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动植物细胞生物论文6800字_动植物细胞生物毕业论文范文模板

发布时间:2020-11-21 13:48

  导读:动植物细胞生物论文写作的时候,都是需要做好很多功课的,大量阅读相关的资料也是不可或缺的,这样才能在心里有写作的方向,论文在写作过程中也必须要有条有理才能够保证自己的论文顺利通过。本文分类为细胞生物论文,下面是小编为大家整理的几篇动植物细胞生物论文范文供大家参考。


  动植物细胞生物论文6800字(一):无细胞合成生物技术的进展探究


  合成生物技术一经兴起,便得到全世界的广泛关注,下面是小编搜集整理的一篇探究无细胞合成生物技术进展的范文,供大家阅读参考。


  1合成生物技术


  合成生物学是新出现的一门综合了分子生物学、工程学、数学等许多研究内容的交叉学科,它借鉴工程化的思想研究生命,目的是通过人工设计和构建高效、可控的生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题[1].scientificamerican的编辑davidbiello曾经用一个简单的比喻来说明什么是合成生物技术:如果将生命比作电脑,那么,由许多核酸组成的程式码-基因体,就是生命的作业系统。合成生物技术想做的就是,透过创造或改写基因组,让生命表现出预期的行为,执行预定的工作。


  合成生物技术一经兴起,便得到全世界的广泛关注。早期合成生物技术的研究内容主要为标准调控元件的设计与合成;现阶段的研究内容扩展为通过系统生物学指导,理性组装各种合成生物元件,使其成为定向执行某种生物功能的代谢通路、系统或者一种全新的细胞[2].经过10余年的探索,细胞体内代谢途径的构建已经取得了相当大的进展,其中的典型代表即为keasling课题组[3,4]利用合成生物技术的方法在大肠杆菌和酿酒酵母中均成功构建的紫穗槐二烯(青蒿素前体物)的合成路径,建立了有效而价廉的青蒿素合成方法。伴随基因组学和系统生物学的不断进步,合成生物技术将会给产品开发带来革命性的影响,为世界带来新一轮产业发展浪潮。中国已经制订了合成生物技术战略路线图,规划了技术、工业应用、医学和农业等方面的中长期目标:未来5年,争取建立标准元件数据库,形成化学品和生物材料的模块化设计和生产能力;未来10年,力争形成生物系统设计、建模和验证一体化平台,商业化生产众多自然化合物、药品、化学品和生物燃料。


  但是,在实际操作过程中,并不是所有人工设计的代谢途径都能在宿主细胞体内表现出预期的效果,原因主要有以下几方面:生物系统构建复杂难以预测;许多人工合成的生物元件与宿主细胞的兼容性问题;目标产物对宿主细胞的抑制;生物系统的稳定性问题等[5].相比于调控活细胞的代谢,体外多酶催化体系显得更具灵活性及可操作性。


  2无细胞的合成生物技术-多酶催化体系


  无细胞的合成生物技术的核心思想为体外多酶催化体系的构建,即模仿体内代谢途径,在体外组合一系列酶及辅酶,构建复杂的生化代谢网络以获得目标产物的过程[6].无细胞的合成生物技术近年得到很大提升,并不断迅速发展。这种快速的发展基于无细胞的合成生物技术平台的几个重要特点[7~9],包括:


  (1)没有宿主细胞的生理调控系统,反应条件更容易控制,可以方便地进行反应条件的优化;(2)不存在副反应和宿主细胞本身的代谢需求,能够达到更高的产品得率和产品纯度;(3)可以使用高负载量的酶,用于提高反应速率;(4)宽泛的反应条件(如高温、有机相催化体系)、底物的自由选择,解决了底物或中间产物的毒性问题;(5)具有相当大的工业化潜力。


  无细胞的合成生物技术可以看作一个基于三要素的集成式平台,包括:代谢途径重新构建、酶工程和反应工程[10].代谢途径重新构建需要以体内代谢途径为基础,组装相应的酶和辅酶。与体内代谢途径可以自动平衡辅酶和产生腺苷三磷酸(atp)不同,构建体外代谢途径必须设计辅酶再生系统和atp合成体系。此外,需要进行详细的热力学分析,以确保设计的代谢途径和预期相符。酶工程经过近半个世纪的发展,是一个相对成熟的研究领域,涉及酶的发现、酶的大量制备、理性设计、定向进化和酶的固定化等。反应工程包括生物反应器的设计(如膜反应器、流加反应器、连续搅拌釜式反应器)、多个反应的级联、反应条件的优化等。


