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合成生物元件与线路的智能设计

合成生物元件与线路的智能设计

摘要：合成生物学是生物学、工程学和计算机科学等多学科交叉融合的新兴前沿领域，旨在通过“自下而上”的工程化设计理念，逐级构建元件、器件和线路，以创造自然界中不存在的人工生物系统，或对已有的生物系统进行目标性改造。随着合成生物产业的飞速发展，对基因线路规模和复杂度的需求也在不断提升。然而，传统依赖经验和试错的方法在元件与线路构建中具有较低的效率和成功率，已无法满足合成生物科技创新转化的需求。这促使元件与线路的开发范式逐渐从人力型、经验型的试错模式向标准化、智能化的工程模式转变。机器学习能够揭示生物数据中隐含的结构和关联，为合成生物元件和线路的智能设计提供强大支持。本文综述了生物元件与线路设计中常用的机器学习算法，以及它们在合成启动子、RNA调控元件、转录因子等生物元件和简单基因线路智能设计中的典型应用，探讨了当前面临的主要挑战及潜在的解决方案。最后，本文展望了机器学习与合成生物系统设计未来的融合趋势，并强调了跨学科合作的重要性。
医疗 2026年03月25日
智能生物制造之发酵过程优化：在线检测、人工智能与数字孪生技术

智能生物制造之发酵过程优化：在线检测、人工智能与数字孪生技术

摘要：生物制造作为新兴产业，其核心挑战在于实现发酵过程的精准优化与高效放大。本文聚焦发酵过程的关键环节——实时感知与智能控制，系统综述了在线检测技术、人工智能驱动的优化策略及数字孪生技术的应用进展。首先，从常规参数(温度、pH、溶解氧)到高级传感技术(在线活细胞传感、光谱分析、尾气监测)的在线检测手段，为实时获取微生物代谢状态提供了数据基础。其次，传统基于专家经验的静态控制逐步向人工智能驱动的动态优化演进，机器学习(如人工神经网络、支持向量机)与遗传算法等技术的整合显著提升了补料策略与工艺参数的调控效率。最后，数字孪生技术通过融合实时传感数据与多尺度模型(细胞代谢动力学与反应器流场模拟)，为发酵过程的全生命周期优化与理性放大提供了新范式。未来，基于智能感知与数字孪生的闭环控制系统将加速合成生物学成果的产业化，推动生物制造向高效、智能、可持续方向迈进。
医疗 2026年03月24日
面向生物制造的数据库、知识库与大模型

面向生物制造的数据库、知识库与大模型

摘要：生物制造技术是一种融合生物学、化学和工程学的前沿制造方法，利用可再生生物质和生物体作为生产介质，通过发酵过程规模化生产目标产品。与传统石化路线相比，生物制造在减少CO2 排放、降低能耗和成本方面具有显著优势。随着系统生物学、合成生物学的发展和生物大数据的积累，人工智能、大模型和高性能计算等信息技术与生物技术的融合，生物制造正逐步进入数据驱动时代。本文综述了面向生物制造的数据库、知识库与大语言模型的最新研究进展，探讨了该领域的发展方向、难点以及新兴技术方法，为相关领域的科研工作提供了参考和启示。
医疗 2026年03月23日
硅基微环谐振器在生物医学检测领域的研究进展及临床应用潜力

