2026年生物合成竞赛题库及答案

2026年生物合成竞赛题库及答案一、选择题（每题2分，共20题）1.生物合成途径中，通过引入异源基因扩展代谢网络时，优先选择的基因来源通常不包括以下哪类？A.极端环境微生物的耐高温酶基因B.植物次生代谢途径的限速酶基因C.哺乳动物的糖基转移酶基因D.噬菌体的裂解酶基因答案：D解析：裂解酶基因主要用于宿主细胞裂解，与扩展代谢网络无直接关联，其他选项均为常见异源基因来源。2.动态调控系统中，基于群体感应（QuorumSensing）的调控元件通常响应的信号分子是？A.cAMPB.AHL（酰基高丝氨酸内酯）C.c-di-GMPD.ppGpp答案：B解析：群体感应系统中革兰氏阴性菌主要使用AHL作为信号分子，其他选项为不同调控系统的第二信使。3.以下哪种技术不属于无细胞生物合成体系的关键支撑技术？A.体外转录-翻译偶联系统B.辅酶再生模块构建C.膜蛋白定向固定化D.基因组简化底盘细胞改造答案：D解析：无细胞体系无需完整细胞，基因组简化属于底盘细胞改造技术，其余均为无细胞体系核心。4.代谢流分析中，13C同位素示踪实验设计时，若目标产物为分支途径下游代谢物，通常优先选择的标记前体是？A.13C-葡萄糖（均匀标记）B.13C-丙酮酸（2-位标记）C.13C-甘油（1-位标记）D.13C-乙酸（1-位标记）答案：A解析：均匀标记葡萄糖能覆盖中心代谢途径所有中间产物，便于分支途径代谢流计算，其他标记适用于特定途径。5.用于提高异源蛋白可溶性表达的分子伴侣组合中，最常与GroEL/ES协同使用的是？A.DnaK-DnaJ-GrpEB.ClpBC.triggerfactorD.Hsp33答案：A解析：DnaK系统与GroEL/ES构成大肠杆菌主要分子伴侣网络，协同处理不同折叠阶段的蛋白。6.合成生物学中，“生物砖”（BioBrick）标准定义的核心是？A.启动子-核糖体结合位点-编码区-终止子的模块化组装B.限制性内切酶识别位点的标准化（EcoRI-XbaI-SpeI-PstI）C.代谢途径的正交性设计D.底盘细胞的基因组最小化答案：B解析：BioBrick标准通过统一酶切位点实现元件的可组合性，其他为延伸应用。7.以下哪种酶不属于聚酮合酶（PKS）的功能模块？A.酮合成酶（KS）B.酰基转移酶（AT）C.烯醇还原酶（ER）D.转座酶（Tnase）答案：D解析：转座酶参与基因重组，PKS核心模块包括KS、AT、ER等催化单元。8.构建微生物传感器时，响应元件通常是？A.组成型启动子B.可诱导启动子C.强终止子D.核糖体结合位点答案：B解析：传感器需对外界信号响应，可诱导启动子通过调控元件与信号分子结合激活表达。9.非天然氨基酸（nnAA）掺入蛋白时，关键需要改造的系统是？A.氨酰-tRNA合成酶（aaRS）-tRNA对B.核糖体大亚基C.DNA聚合酶D.泛素化系统答案：A解析：通过正交aaRS-tRNA对识别nnAA并加载到特定密码子，其他系统无需改造。10.代谢工程中，“推-拉-阻”（Push-Pull-Block）策略的“阻”指的是？A.阻断副产物合成途径B.增强前体供应途径C.强化目标产物合成途径D.抑制反馈抑制答案：A解析：“阻”通过敲除或弱化副产物途径减少碳流流失，“推”“拉”分别针对前体和产物途径。11.以下哪种底盘细胞不适合用于生产对宿主有毒性的萜类化合物？A.产油酵母（Yarrowialipolytica）B.运动发酵单胞菌（Zymomonasmobilis）C.大肠杆菌（Escherichiacoli）D.酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）答案：B解析：运动发酵单胞菌膜结构对脂溶性萜类耐受性低，其他菌株通过脂质代谢或外排泵提高耐受性。12.