为进一步推动对生命科学领域特别是微生物技术领域的前瞻谋划和布局，引领原创性科研攻关，打造学术创新与合作高地，特发布微生物技术国家重点实验室生命科学领域校内联合项目指南。现将有关事宜通知如下：
一、项目申报及实施
（一）申报项目。申报人员须按照指南支持方向和任务目标，填写《微生物技术国家重点实验室生命科学领域校内联合项目申报书》，报微生物技术国家重点实验室。
（二）项目评审。实验室邀请知名专家组成专业评审委员会，对申报项目进行评审。
（三）项目立项。实验室根据专家评审结果，审核并确定拟支持的项目及资助金额。
（四）项目实施。生命科学领域校内联合项目分为重点项目和面上项目，实施周期为3年，经费80%直接外拨给室外申请者，20%留室拨给室内合作者。第一期拨付总经费的70%。实验室负责组织专家进行年度考核和终期验收工作。
二、支持措施
对于经过程序确定的生命科学领域校内联合项目，给予连续3年、总额为50-100万/项的科研经费支持。设备费占比85%左右，运行经费占比15%左右，具体预算额度在任务书中填报。
三、相关要求
（一）申报人应客观、真实、完整填写申报材料，对于存在弄虚作假行为的，一经核实取消申报资格。
（二）基于联合项目基金支持所取得的论文、专著、专利等成果，归实验室和研究者所在单位共有，微生物技术国家重点实验室必须为完成单位之一，作者单位中必须有微生物技术国家重点实验室（中文：山东大学微生物技术国家重点实验室；英文：State Key Laboratory of Microbial Technology, Shandong University）。未按规范署名的在结题考核时将不予采用。在成果资助标注部分，均应标注“微生物技术国家重点实验室生命科学领域校内联合项目基金资助（课题编号：）”，英文：Supported by Intramural Joint Program Fund of State Key Laboratory of Microbial Technology（Project NO.），无此标注的成果不计入项目完成指标。
（三）必须是项目周期内公开发表或获得的成果，才可计入项目考核成果。
（四）项目申报人须于2024年6月26日17：00前将签章齐备的《微生物技术国家重点实验室生命科学领域校内联合项目申报书》（A4幅面双面打印并装订成册，一式2份）和电子材料报送至实验室办公室，逾期不予受理。
（五）项目答辩时间及要求另行通知。
四、支持方向
（一）新型基因编辑技术的开发及应用
1.新型CRISPR系统在基因组/转录组编辑及疾病诊疗中的机理和应用研究
研究内容：通过宏基因组数据分析发掘新型CRISPR系统，拓展基因组/转录组编辑及核酸检测工具的源头；解析新型系统效应复合物的酶学特性，阐明效应复合物免疫机理，开展基因组/转录组调控和编辑研究；面向重大疾病和传染病诊疗，开发基于新型CRISPR系统和微纳传感芯片集成化微流控传感技术；阐明新型CRISPR系统与微纳芯片集成的传感机制。
考核指标：发掘2-3个新型CRISPR系统核酸酶和辅助免疫元件，阐明其免疫机制，建立新型CRISPR基因组/转录组调控及编辑体系；开发至少2套CRISPR技术和微纳芯片集成的新型传感技术，阐明其传感机制，实现在重大疾病和传染病领域的应用；发表NCS子刊及以上水平论文2-3篇，申请专利2-4项。
2.肿瘤细菌基因编辑技术开发与应用