硅基微环谐振器在生物医学检测领域的研究进展及临床应用潜力

摘要：硅基微环谐振器(silicon-based microring resonator, SMRR)作为光学生物传感器中的无标签检测典型应用，具备小尺寸、高灵敏度、易集成等优势，适用于物理、化学及生物信号的检测。阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种常见的神经退行性疾病，隐匿性高，而早期干预可以有效缓解AD进程。针对AD的早期诊断，基于SMRR 的光学检测平台能有效克服血液筛查中的低丰度标志物和干扰因素问题，展现出超灵敏、低假阳性的检测应用潜力。但目前SMRR在AD检测上的临床应用受限，主要因其存在优化设计差异大、缺乏商用成品芯片、统一检测平台及高成本等问题。同时，AD早期诊断生物标志物存在争议，限制了其辅助诊断作用。本文综述了SMRR的传感原理，总结了其在生物医学领域的研究进展，并以AD为研究对象，探讨了基于SMRR 的检测技术主要的应用局限及其在AD早期诊断领域的临床应用潜力。未来，硅基微环谐振器技术的标准化、集成性和普适性可能成为主要的发展方向，本文可为开发成熟的商用检测仪器提供参考，推动其在临床诊断领域的广泛应用。
医疗 2026年03月23日
人工合成微生物组：理性设计、精准构建与应用前景

人工合成微生物组：理性设计、精准构建与应用前景

摘要：微生物以微生物组或者微生物群落的方式栖居在自然环境或者宿主环境中，这些群落功能多样、蕴藏着改造自然和调控宿主的强大能力，是重要的生物资源，具有巨大的开发潜力，但是天然微生物组的高度复杂性和不可控性以及自然演化和宿主进化的选择性限制了其应用。人工合成微生物组作为组成确定且可调控的“工程微生物组”，具有突破传统菌群局限性的潜能。近年来，人工合成微生物组备受关注，已经成为科学研究和产业发展的热点方向，并且正在尝试应用于环境生物修复、宿主健康管理等各个领域。本文总结了设计人工合成微生物组的3 大核心理念，介绍了自上而下、自下而上等人工合成微生物组构建策略，列举了人工合成微生物组在环境、农业、化工和健康领域的潜在应用，最后剖析了目前该研究领域面临的挑战并提出了建议，为未来人工合成微生物组的设计、构建和应用提供了参考。
医疗 2026年03月20日
原位冷冻电镜技术和可视蛋白质组学前沿

原位冷冻电镜技术和可视蛋白质组学前沿

摘要：近年来，随着原位冷冻电镜技术和人工智能技术的不断发展，结构生物学的研究模式发生了重大转变。结构解析不再局限于分离提纯的单一生物大分子，而是在细胞甚至组织内原位直接解析生物大分子的高分辨率结构，并对亚细胞区域整体分子景观进行结构探索，从而更深刻地理解细胞与组织内生命活动的分子机制。通过展示细胞内不同蛋白质复合物的精细原位结构，可以进一步生成蛋白质组的可视化定量空间分子结构功能图谱，即可视蛋白质组学。以原位冷冻电镜技术为代表的新技术能够在空间水平阐明细胞内蛋白质组的三维相互作用网络，促进从整体上系统性地理解细胞内生物大分子结构功能与互作机制。为推动中国原位冷冻电镜技术和可视蛋白质组学的发展，本文总结了其研究模式和最新前沿进展，结合具体实例展示了新概念与新技术的先进性，并对发展前景进行了展望。
医疗 2026年03月19日
基于纳米酶的脊髓损伤治疗

基于纳米酶的脊髓损伤治疗

摘要：创伤性脊髓损伤是由外部冲击引起的椎管内神经结构损害，其发病率及致残率较高。目前临床治疗主要采用手术、激素冲击等方法，由于缺乏针对性治疗药物，无法实现实质性的功能恢复。针对脊髓损伤病理进程中氧化应激及神经炎症等特点，开发可持续降解自由基、抑制氧化应激、调节神经炎症的疗法成为研究热点。纳米酶具有与天然酶类似的催化活性，且在生理条件下稳定，可以持续抑制氧化应激和神经炎症，对脊髓损伤治疗具有重要意义。本文聚焦基于纳米酶的脊髓损伤治疗，介绍了脊髓损伤的病理生理学特点，纳米酶的分类、性质及纳米酶治疗脊髓损伤的研究进展，阐述了纳米酶对脊髓损伤治疗的推动作用，尤其使脊髓损伤治疗从单纯缓解症状的姑息治疗向神经再生的转变，展现了纳米酶作为脊髓损伤治疗平台的多功能性和潜在应用前景。
医疗 2026年03月18日
量子点在疾病诊疗中的应用

