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文檔簡介
1、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)課題任務(wù)書項(xiàng)目名稱:用合成生物學(xué)方法構(gòu)建生物基材料的合成新途徑課題編號(hào):2012CB725203課題名稱:基于網(wǎng)絡(luò)分析的DNA模塊設(shè)計(jì)與組裝中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部制二一一年十二月一、研究內(nèi)容本課題旨在建立細(xì)胞整體代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,通過理性設(shè)計(jì)與組合設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法,對(duì)PHA以及其單體羥基脂肪酸等生物基材料重要前體生物合成路徑中功能基因與調(diào)控元件的序列和組合方式進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助的模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì),以獲得能在合成細(xì)胞(比如大腸桿菌和惡臭假單胞菌的合成體系E+P)中協(xié)調(diào)表達(dá)的功能模塊。通過高效與高保真的DNA片段組裝技術(shù)將優(yōu)化設(shè)計(jì)的各基因元件組裝為功能模
2、塊,最后將組裝得到的功能模塊導(dǎo)入底盤細(xì)胞進(jìn)行性能檢驗(yàn),通過循環(huán)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和驗(yàn)證來構(gòu)建PHA及其單體羥基脂肪酸等的優(yōu)良細(xì)胞工廠。主要研究內(nèi)容:(1)根據(jù)基因組測(cè)序的結(jié)果建立復(fù)合微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)(其中會(huì)包括原微生物中不具有的結(jié)合了兩種不同生物中的酶的代謝途徑)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(可能是染色體A編碼的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控染色體B中的一個(gè)或多個(gè)基因)。特別的要研究與PHA及其單體羥基脂肪酸等產(chǎn)品合成途經(jīng)密切相關(guān)的代謝途徑及各層次調(diào)控機(jī)制。通過基因組規(guī)模的代謝網(wǎng)絡(luò)分析如通量平衡分析等確定使PHA生產(chǎn)最大化的代謝通量分布,從而通過刪除不相關(guān)的基因減少通往其它代謝途徑的流量,最大化產(chǎn)物生成。另外要結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立相關(guān)調(diào)
3、控網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)模型,通過模型分析結(jié)果指導(dǎo)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重新設(shè)計(jì)與改造,實(shí)現(xiàn)功能模塊在細(xì)胞中的協(xié)調(diào)和可控表達(dá),將代謝流最大程度的轉(zhuǎn)向目的產(chǎn)物。(2)根據(jù)代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,對(duì)復(fù)合生物細(xì)胞進(jìn)行改造。以生物學(xué)信息為基礎(chǔ),重新選擇和優(yōu)化PHA及其單體羥基脂肪酸產(chǎn)品生物合成路徑中的基因元件和調(diào)控元件。如通過改變酶基因的相關(guān)序列改變其活性或調(diào)控特性,也可以通過在相應(yīng)基因前引入轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)使其在不同條件下表達(dá)或改變啟動(dòng)子序列以提高其轉(zhuǎn)錄速率。這里需要通過生物信息學(xué)的方法與調(diào)控回路動(dòng)力學(xué)模型模擬相結(jié)合來確定不同功能元件的最優(yōu)組合方案。(3)研究適用于大腸桿菌和惡臭假單胞菌的高效與高保真的DNA
4、片段體外或體內(nèi)無痕組裝技術(shù)。按照各基因元件的最優(yōu)組合方案,將合成PHA及其單體羥基脂肪酸產(chǎn)品的各基因元件組裝成功能模塊。對(duì)功能模塊在宿主細(xì)胞中的表達(dá)和功能進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正完善,并根據(jù)模擬結(jié)果確定進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。經(jīng)過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、模型修正的反復(fù)過程構(gòu)建出生產(chǎn)PHA及其單體羥基脂肪酸產(chǎn)品的優(yōu)良細(xì)胞工廠。二、預(yù)期目標(biāo)通過對(duì)復(fù)合生物代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分析找出各種可能的反饋回路,按照總體調(diào)控回路進(jìn)行改造,以解除代謝網(wǎng)絡(luò)中各種代謝物對(duì)目的產(chǎn)物的反饋遏制提供人工設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則。 解決復(fù)雜代謝物的微生物合成路徑的基因元件的設(shè)計(jì)和組裝問題,最終通過合成生物學(xué)方法構(gòu)建高效合成