研究内容：针对具核梭杆菌基因组编辑瓶颈，开发高效DNA递送技术和Red/ET同源重组技术，促进具核梭杆菌在肿瘤发生、发展中的作用分子机制认知。具体包括：设计合成可控增殖的人工噬菌体实现基因编辑元件向具核梭杆菌细胞的高效递送；系统发掘和表征可用于具核梭杆菌基因组编辑的具有自主知识产权的新型Red/ET重组酶，解析其与具核梭杆菌细胞复制体系的互作适配机制；对Red/ET重组酶和具核梭杆菌细胞复制体系进行定向改造，提高具核梭杆菌基因组编辑效率；通过染色体任意位点的精准编辑，对具核梭杆菌重要致病基因敲除与回补，建立突变菌株库；通过治疗基因大片段定点整合，将具核梭杆菌减毒菌株开发为抗肿瘤药物递送系统。
考核指标：设计合成向具核梭杆菌高效递送DNA的人工噬菌体，开发高效编辑具核梭杆菌基因组的Red/ET重组技术，揭示Red/ET重组与具核梭杆菌适配分子机制，建立具核梭杆菌基因组编辑技术体系。实现>10 kb基因大片段定点整合和染色体任意位点的精准，建立具核梭杆菌基因突变和基因回补重组菌株库，将具核梭杆菌减毒菌株开发为抗肿瘤药物递送系统。发表高水平文章（IF≥10）2篇以上，其中Nature子刊1篇。
3.极端微生物的精准基因编辑技术与产品的研发
研究内容：（1）开发适用于极端微生物的碱基编辑技术：采用结合新型Cas蛋白变体SpRY与CBE技术，实现无PAM约束的高效碱基编辑；结合逆转录子与单链同源重组技术，实现高精度基因编辑。（2）解析极端微生物的基因功能和代谢调控：通过精确编辑关键基因，探究其在细胞结构和生理功能中的作用；利用反转录子库重组工程对极端微生物关键产物合成代谢网络进行优化，筛选产率显著提高的极端微生物。（3）调控极端微生物关键产物生成与分离：以产甲烷菌为例，通过代谢工程方法，提高其CO2转化效率和CH4产量，并实现CO2与CH4的原位分离，提高可再生能源产率。
考核指标：为极端微生物提供一种精确的遗传编辑工具，推动极端微生物基础生物学和应用研究，巩固国重室在基因编辑技术领域的领先地位。至少创建2株具有自主知识产权、表达水平提高10%以上或生长增加10%以上的极端微生物；获得至少1株重要代谢酶缺陷等性能优秀细胞株，支持高密度生长，细胞密度提高10%或表达水平提高5%~10%；推广基因编辑新技术，为生物制造基因编辑服务5个以上案例。
（二）绿色生物制造
1.基于光合固碳的1,4-丁二醇生物合成与绿色制造
研究内容：以二氧化碳为底物、以天然海水为基质、以单独或共培养方式，在蓝细菌和酵母中实现1,4-丁二醇等工业平台化学品的生物合成与绿色制造。通过代谢重组、基因编辑、基因调控等技术，进一步提高突变株中1,4-丁二醇的产量。本项目有望提供一种不依赖淡水资源的负碳生物合成策略，为双碳目标的实现及水安全的保障提供理论基础与技术支持。
考核指标：构建蓝细菌和酵母的基因编辑技术各1套；获得1,4-丁二醇高产菌种≥3株；初步形成以海水为基质，通过光合固碳、合成1,4丁二醇的生产工艺；发表SCI论文≥3篇、申请发明专利≥2件。
2.基于人工智能的大规模P450元件挖掘、功能表征与人工设计