量子点在疾病诊疗中的应用

摘要：量子点（quantum dots，QDs）是一种纳米级半导体晶体，因其独特的光学和电化学特性，在疾病诊疗领域极具潜力。在疾病诊断方面，QDs的高亮度和光稳定性使其在生物成像技术中能实现细胞、组织乃至单个生物分子的高分辨率成像，QDs作为荧光标记物，可用于细胞追踪、生物传感以及癌症、感染性疾病免疫和相关疾病的检测，为早期准确诊断开辟新途径。在疾病治疗方面，QDs可作为多功能纳米载体，用于靶向药物递送，帮助药物实现靶向输送，显示药物传递和释放的踪迹，QDs还可以作为光敏剂或光敏剂的载体，选择性破坏恶性细胞、血管病变和微生物感染，减少对正常组织的损伤。尽管前景广阔，但QDs从研究到临床应用仍面临诸多挑战，如毒性、稳定性和规模化工业化生产等问题。通过表面修饰、封装技术及合成工艺的改进，研究人员正逐步解决这些问题。本文总结了QDs的类型，重点介绍了其在生物成像、生物传感器、病原体检测、药物输送和光动力治疗领域的最新研究进展，讨论了阻碍其临床应用的多重障碍，并探索了克服这些挑战的潜在解决方案。
医疗 2026年03月18日
药物递送系统在胰腺癌治疗中的应用

药物递送系统在胰腺癌治疗中的应用

摘要：胰腺癌（pancreatic cancers，PCs）是消化系统常见且预后极差的恶性肿瘤。其主要治疗方式包括手术、放化疗和靶向治疗等。PCs发病隐匿、早期诊断率低下，大多数患者被诊断为PCs时，已经失去了手术机会。化疗仍是进展期PCs的主要治疗方法，但是PCs化疗容易发生耐药。PCs区别于其他肿瘤最显著的特征是基质十分丰富致密，不仅阻碍了药物渗透，同时也阻碍了免疫细胞的浸润。上述原因共同导致PCs 患者的生存率极低，现有药物不能满足临床PCs治疗的迫切需求。先进的药物递送系统为PCs 的治疗带来新的机遇，其具有改善药物递送、增强生物屏障穿透、减少副作用等优点，同时可以联合多种治疗方法，因此在PCs治疗中的前景十分广阔。目前在PCs 中广泛应用的药物递送系统主要包括纳米药物递送系统、针对肿瘤微环境的药物递送系统、免疫疗法药物递送系统、基因治疗药物递送系统以及融合各种疗法优点的组合药物递送系统等。本文就上述药物递送系统在PCs治疗中的领域发展现状、最新前沿进展和机遇挑战等进行系统总结和前瞻分析。
医疗 2026年03月17日
纳米材料在辐射损伤防治中的应用

纳米材料在辐射损伤防治中的应用

摘要：放射性损伤是决定放疗患者预后的重要因素，因此，开发预防和治疗放射性损伤的药物具有重要的临床意义。新型纳米药物在放射性损伤防治中展现出相较于传统防护药物的独特优势，如延长体内循环时间和提高靶向递送效率，并可根据损伤部位的特定微环境进行设计，因此，纳米药物克服了传统辐射防护剂半衰期短、靶向性差等缺点。本文综述了近期纳米材料在辐射损伤防治中的研究进展。首先介绍了辐射损伤机制，包括DNA双链断裂和活性氧类的损伤。随后针对特定的辐射损伤机制总结了对应的防护策略，并系统介绍了针对放射性造血系统、胃肠道、皮肤、肺、脑、心脏、口腔黏膜等损伤的纳米材料设计策略。最后总结了纳米材料在辐射防护领域所面临的挑战和未来发展的重点方向。纳米材料在长期生物相容性和精准靶向等方面仍面临挑战，未来的研究应集中在优化设计、提高临床转化潜力以及确保其长期安全性等方面。本文将为辐射防护纳米材料的设计提供参考。
医疗 2026年03月16日