述威胁，并介绍了与实现欧盟粮食安全和农业可持续发展相关的可持续发展目标以及《欧洲绿色协议（European Green Deal）》。此外，研究人员还讨论了植物农业生物技术和人工智能系统的未来发展，考量了这些技术对于实现粮食安全目标的潜在助益。矛盾的是，恰恰是当前的严峻形势，有望让欧盟的政治家和利益相关者意识到相关机遇并开始挖掘生物技术部门的潜力。

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极端微生物的合成生物学：生物制造新浪潮

在合成生物学进展的推动下，人们对于利用微生物生物制造（microbial biomanufacturing）来生产各种产品越来越感兴趣。与传统微生物相比，极端微生物（extremophiles）在低成本生产方面表现出更好的性能，因为它们在应激条件下具备出色的生长和合成能力，可以在不消毒的条件下进行发酵。来自清华大学的陈国强团队发表综述论文，回顾了近年来越来越多利用极端微生物制造出来的产品，总结了用于极端微生物工程的基因组分、分子工具和操作方法，并预测了非常规底盘（non-conventional chassis）的挑战和机遇。基于基因工程极端微生物的下一代工业生物技术（next-generation industrial biotechnology）有望简化生物制造过程、实现开放和连续发酵、无需消毒，并利用低成本的基质，使下一代工业生物技术成为有吸引力的可持续制造绿色工艺。

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细胞治疗中的新兴免疫调节策略

细胞疗法将以传统制药学所无法实现的动态方式治疗各种疾病并恢复功能障碍组织，最终实现医学领域的变革。细胞疗法由不同来源的干细胞或非干细胞组成，横跨各种治疗领域，包括癌症、再生医学和免疫疾病。尽管有不计其数的临床批准或试验正在进行中，但细胞疗法要想得到广泛采用并取得成功，需要解决一个关键障碍：宿主免疫反应。来自西班牙巴斯克大学（University of the Basque Country ）的Gorka Orive和来自美国休斯顿卫理公会研究所（Houston Methodist Research Institute ）的Alessandro Grattoni  团队发表综述论文 ，回顾了目前旨在减轻免疫排斥反应或促进细胞疗法免疫耐受性的免疫调节策略的研究和临床进展。研究人员对这些免疫调节干预措施的潜力进行了探讨，主要关注其能否加速转化或最大限度改善细胞疗法治疗效果，从而使之在临床上取得成功。

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医疗生物传感器的现状与前景

生物传感器被用于几个不同的领域，包括医疗、食品和环境。其中医疗场景的应用涉及三种不同类型的生物传感器：1）用于血液、唾液或尿液样本的体外诊断生物传感器；2）连续监测生物传感器（continuous monitoring biosensors, CMBs）；以及3）可穿戴生物传感器。用于体外诊断的生物传感器最近有了很大的发展：新报道的CRISPR/Cas方法以及对许多已有的集成生物传感器设备的改进，包括侧流免疫层析检测（lateral flow assays, LFAs）和微流控/电化学纸基分析设备（μPADs/ePADs）。来自韩国高丽大学（Korea University）的Man Bock Gu团队发表综述论文，总结了医疗生物传感器的最新发展，讨论了最近引起极大关注的两组新型生物传感器，即连续监测和可穿戴生物传感器，并对生物传感器的商业化和前景进行了展望。

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基因组编辑革命

20世纪下半叶的一系列惊人科学发现和技术进步为当下的基因组编辑革命奠定了基础。在阐明了DNA和RNA的结构和功能特征之后，学界对基因组编辑进行了开拓性研究：分子生物技术诞生了。此后四十年间，科学见解和技术方法继续飞速发展。对微生物宿主-病毒相互作用的基本认知，带来了利用限制性酶或革命性的CRISPR-Cas技术的基因组编辑工具。来自荷兰瓦格宁根大学（Wageningen University and Research）的John van der Oost和Constantinos Patinios发表综述论文，对引发基因组编辑革命的诸多里程碑进行了历史回顾，并预测了生物技术的未来趋势。

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器官芯片：组织工程和微制造的结合

器官芯片（organ-on-a-chip）工程脱胎于组织工程和微流控技术，来自加拿大多伦多大学的Milica Radisic团队发表综述论文，回顾了这个新领域的缘起以及当前挑战。研究人员回顾了早期组织工程师和微流控专家为器官芯片领域带来的工具和能力，并将肝脏芯片和心脏芯片作为案例。这两个系统在很大程度上依赖于组织工程技术，并且是最早实施的器官芯片模型之一，其目的在于更好地在临床前药物开发中，评估在研药物对人体组织的毒性。器官芯片目前所面临的挑战往往与组织工程和微流控领域的挑战相同，比如稳定血管化和药物吸收问题。

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利用代谢工程促进可持续发展和健康

由于提升可持续性和改善人类健康的迫切需要，基于生物的化学品和材料生产已经引起了广泛关注。代谢工程（metabolic engineering）可以针对性地改变细胞代谢、调节和信号网络，以提升所需化学品的产量、降解对环境有害的化学品。通过进一步整合来自合成生物学、系统生物学、进化工程和人工智能辅助的数据科学的诸多策略，代谢工程在过去30年里取得了重大进展。来自韩国生物世纪研究所（Institute for the BioCentury）的Sang Yup Lee团队发表综述论文，回顾了代谢工程领域从出现到当前最先进水平的发展历史，通过代表性案例强调其对化学品可持续生产、健康和环境的贡献，并讨论了代谢工程的未来挑战与前景。

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幻想与希望：微藻类生物技术的发展方向

粮食安全和可持续发展的紧迫性推动了微藻类生物技术领域的发展。微藻是一类能够利用（太阳）光、肥料、糖类、CO₂和海水生长的微生物，可作为食品、饲料、能源和化学品的原料，具备很大的潜力。相比植物作物，微藻生长速度更快，单位面积产量更高，不争夺农业用地，且对化肥的吸收效率为100%。与细菌、真菌和酵母的单细胞蛋白质生产相比，基于氢或糖的微藻表现出更高的土地利用率。来自荷兰瓦格宁根大学（Wageningen University and Research）的Maria J. Barbosa团队发表综述论文，讨论了微藻取代大豆蛋白、鱼油和棕榈油的潜力，以及在现代工业生物技术中用作细胞工厂以生产特制饲料、重组蛋白质、生物制药和疫苗的潜力。

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