研究内容：（1）挖掘P450高通量组学数据：整合并重分析植物与微生物基因组数据100万以上，挖掘P450酶300万以上，构建P450催化元件规模化挖掘技术体系；（2）构建P450蛋白结构与功能数据库：基于自然语言处理和大规模蛋白序列数据，预测并补充100万以上P450蛋白结构信息，参照P450功能相关文献，整合P450结构及功能表征实验数据，构建涵盖细菌、真菌和绿色植物全类群的P450多维度结构数据库；（3）绘制P450系统进化谱与知识图谱：率先研发并建立基于蛋白结构的新型系统进化分析和高通量聚类方法，深度解析并绘制P450系统进化谱，明确不同生物类群间P450的进化路径、遗传差异及同源状态，形成序列-结构-功能的知识图谱；（4）P450酶功能表征：融合计算方法及结构与催化机制解析等策略，配合人工智能和大数据挖掘分析流程，挖掘并表征新功能P450元件；（5）P450酶人工设计：围绕重要化学反应类型，基于已有知识机器学习和人工智能算法，探索P450酶的“按需设计”，实现重要化学反应的绿色催化与重要化学品的绿色生物合成。
考核指标：（1）完成P450催化元件挖掘工作流程2套，挖掘P450基因序列200万条以上；（2）创建基于P450蛋白序列和三维结构的进化分析新方法1项，率先揭示细菌、真菌和绿色植物全类群的P450进化分析框架；（3）表征新功能P450基因10-20个；（4）设计构建人工P450酶5种以上，实现2种以上重要化学品的绿色生物合成；（5）发表高水平论文3篇以上。
3.高通量菌株筛选原位快速分析质谱系统
研究内容：发展活体细胞的原位快速分析方法，研发新一代高性能、高通量非标记细胞原位筛选装备系统。以中红外激光聚焦直接溅射菌株细胞，利用红外能量共振吸收使样品气化，再通过外置的电喷雾装置产生的试剂离子进行次级电离，原位快速获得代谢物氨基酸、脂类、糖类化合物以及辅因子样品指纹数据活体分析，通过机器学习算法分析实现高通量智能化菌株筛选，满足细胞代谢分析及突变体或不同表型细胞高通量原位筛选的装备需求，从而改善细胞工厂的定向设计和快速分析的装备条件，进入菌株选育的“工业自动化时代”。
考核指标：研制基于激光溅射-电喷雾萃取电离的原位代谢物分析系统1套，集成三维移动平台，结合培养板卡图像分析自动定位，实现糖类、氨基酸、脂肪酸等化合物高通量自动分析。分析灵敏度达到nmol级别，质量数范围覆盖200-1500；发展目标化合物高精度定量校正分析流程；发展机器学习算法分析，在线实现高产突变体的快速、高通量筛选，通量达到500样品每小时。申请专利3项，发表高水平论文不少于2篇。
4.发酵领域在线拉曼检测仪关键技术研究及其发酵过程在线监测与智能控制中的应用
研究内容：（1）测量系统参数优化。研制对多种关键化合物进行在线测量的系统，并确定最佳的激光激发波长、功率、采集时间等，以优化对各目标化合物的检测。（2）数据采集与计算模型建立。制备不同浓度的关键化合物标准样品，建立光谱数据库；在发酵过程中，使用拉曼检测仪进行实时数据采集，分析各关键化合物的浓度变化，并采用不同的机器学习法对光谱数据进行模型建立，开发实时数据分析和处理算法，以支持连续的过程监测和控制。(3) YOLOv9与深度强化学习驱动的发酵过程智能控制系统。针对发酵过程的海量拉曼检测数据做YOLOv9的自适应训练，设计发酵机理模型约束的深度强化学习控制方法，软仪表结合深度强化学习和模型预报策略不断地通过与环境的交互学习并优化自身的性能和操作策略，强化在线拉曼检测仪的性能。最终克服延迟、耦合等干扰的影响，降低发酵过程中各被控参数的运行波动，使发酵过程维持最优状态，大幅提高产率。