蛋白质定向进化中，易错PCR（Error-pronePCR）主要引入的突变类型是？A.大片段缺失B.点突变（碱基替换）C.基因重排D.插入突变答案：B解析：易错PCR通过降低聚合酶保真性主要产生点突变，其他为DNA改组等技术的突变类型。13.合成生物学中，“最小基因组”的定义是？A.能维持细胞存活和繁殖的最少基因集合B.去除所有非必需基因后的基因组C.人工合成的最简基因组D.原核生物的最小天然基因组答案：A解析：最小基因组指功能上必需的基因集合，不一定是完全人工合成或天然存在的。14.生物合成中，前体供应不足时，以下哪种策略效果最差？A.过表达磷酸戊糖途径关键酶（如G6PDH）B.引入外源磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）合成酶C.敲除乙酸合成途径（pta-ackA）D.增强三羧酸循环（TCA）的回补反应（如PEPC）答案：C解析：敲除乙酸途径主要减少副产物分泌，对前体供应无直接提升，其他策略均增加前体（如NADPH、PEP、草酰乙酸）。15.基于CRISPR的代谢调控技术中，dCas9（催化失活Cas9）通常与哪种效应蛋白融合实现基因激活？A.VP64（转录激活结构域）B.KRAB（转录抑制结构域）C.FokI（核酸内切酶）D.脱氨酶（如APOBEC）答案：A解析：dCas9-VP64复合体通过招募转录因子激活基因表达，B用于抑制，C用于基因编辑，D用于碱基编辑。16.无细胞蛋白合成体系中，能量再生模块常用的底物组合是？A.葡萄糖+己糖激酶B.磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）+丙酮酸激酶C.ATP+ADPD.肌酸磷酸+肌酸激酶答案：B解析：PEP-丙酮酸激酶系统是无细胞体系最常用的高效能量再生方式，其他选项效率或成本较高。17.萜类化合物生物合成中，甲羟戊酸（MVA）途径和2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸（MEP）途径的共同产物是？A.IPP（异戊烯焦磷酸）B.FPP（法尼基焦磷酸）C.GGPP（牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸）D.DMAPP（二甲基烯丙基焦磷酸）答案：A解析：MVA和MEP途径均提供IPP，后者可异构化为DMAPP，后续缩合提供FPP、GGPP。18.以下哪种技术无法用于检测代谢物浓度？A.高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）B.荧光共振能量转移（FRET）生物传感器C.定量PCR（qPCR）D.核磁共振（NMR）答案：C解析：qPCR检测基因表达量，其他技术可直接或间接检测代谢物。19.合成生物学中，“正交性”（Orthogonality）的核心要求是？A.元件与宿主系统无相互作用B.代谢途径与中心代谢完全分离C.基因表达不受环境影响D.蛋白质折叠不依赖分子伴侣答案：A解析：正交元件需与宿主原有系统无交叉反应，确保功能独立性。20.提高微生物耐受力的策略中，不属于适应性实验室进化（ALE）的是？A.连续传代培养于逐步增加的产物浓度环境B.敲除应激反应调控基因（如rpoS）C.紫外线诱变结合高浓度产物筛选D.利用恒化器维持选择压力答案：B解析：ALE通过自然选择积累突变，敲除基因属于理性改造，非进化过程。二、填空题（每空1分，共20空）1.生物合成途径优化中，通过过表达______酶可增强NADPH供应（如磷酸戊糖途径的关键酶）。答案：葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）2.动态调控系统常用的感应元件包括______（如温度敏感型启动子）和化学感应元件（如四环素响应元件）。