  3多酶催化体系的构建策略


  3.1底物通道效应


  多酶催化体系反应过程中,中间产物要经分离纯化才能进行下一步产应。中间产物在分离过程中损失较大,产率相对较低。对催化反应的多种酶进行理性设计,在一定空间内实现级联催化,可有效减少反应步骤及反应设备的初始投入,减少中间产物的扩散阻力、增加其局部浓度,降低中间产物在分离过程中的损失,提高最终产物的收率。


  底物通道效应(substratechanneling)指在多酶催化的代谢途径中前一个酶所催化产生的产物直接进入下一个酶的活性中心,而不是扩散进入所在的反应体系环境中[11].在传统的生物催化级联过程中,所有的酶均匀分布在反应器中,存在酶稳定性差、产物分离复杂、酶难以回收、环境耐受性差以及中间传递效率等诸多问题,因此,需要发展有效的固定化酶策略来实现多酶催化的底物通道效应,同时可以保持酶的活力稳定性及重复使用性。


  多酶催化体系的固定化是酶工程领域的前沿课题之一,探索和研究新的固定化技术,开发适用范围广、可应用于多酶催化的固定化酶载体材料,为多酶体系创造适宜的微环境是这一领域的基础性研究。


  当前多酶催化体系的固定化主要有以下方式:简单的多酶融合、使用支架系统进行共固定化、简单的共固定化及位置组装的共固定化等(图1)[12~16].多酶催化体系的固定化效果与载体的选择有很大关系,载体材料的结构和性质对固定化酶的活性有很大影响[17].随着固定化技术的发展,载体材料由最初的天然高分子材料,扩展到合成高分子材料、无机材料及现在备受关注的复合材料。复合载体材料综合利用高分子材料和无机材料优点,与其他载体材料相比,具有特殊功能的复合材料有巨大优势,因此复合材料是固定化载体材料发展的必然趋势[18,19].


  基因工程领域的最新研究进展表明,生物偶合可以提供相应的工具以更加可控的方式构建多酶催化体系,通过人工合成的结合域,可以将参与反应的多个酶共同固定于支架体系,如rna支架系统、dna支架系统、合成蛋白支架系统、自组装蛋白支架体系等。在利用rna分子作为支架系统方面,delebecque等[20]利用rna分子适配体将产氢需要的2种酶进行了空间组装,利用rna分子的折叠形成一维或者二维的脚手架结构从而实现酶分子的空间构建,其中二维结构的rna脚手架结构使氢的产量提高了48倍。在利用dna分子作为支架系统方面,wilner等[21]以dna分子作为脚手架形成六角形结构,将葡萄糖氧化酶(gox)和辣根过氧化物酶(hrp)2个酶进行固定化,将酶分子聚集后反应速率大幅度提高。在利用蛋白质作为支架体系方面,不仅可以利用自然界存在的蛋白作为支架,也可以人工构建新的蛋白支架体系。细菌纤维小体是多种纤维素酶、半纤维素酶依靠锚定-黏附机制所形成的一种多酶体系,通过细胞黏附蛋白附着在细菌的细胞壁上。近年来,通过模仿自然界中纤维小体的构造人工合成纤维小体得到了广泛研究,tan课题组[22]利用来自clostri-diumcellulovorans,c.cellulolyticum,c.thermocellum的锚定结构域和黏附结构域构建了人工纤维小体,通过黏附-锚定机制将降解纤维素的酶固定到酿酒酵母细胞壁的表面,将纤维素降解后在酵母体内进一步转化生成生物乙醇。利用这种方法,乙醇的产量最高达到1.4g/l.另外,利用蛋白质的自组装进行多酶体系的构建也具有广阔的应用前景,借助蛋白质的自组装完成多酶体系的构建只需要将蛋白质或者酶分子进行简单的混合而不需要进行特殊处理。dueber等[23]利用信号转导过程相关蛋白的一部分作为蛋白支架体系构建脚手架,3个支架蛋白包括gtp酶结合结构域(gbd)、sh3结构域(sh3)和pdz结构域(pdz)。