考核指标：完成拉曼检测仪研制；工作温度范围10-50℃；测量光谱范围：200-2000 cm-1；激发波长：785nm；光谱分辨率：4-6 cm-1；激发功率：500mw，连续可调；探头工作温度范围20-125℃，pH范围：2-10；研制直径3mm—20mm的微小型测量探头；开发的智能过程控制系统相较于传统PLC控制系统，关键化合物产率提高20-30%。
（三）微生物与宿主互作
1.作物根际细菌联合固氮与内生固氮的互作机制研究及应用
研究内容：（1）在盐、碱胁迫条件下，分析具有联合固氮能力的荧光假单胞菌工程菌对大豆生物固氮能力及大豆产量的影响，并综合利用多组学联合分析技术，鉴定大豆响应荧光假单胞菌工程菌的关键调控因子或重要根系分泌物，阐释大豆根瘤菌固氮与联合固氮菌的协同或互作机制；
（2）将联合固氮菌中的固氮基因簇整合到根瘤菌中，构建兼具内生固氮和联合固氮的工程菌株，分析新构建的根瘤菌工程菌的固氮能力及其对大豆根瘤固氮和产量的影响；（3）在阐释联合固氮与内生固氮互作机制和构建根瘤菌工程菌的基础上，筛选和培育更具固氮效率的根际细菌菌株用于盐碱地大豆等作物的种植和高产，并筛选适合盐碱地种植的高效根际细菌联合固氮与内生固氮能力的大豆遗传材料。
考核指标：申请国家发明专利2项；发表高水平学术论文3篇；改造或构建具有产业化潜力的菌株2个；创制具有高效根际细菌联合固氮与内生固氮能力的大豆遗传材料1-2份。
2.AHPND病原毒素的受体发现与靶向药物筛选
研究内容：（1）鉴定PirVP的受体及其介导的致病机制。利用酵母双杂交、IP-MS等手段，以PirVP为诱饵，筛选互作蛋白质。针对潜在受体，采用co-IP等方法确认，并采用SPR、ITC等分子互作技术进一步验证并表征受体-配体互作；同时针对关键位点、区段构建突变蛋白，以明确决定互作的关键氨基酸。另一方面，利用RNAi和抗体封闭等技术抑制其表达并进行PirVP刺激，通过H&E切片、扫描电镜和免疫荧光等方法观察靶标组织肝胰腺、胃以及血细胞的组织形态是否发生损伤，明确是否介导PirVP对宿主细胞的杀伤作用。综合上述结果，确认PirVP受体。（2）发现特异阻断PirVP-受体的化合物及其靶向机制。利用AlphaFold预测PirVP、受体等致病过程潜在靶标的蛋白三维结构。利用生物信息学、深度学习等技术并结合蛋白结构数据库已报道的相似结构分析并推测候选靶标的结合位点。利用已有的包含10000余个植物来源天然产物的分子库与候选靶标进行分子对接，筛选排序靠前的化合物，进行细胞水平的活性测试。针对细胞水平有活性的天然活性分子，将其与靶标进行分子动力学模拟，预测关键残基，分析其作用机制。根据分子动力学模拟结果，对天然化合物与预测的关键氨基酸残基进行点突变，借助ITC等技术进一步验证天然活性分子与靶标的作用机制，并探索对天然化合物的改造优化。
考核指标：鉴定PirVP毒素的受体，揭示PirVP的致病机制；发现靶向阻断PirVP-受体互作的化合物；发表高水平论文1-2篇。
3.肠道菌群宏RNA结构组技术开发及群落结构变化机制研究
研究内容：以小鼠模型为例，通过饮食干预，形成不同的肠道菌群群落结构，与对照组相比，构建与群落结构同步改变的RNA结构组。（1）与微生物翻译效率直接相关的rRNA结构解析，可以从分子层面解释不同物种的丰度差异原因；（2）关键代谢通路中，基因与基因之间相互调控的RNA结构元件发现，可以从RNA结构视角解读基因表达调控机制；（3）重要RNA结构元件的靶向结合小分子筛选，可以通过小分子影响RNA结构稳定性，进而实现对菌群关键代谢通路的精准调控。