答案：物理感应元件3.聚酮化合物生物合成中，Ⅰ型聚酮合酶（PKS）的典型结构是______（填“模块式”或“迭代式”）。答案：模块式4.非模式微生物作为底盘细胞的优势包括______（列举1点）和特殊代谢途径。答案：高耐受性（或产物分泌能力强/遗传背景独特等）5.蛋白质表面电荷工程常用于提高______（填“热稳定性”或“底物亲和力”）。答案：热稳定性6.合成生物学中，“基因线路”的基本元件包括______、调控元件和报告元件。答案：输入元件7.代谢流分析的关键技术是______结合同位素示踪数据的模型拟合。答案：代谢网络模型8.无细胞体系中，______（填“DNA模板”或“mRNA模板”）的稳定性直接影响蛋白合成产量。答案：DNA模板9.萜类合成中，通过融合______（如法尼基焦磷酸合酶与萜烯合酶）可提高产物合成效率。答案：途径酶10.微生物传感器的输出信号可以是荧光、______（如生物发光）或代谢物分泌。答案：发光11.基因组编辑技术中，______（填“CRISPR-Cpf1”或“CRISPR-Cas9”）通常识别TTTVPAM序列。答案：CRISPR-Cpf112.前体供应不足时，可通过引入______（如木糖异构酶）扩展碳源利用范围。答案：异源糖代谢酶13.蛋白质定向进化的关键步骤是______、突变库构建和高通量筛选。答案：目标性状确定14.合成生物学中，“生物安全”设计常通过______（如营养缺陷型改造）防止工程菌环境释放。答案：生存限制元件15.代谢工程中，______（填“反馈抑制”或“反馈激活”）的解除可通过定点突变关键酶的变构位点实现。答案：反馈抑制16.无细胞体系的优势包括______（列举1点）和无需考虑细胞毒性。答案：反应条件灵活（或产物易于分离/无生长负担等）17.聚乳酸（PLA）生物合成中，关键前体是______（填“乳酸”或“丙交酯”）。答案：乳酸18.动态调控的“时间开关”可通过______（如光诱导启动子）实现时空特异性调控。答案：光遗传元件19.蛋白质分泌工程中，过表达______（如SecYEG复合体）可提高分泌效率。答案：分泌途径组件20.合成生物学伦理问题主要涉及______（列举1点）和生态风险。答案：生物安全（或未知功能风险/伦理争议等）三、简答题（每题8分，共5题）1.简述利用CRISPRi（CRISPR干扰）技术调控代谢途径的基本步骤及优势。答案：步骤：①设计靶向目标基因启动子或编码区的sgRNA；②构建dCas9-sgRNA表达质粒；③转化至底盘细胞；④诱导dCas9表达，通过空间位阻抑制转录。优势：①可逆调控（关闭诱导后恢复表达）；②可同时调控多个基因（多重sgRNA）；③不改变基因组序列（无ermanent突变）；④调控强度可通过sgRNA靶点位置调整。2.分析大肠杆菌作为萜类化合物生产底盘的主要限制及应对策略。答案：限制：①膜系统对脂溶性萜类耐受性差（易导致膜损伤）；②内源性萜类前体（IPP/DMAPP）供应不足（MEP途径通量低）；③缺乏萜烯合酶的正确折叠机制（真核酶在原核中易形成包涵体）。应对策略：①过表达外排泵（如AcrAB-TolC）或改造膜脂组成（增加不饱和脂肪酸）提高耐受性；②强化MEP途径（过表达dxr、ispD等关键酶）或引入MVA途径（异源表达甲羟戊酸途径基因）；③共表达分子伴侣（如GroEL/ES）或使用分泌表达系统（融合信号肽）促进酶折叠。3.比较模块化途径设计与传统代谢工程的差异，并说明模块化设计的优势。答案：差异：传统代谢工程通过单基因过表达/敲除逐步优化，各步骤相互影响；模块化设计将途径划分为独立功能模块（如前体供应、核心合成、修饰转化），模块间通过“接口”（如共享代谢物或调控元件）连接。