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  通过将催化乙酰coa到甲羟戊酸的3个酶-乙酰coa硫解酶(atob)、hmg-coa合成酶(hmgs)和hmg-coa还原酶(hmgr)分别与gbd,sh3,pdz的配基相连,利用配基与蛋白支架之间的特异性相互作用从而将3种酶分子组成多酶复合体,通过进一步优化支架体系,调节不同支架蛋白的比例,甲羟戊酸的产量最高提高了77倍。


  3.2生物积块(buildingblocks)与模块(modules)的构建


  无细胞的合成生物技术采用自下而上的设计策略,包括生物积块的构建(单独的酶)、几种酶组合成的功能模块的构建(产物生成模块、辅酶再生模块、atp合成模块)和复杂代谢途径的组装及应用(以糖为底物生产氢气等)。体内代谢途径的标准生物组件是对应的dna序列,体外代谢途径的标准生物组件则是各种酶。通过将多个酶组合成功能模块,再将不同的功能模块进行组装,可以实现体外代谢途径的构建。


  酶催化的生物转化反应中,约30%是氧化还原反应,这些反应需要辅酶/辅因子的参与,如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nad(p)h)或黄素腺嘌呤二核甘酸(fad)。宿主细胞可以通过合成代谢和分解代谢的平衡来调节辅酶/辅因子的量,体外多酶催化体系则需要不断补充辅酶/辅因子。在体外构建多酶催化体系,底物的成本需要远低于产物的价值,因此,通过组合积块构建廉价的辅酶再生模块显得尤为重要[24].


  nadph是最常见的辅酶,其在体外的再生可以通过以单个酶催化底物供氢体或级联多个酶来进行反应[25].单酶构建的nadph再生模块已被广泛用于合成各种化合物。3种代表性的单酶构建的nadph再生模块是醇/醇脱氢酶、甲酸/甲酸脱氢酶和葡萄糖/葡萄糖脱氢酶[26,27].以1个多酶催化体系中辅酶再生模块的构建为例,1个由12个酶组成的体外多酶催化体系,以纤维二糖为底物生成1个单位的葡萄糖可以产生12单位的nadph[28].在所有的供氢体化合物中,成本最低的是糖类,但以它们为底物构建辅酶再生模块需要添加较多的酶,增加了系统的复杂性。利用电化学反应进行辅酶再生成本较低且相对清洁无污染,但nadph在高电位时稳定性很差,如果想在工业上应用这项技术,必须解决现存的问题。


  atp是所有生物体的通用能量。与宿主细胞内可以不断合成atp不同,在体外多酶催化体系中,如果某些反应需要atp参与,需要设计atp再生模块,低成本atp再生是其面临的一个最关键的障碍。


  体外atp再生的方法包括底物水平磷酸化、nadph的氧化磷酸化和光诱导atp合成[29,30].


  目前应用最广泛的体外atp再生技术是底物水平磷酸化,常见的磷酰基供体包括乙酰磷酸、磷酸二羟丙酮和磷酸肌酸等。这些磷酸盐的利用会导致磷酸根的积累,从而改变ph,抑制体系中的酶活。此外,过高的底物成本也导致其不能应用于大规模生产。


  使用非磷酸盐的化合物可避免磷酸根积累的问题。


  通过利用糖酵解途径中的反应,葡萄糖和丙酮酸盐已作为底物用于无细胞体系中atp的合成。最近,由麦芽糖糊精磷酸化酶介导的反应以麦芽糖糊精作为底物生成atp,与葡萄糖相比,每单位麦芽糖糊精可以多生成1个atp,同时生成可以缓慢释放能量的化合物葡萄糖-6-磷酸,更可能应用于大规模生产[31].


  4多酶催化体系的应用


  无细胞多酶催化体系的应用最初可以追溯到100多年前。1897年,eduardbuchner使用酵母提取物将糖转化成乙醇和二氧化碳,凭借这一成就,他获得了1907年的诺贝尔化学奖。从那时起,无细胞多酶催化体系逐渐为人们所熟知并加以应用。无细胞多酶催化体系的构建不仅能在一定程度上克服体内代谢途径的缺点,还拥有产量高、纯度高以及反应速度快等优点,目前已经成为合成高价值化合物和生物能源的一种新选择[32].