考核指标：单菌株的全转录组尺度RNA二级结构图谱解析2个；标准模拟群落的宏RNA结构图谱解析2个；小鼠肠道菌群的宏RNA结构图谱解析2个；宏RNA结构组实验及分析技术开发1套，申请专利1项，申请软件著作权1项；发表高水平SCI论文2篇。
（四）资源与环境生物技术
1.盐碱土地生态治理技术研发
研究内容：解析盐碱地中微生物、植物、土壤环境间的协同演化规律与核心驱动因素；筛选耐盐碱经济作物种质及增强作物耐盐碱度的微生物菌株；研发功能微生物菌剂并探究其对作物根际环境中土壤性质、养分及微生物群落的影响；鉴定调控根系微生物组的重要功能基因并解析其作用机制，利用生物技术加速耐盐碱作物新种质的定向改良与创制；建立人工高效盐碱地生态系统构建的理论体系；确立盐碱地生态治理的技术体系与工艺。
考核指标：揭示盐碱地微生物、植物、土壤环境协同演化的内在规律；建立一套盐碱地生态治理的理论与技术体系；筛选增强作物耐盐碱性的微生物菌株（系）4-6个；发掘、鉴定调控根系微生物组及甜高粱耐盐碱性的功能基因2-4个，阐明此类基因发挥作用的分子机理及潜在的可应用性；选育耐盐碱甜高粱新种质2-4份；建立盐碱地微生物组干预技术手段；实现盐碱地的生态化、经济化与高值化综合治理效果，治理后每亩纯收入达到千元以上（甜高粱）；实现万亩技术示范规模，达到产业化与转化水平，争取获批省级奖励一项；高水平论文2-4篇，申请专利4-6项。
2.面向碳中和的污水厂“零碳”脱氮生物技术与应用示范
研究内容：（1）利用宏基因组组装基因组（MAGs）、单细胞分选等，结合单细胞全基因组测序技术，获取未可培养厌氧氨氧化细菌基因组信息，探究厌氧氨氧化细菌纯培养困难的因素，推测其代谢通路与培养条件；研究厌氧氨氧化细菌与其他微生物细胞之间的互作，探索厌氧氨氧化细菌的生长调控，了解厌氧氨氧化细菌的生态生活机制。在此基础上，研究快速启动厌氧氨氧化过程的方法。（2）异源表达并分离纯化厌氧氨氧化过程的肼合成酶，挖掘该酶可能的电子受体，探究腐殖质、微生物电极、氧化石墨烯等作为厌氧氨氧化细菌电子受体取代亚硝酸盐的可能性。（3）研发反硝化/DNRA-厌氧氨氧化、胞外呼吸型厌氧氨氧化等关键技术；构建低能耗、低成本、规模化、碳中和型自养生物脱氮技术体系，建设污水低碳脱氮示范工程1处。
考核指标：解析厌氧氨氧化细菌难培养因素，为获取厌氧氨氧化细菌纯培养提供基础；开发2种可替代亚硝酸盐的厌氧氨氧化细菌电子受体；形成厌氧氨氧化细菌快速启动与效率提升策略，使厌氧氨氧化功能酶活提升30%以上，缩短厌氧氨氧化启动时间40%以上；研发面向碳中和的污水厂“零碳”脱氮生物技术2项，曝气能耗降低70%，温室气体N2O减排率>90%；建设国内首个装配式主流厌氧氨氧化低碳处理示范工程，规模10000 m3/d；在本领域TOP期刊发表SCI论文3-5篇。
（五）废弃资源生物转化技术
1.基于高效木质素降解酶的木质纤维素资源化利用研究