优势：①可独立优化模块（如前体模块提高供应，核心模块增强催化）；②模块可替换（不同来源的同功能模块快速筛选）；③降低途径复杂性（减少基因间相互作用干扰）；④便于组合优化（多模块正交调控）。4.说明无细胞生物合成体系在生产有毒化合物中的应用潜力及关键挑战。答案：应用潜力：①无活细胞限制（避免产物对细胞的毒性抑制）；②反应体系开放（可直接添加毒性前体或产物）；③代谢路径清晰（无复杂调控网络干扰）。关键挑战：①辅酶（如NADPH、ATP）再生效率（需构建高效再生模块）；②酶稳定性（无细胞自我修复，需提高酶半衰期）；③成本（酶制备和辅因子消耗高）；④规模化（放大过程中传质/散热问题）。5.设计一个实验方案，通过蛋白质工程提高某水解酶的热稳定性（要求包含关键步骤和检测方法）。答案：方案：①目标酶结构分析（通过X射线晶体学或同源建模确定热不稳定区域，如柔性环区）；②易错PCR或饱和突变（针对柔性区域氨基酸位点构建突变库）；③高通量筛选（将突变库转化至宿主，诱导表达后收集粗酶液，测定60℃下残余酶活）；④阳性突变体验证（纯化蛋白，测定Tm值（熔点温度）和半衰期（60℃保温不同时间后的酶活保留率））；⑤突变位点组合（将多个有益突变叠加，进一步提高稳定性）；⑥结构验证（解析突变体晶体结构，分析稳定性提升机制（如形成新氢键/盐桥））。检测方法：差示扫描量热法（DSC）测Tm值，分光光度法测不同温度下酶活，圆二色谱（CD）检测热诱导的构象变化。四、综合题（每题20分，共2题）1.某团队计划利用酿酒酵母合成β-胡萝卜素（分子式C40H56），请设计完整的代谢工程改造策略，包括：（1）核心代谢途径的构建；（2）前体供应的强化；（3）产物积累与耐受性的提升；（4）关键检测指标。答案：（1）核心途径构建：①引入异源GGPP合酶（如来自大肠杆菌的IspA或酵母自身的Bts1）催化FPP与IPP提供GGPP；②引入八氢番茄红素合酶（PSY）和八氢番茄红素去饱和酶（PDS）、ζ-胡萝卜素去饱和酶（ZDS）、番茄红素环化酶（LYC），依次催化GGPP→八氢番茄红素→ζ-胡萝卜素→番茄红素→β-胡萝卜素。需注意：真核酶（如植物来源的PSY）需进行密码子优化和线粒体靶向序列去除；多基因共表达使用不同启动子（如TEF1p、PGK1p）避免同源重组。（2）前体供应强化：①强化MVA途径：过表达关键酶HMG-CoA还原酶（tHMG1，截断反馈抑制结构域）、甲羟戊酸激酶（MK）、磷酸甲羟戊酸激酶（PMK）、甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶（MVD）；②阻断副产物途径：敲除鲨烯合酶（ERG9）减少FPP流向固醇合成；③增强乙酰-CoA供应：过表达丙酮酸脱氢酶复合体（PDH）或引入乙酰-CoA合酶（ACS）的高效突变体（如ACS2），同时敲除乙酸合成途径（ALD6）减少碳流失。（3）产物积累与耐受性提升：①脂滴工程：过表达脂滴相关蛋白（如OLE1、LRO1）促进脂滴形成，为脂溶性β-胡萝卜素提供存储位点；②膜耐受性改造：过表达ERG2（Δ8-Δ7固醇异构酶）调整细胞膜固醇组成，提高对脂类积累的耐受性；③分泌工程：融合酵母α-因子信号肽或使用外排泵（如Pdr5）促进产物分泌至胞外（若目标为胞外积累）。（4）关键检测指标：①前体浓度（FPP、GGPP，HPLC-MS测定）；②中间代谢物（八氢番茄红素、番茄红素，紫外分光光度法或HPLC检测）；③目标产物β-胡萝卜素产量（高效液相色谱-二极管阵列检测器（HPLC-DAD），检测波长450nm）；④细胞生长参数（OD600、干重）；⑤膜完整性（PI染色结合流式细胞术检测死亡率）；⑥脂滴数量（尼罗红染色荧光显微镜观察）。2.近年来，AI辅助生物合成途径设计成为研究热点。请结合具体案例，阐述AI在以下环节的应用：（1）途径预测；（2）酶功能预测；（3）发