  4.1生物制氢


  无细胞合成体系最初在生物产氢研究领域取得了较大的突破。美国橡树岭国家实验室的woodward等[33]利用葡萄糖-6-磷酸作为反应底物,在体外成功构建了1条生物产氢的催化途径,最终每摩尔葡萄糖-6-磷酸经过一系列反应得到了11.6摩尔氢气。然而,葡萄糖-6-磷酸作为反应底物存在几个缺点:成本偏高;游离的磷酸作为最终产物会结合mg2+,从而影响参与反应的部分酶的活力;磷酸积累造成ph波动过大,不利于体系的平衡[34].弗吉尼亚理工大学的zhang课题组[31]为了解决这些问题,将葡聚糖作为反应起始底物,利用低聚的糖苷键和多糖的化学键能量,通过添加少量可回收利用的磷酸根离子和适当的磷酸化酶,在原有途径基础上引入了从葡聚糖到葡萄糖-6-磷酸的两步反应,取得显着效果,氢气产量提高到12mol/mol(底物),且不需添加atp.由于葡聚糖价格更低(约0.15$/kg)、更易获得,因此新途径能有效降低生产成本(图2)。2013年,zhang课题组[35]在体外构建了利用木糖产氢气的无细胞合成体系(图3)。可以预见,通过使用更为廉价的底物可以进一步降低成本,为生物产氢工业化奠定基础。


  4.2生物食品和生物燃料


  纤维素是地球上含量最丰富的有机化合物之一,并且是可再生能源的一种理想原材料来源。如今,它还能够解决人类的温饱问题。在一项新的研究中,zhang课题组[36]找到了一种将纤维素转化为淀粉的新途径。为了实现这种转化,他们选择了植物、真菌和细菌来源的内切葡聚糖酶-纤维二糖水解酶、纤维二糖磷酸化酶和a-葡聚糖磷酸化酶,通过基因设计与优化,人工合成具有大肠杆菌密码子偏好性的基因序列,在大肠杆菌中表达,最终得到了需要的酶,并在体外构建了多酶催化体系(图4)。与将纤维素完全分解为葡萄糖,再重新将其组装为淀粉不同,他们首先将纤维素分解为纤维二糖,随后将纤维二糖分解为葡萄糖及g-1-p,g-1-p起到构建直链淀粉模块的作用。通过这种体外多酶催化体系,他们可将高达30%的纤维素转化为淀粉,剩下的纤维素水解为葡萄糖,通过酵母的转化在同一生物反应器中生产乙醇。


  可以预见,下一代的生物精炼厂将会使用这种体外多酶催化体系同时生产食品和生物燃料。


  丁醇是一种高品质的汽油替代燃料,与传统的乙醇燃料相比有很大优势:能量密度高,接近于汽油;亲水性低,能与汽油高比例混合;可以使用现有石油管道进行运输等。此外,丁醇还是一种重要的大宗化工产品,每年全球市场需求达50万吨左右。近几年来,美国ucla的liao课题组[37]对异丁醇的生物制造进行了深入研究。通过利用支链氨基酸的生物合成途径和ehrlich途径,在大肠杆菌等模式生物中构建了异丁醇的生物合成途径,可以把糖转换为异丁醇。但异丁醇的体内合成面临诸多限制因素,其中之一即为使用重组大肠杆菌生产异丁醇,当产量达到1%~2%(v/v)时,异丁醇即对宿主产生毒性作用,从而降低了宿主的生长速率和产物收率。tum的sieber课题组[38]设计了一种体外的多酶催化体系可以将葡萄糖转化为异丁醇或乙醇。他们人工构建了最小化的糖酵解级联反应,反应只需要添加一种辅酶(图5略)。在耐受性试验中,无细胞的多酶催化体系在异丁醇产率高达4%(v/v)时反应速率仍不受到影响。


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  4.3生物制药


  抗生素是由微生物或高等动植物所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物。目前临床常用的抗生素很多是由基因工程菌发酵得到,在体外构建多酶催化体系生产抗生素,可以避免基因工程菌在合成抗生素时产生的自我抑制情况,具有很好的发展前景。加州大学圣地亚哥分校的moore课题组[39]2007年首次在体外构建了ii型聚酮类化合物的合成途径,该体系利用苯甲酸及丙二酰coa作为反应底物,在外源补加atp及nadph的条件下得到了天然抗生素-肠球菌素(图6)。


  除此之外,无细胞多酶催化体系也已经应用于其他领域,如精细化工合成[40]、生物闭合电路构建[41]、无细胞蛋白合成[42]和各种单糖或多聚糖合成[43].