研究内容：针对目前木质素降解酶的催化效率低、酶产量低从而造成成本高等主要问题，拟建立废弃木质纤维素素资源高效处理糖化用酶的全链条设计生产技术，具体包括：（1）高效木质素降解酶的理性设计与智能创制：基于量子化学计算、木质素-酶构效分子动力学模拟、量子力学/分子力学组合方法，解析木质素降解酶催化机理，明确主要反应通道和速控步骤；阐明生物酶活性中心附近及远端氨基酸对速控步骤的影响；建立高通量模拟筛选技术，智能创制高效木质素降解酶。（2）木质素降解酶的高水平生产及新型复合酶系构建：基于真核微生物蛋白质合成分泌机制的解析，利用合成生物学技术策略进行代谢和蛋白分泌网络及其关键环节的设计集成改造，实现木质素降解酶的高效生产；进一步提出木质素酶与（半）纤维素酶的新复合酶系的组合生产模式，优化改善酶系性能，显著提高木质纤维素转化效率。
考核指标：构建酶催化反应构效关系模型，解析代表性多功能木质素降解酶的催化机制，获得具有自主知识产权和工业应用价值的高效新型多功能降解酶；建立基于高效降解酶的新型木质素绿色预处理技术；构建高效新复合酶系生产菌株，实现木质纤维素生物质的全组分综合高效利用，转化率达到90%以上；实现木质素降解酶系的高水平生产，达25 g/L以上；发表高质量研究论文3篇以上，授权专利2项以上。
2.基于氮磷高效回收及高值转化的畜禽粪污微生物资源化技术
研究内容：（1）畜禽废水中氮、磷高效回收转化技术。拟借助特定微生物细胞富集方式，实现废水中氮磷的高效回收，并构建适应性微生物菌种开发高值化产品。（2）畜禽粪便堆肥高值化技术。研发基于多功能绿色纳米复合材料的氮磷同化微生物强化技术，减少畜禽粪便堆肥中氮损失，强化磷的富集，研发高值化新型肥料产品。（3）基于氮磷高效回收及高值转化的畜禽粪污微生物资源化技术体系构建。
考核指标：研发畜禽废水中氮、磷高效回收技术1套，废水中氮和磷回收率达到70%以上；研发畜禽粪便堆肥高质化技术1套，实现化肥减量不低于5%；研发多功能绿色纳米复合材料1-2种；构建高效转化氮磷微生物菌种1-2个；发表高水平科研论文3-4篇；申请国家发明专利2-3项。
3.秸秆基生物天然气的绿色制备与高值转化
研究内容：（1）针对秸秆制沼气效率低、周期长的问题，开发适合厌氧消化的秸秆原料预处理方法和木质纤维素降解酶系，构建菌酶协同的高效秸秆降解转化产气体系，提高沼气产量并缩短消化周期。（2）针对现有生物脱硫细菌生长缓慢、硫氧化物存在危害等问题，筛选快速生长的硫氧化菌并应用于沼气脱硫，解析硫氧化产物的生成机制以指导菌株改造，优化沼气脱硫工艺参数。（3）针对生物天然气应用渠道单一、低效的问题，构建协同利用甲烷与二氧化碳并合成高值化学品的合成微生物组，综合分析甲烷与二氧化碳共利用代谢流并识别限速靶点，利用合成生物技术理性优化沼气的转化效率。（4）对秸秆发酵制沼气、沼气脱硫、生物天然气高值转化关键技术进行放大测试，建立秸秆资源化利用的全链条集成技术。
考核指标：获得适合沼气生产的秸秆预处理方法1-2种，构建适应菌酶协同生产沼气的木质纤维素降解酶系1-2套，甲烷容积生产效率提高20%；筛选出高效脱硫菌株3-5株，将1-2种新型生物脱硫途径应用到沼气脱硫中，硫化氢去除率≥90%；构建3个以上可高效利用甲烷与二氧化碳并合成生物醇、有机酸、可降解塑料等化学品的合成微生物组，整合建立秸秆基生物天然气绿色制备与高值化利用的新型技术路线，并实现中试规模测试。
联系人：王亚 联系电话：0532-58631501
电子邮箱：wangya@sdu.edu.cn
地址：青岛市即墨区滨海路72号山东大学微生物技术研究院N1楼303-1室
附件：《微生物技术国家重点实验室生命科学领域校内联合项目申报书》
微生物技术国家重点实验室
2024年6月18日