  5总结


  无细胞合成生物技术由于其高度可控及构建体外代谢途径的方法多样,正逐渐成为一个强大的技术平台,能够完成许多体内代谢途径无法完成的工作。相对于传统的微生物发酵生产,无细胞多酶催化体系拥有诸多优势,但其未来的应用仍存在相当大的挑战,即其应用存在一定的局限性。这种局限性表现在两个方面:(1)缺乏通用的积块(酶或辅酶),使其成本偏高。现代工业化生产最重要的就是标准化和规模化,只有通过基因工程手段构建大量热稳定的、价格低廉的酶,并发展仿生辅酶类似物,才能大幅降低无细胞合成生物技术的成本,使其可以与传统的微生物发酵进行竞争;(2)反应速率仍有待大幅提高。可以通过优化多酶体系的催化模型、代谢流分析、增加底物浓度、增加酶装载量、提高反应温度等手段加快反应速率、提高催化效率。对于无细胞的合成生物技术,现阶段的发展目标是在低成本和工业化大规模的基础上构建可控的、高效的多酶催化体系。


  可以充分挖掘无细胞系统的潜能,实现更好的学习、控制和调节。随着酶制备成本的降低及酶工程技术的不断提高,相信在不远的将来,无细胞的合成生物技术将越来越多地应用于生物制造业。


  动植物细胞生物毕业论文范文模板(二):无细胞生物科技加速创新


  人类的生命物质包裹在一个称谓“细胞”的微小口袋中。细胞内部是dna分子,携带了如何运转人类细胞的指令,发展、被激发,最终分裂为两个细胞。rna(核糖核酸)——存在细微差别的分子信息,携带指令进入称谓“核糖体”的分子细胞中。一个核糖体的工作是读取rna信息,并且将它们转化为蛋白质。接下來,这些蛋白质会监督、执行运转、成长以及分裂的过程。


  这是自地球上出现生命体的40亿年以来,一直完整运转的一套体系。可是,对于有些生物技术学家而言,细胞或许只是一顶老旧的帽子。他们认同dna、rna、核糖体和蛋白质的配置,它们可以被设计成为有其他用途的化学成分,从医药到建筑塑料模块。但是科学家们一直试图,逃脱包裹这些物质的袋子,进入细胞内部仅仅留下原浆质“粘液”用于他们的指令。


  所以,相比传统的基因工程带点来的可能性(甚至像crispr-cas9这样先进的基因修正技术),无细胞生物技术能够更加准确的控制。在这里,基因信息是由核糖体(ribosomes)转译,最终产品可以进行大规模产生。


  同样重要的是,无细胞生物技术意味着没有任何生物化学过程浪费在运转、发展和分裂任何实质细胞上。事实上,科学家们最初的目的就是为制造特定产品寻找最佳基因的一种快速方法。最终,所有努力形成的这样的成果——无细胞生产将意味着大规模制造。


  无细胞原浆质粘液的制作过程如下:取4公升培养皿的大肠杆菌(大肠细菌深受基因工程学家的偏爱)。压力作用下,通过微型阀门打开细菌细胞,撕裂细胞膜和dna,最后释放核糖体。在37摄氏度下培养得到的混合物一小时,然后激活能吞噬dna碎片的一种称为核酸外切的酶。运用离心机,将细胞膜和其他碎屑废弃物从包含核糖体的粘液中分离出去,分离去除多余的离子。然后,拌入氨基酸(蛋白质)、糖和携带能量的三磷酸腺苷(atp)分子。最后,加入少量进行尝试,并对产生的蛋白质粘液发出指令。


  这一研究过程,采用的是加州伯克利大学的synvitrobio公司的研究方法,这是一家加州理工学院的zacharysun和richardmurray,以及哈佛大学乔治georgechurch共同创立的一家公司。运用不同生物体的其他无细胞技术也正在展开实验,比如,酵母和链霉菌就成功进行了实验。烟草的细胞或是中国仓鼠的卵巢也是进行这个实验的不错选择。在自由悬浮暂停,所有这些公式在隔绝细胞的蛋白制造机制的状态之下,将成为变种。


  synvitrobio公司的工程师建立了一种机器人系统,融入他们实验的最后一个阶段。这个机器人将精制的原浆细胞打包注入一批384个微型试管中。每一支试管装有几百万升之一的细胞液。然后,将一些dna分子投入每一个试管,在这些分子信息转化为蛋白质的过程中,分离出的粘液开始发挥作用。目前,这个系统能够为每个试管处理8个dna序列,这意味着能够同时处理3072个蛋白质。这样能够达到1万个基因“字母”的长度——这足以编码任何你能够注意到的蛋白质分子。


  现在,synvitrobio公司正在使用这一系统测试dna序列,测试它能否值得作为抗生素考察。通过黏合到生物学上重要的分子,并且以伤害部分生物体的方式改变分子特性,才能让药物开始发挥效用。为了寻找这样的黏合,每一个迷你试管同时装备了一些特定的分子,每一个附上“报道者”标签的分子,当黏合发生就会发出光亮。那些闪烁的试管标志着,其中一组或多组的dna序列值得研究者注意。所以,synvitrobio公司的技术能够以新dna序列特定的速度,扫描出潜在的药物。


  按需人工合成新的基因序列是现在国际通行的技术,这意味着全球的基因库可以如候选人一样被争夺。基因被残忍扭曲筛选,直到最好的基因出现。而此刻重点在于,如果当synvitrobio公司将新发现的分子,以传统科技黏合进合适的细胞内,在发酵罐中培养这些细胞,就如同酿造啤酒的过程一样,这相比简单将它们投入粘液中要消耗更多的时间。


  靠近美国旧金山的sutrobiopharma生物制药公司,已经使用了无细胞系统生产抗癌的抗体。今年月,sutro公司宣布运用这套系统生产阻止肿瘤扩散的stro-001抗体,并计划在2018年开始临床试验stro-001抗体。用于试验的无细胞抗体即将开始生产。抗体是特殊的蛋白质,所以一旦sutro公司的系统鉴定出最佳的“候选人”,所有需要的工作就是编码“候选人”的dna粘液。


  genomatica是一家位于圣地亚哥的生物科技公司,现在正在试验利用无细胞系统,从单糖中获取1,4-丁二醇。1,4-丁二醇是一种用于制造聚合物(比如莱卡)的小分子。一般来说,相比生物科技,从化学过程中提炼这种尺寸分子的成本更低,而1,4-丁二醇恰恰是一个例外。


  genomatica公司的系统在合成过程中大量生产出关联的酶,产生一个完整的无细胞代谢途径——就是所有糖可以专注用于特定的化学物质,而不是为了谋取最大利益,运转一个细胞的其他生化过程。目前,这家公司还没有将系统用于商业使用,而对于它赋予更高的期望。


  美国马塞诸塞州的greenlight生物科技公司,同样计划根据大肠杆菌,运用无细胞系统生产不易消化的核糖类似物——一种自然形成的糖,可应用于零卡路里的饮料中。而借助于基因修改过的大肠杆菌已经应用于工业生产。这家公司表示,他们对这套系统的熟练操作已经达到一定高度,能够每次生产数千公升的糖溶液。


  与此同时,greenlight公司用无细胞系统,生产工业定制量产的rna分子,阻止昆虫幼虫发展,可以用做杀虫剂。现在,rna生产的成本是每克5000美元。greenlight公司认为,扩大生产过程,成本能够降低50-100美元。


  无论无细胞生物科技,能否通过制造化学物质的基因修正技术,来取代发酵技术,这还有待时间检验。自从12000年前啤酒杯发明以来,发酵就成为一种经过人类考验值得信任的技术。


  然而,剥离生物分子,直至剩下最后裸露的本质,同时也是最具效率的部分,至少对于一些应用而言,生物细胞的功效能够被充分发挥。

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