5、生物材料的復(fù)合微生物細(xì)胞。(1) 構(gòu)建出大腸桿菌、惡臭假單胞菌以及它們的合成菌E+P的代謝網(wǎng)絡(luò),調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和集成網(wǎng)絡(luò)。(2)通過多種方法(網(wǎng)絡(luò)分析,動(dòng)力學(xué)分析,生物信息學(xué)分析等)找出對(duì)羥基脂肪酸產(chǎn)品合成相關(guān)代謝途徑及調(diào)控回路進(jìn)行漸進(jìn)改進(jìn)的最佳策略;(3)獲得功能基因和調(diào)控元件的設(shè)計(jì)原理與原則,開發(fā)1-2種能適用于大腸桿菌或惡臭假單胞菌的高效率與高保真的大DNA片段體內(nèi)組裝與染色體定位整合技術(shù);(4) 擬發(fā)表 SCI 收錄論文 30篇左右,申請(qǐng)得 3-5項(xiàng)發(fā)明專利;國內(nèi)、國際會(huì)議10次;(5) 培養(yǎng)博士后 4-5名,博士生10-12 名,碩士生15-20 名。三、研究方案及技術(shù)路線1、研究方案(1
6、)新生命體代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要結(jié)合基因組測(cè)序的結(jié)果與源微生物的相關(guān)知識(shí)。大腸桿菌作為一模式生物已有很深入的研究,可以基于RegulonDB,EcoCyc,KEGG等數(shù)據(jù)庫構(gòu)建其代謝網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。惡臭假單胞菌雖然早在2003年就已完成基因組測(cè)序,但在系統(tǒng)水平上的研究分析工作還不是很多?;诨蚪M構(gòu)建新生命的代謝網(wǎng)絡(luò)困難不是很大,但大規(guī)模調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要大量工作,主要通過源微生物的已知調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。首先我們將由數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)檢索搜集相關(guān)調(diào)控關(guān)系數(shù)據(jù),另外還要通過基于生物芯片的反向工程技術(shù)(如貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型)及轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)序列分析等生物信息學(xué)手段來確定新的調(diào)控關(guān)系以使得到的網(wǎng)絡(luò)更為
7、完整。新的復(fù)合生物的網(wǎng)絡(luò)是兩個(gè)源微生物網(wǎng)絡(luò)的合集。復(fù)合生物代謝網(wǎng)絡(luò)可以通過將兩個(gè)源微生物中的代謝反應(yīng)合并得到,而調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建則要考慮到兩種生物間的交叉調(diào)控關(guān)系,例如大腸桿菌中的某一轉(zhuǎn)錄因子可能調(diào)控惡臭假單胞菌染色體中的某一基因。這種交叉調(diào)控關(guān)系的獲得主要通過生物信息學(xué)方法對(duì)結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行序列分析得到。對(duì)于精簡后的復(fù)合生物可以根據(jù)基因組測(cè)序的結(jié)果從網(wǎng)絡(luò)中去除該基因組中不包括的基因。代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是密切相關(guān)的,一方面大部分的代謝酶都受到轉(zhuǎn)錄調(diào)控,另一方面很多代謝物可以與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合從而改變其活性,而這一調(diào)控機(jī)制往往是代謝產(chǎn)物合成反饋調(diào)控的重要組成部分。因此為了對(duì)新生命的代謝生理和調(diào)控功能有更完
8、整的理解,我們也將搜集整理代謝物-轉(zhuǎn)錄因子(或其它調(diào)控蛋白)相互作用的信息,從而將代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起構(gòu)建一集成網(wǎng)絡(luò)。(2)通過對(duì)篩選得到的精簡復(fù)合生物的網(wǎng)絡(luò)與源微生物網(wǎng)絡(luò)的比較分析來找出它們之間的主要差異,并通過通量平衡分析分析,調(diào)控結(jié)構(gòu)分析等方法對(duì)復(fù)合生物的優(yōu)化代謝能力做出合理解釋。這一步需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與模塊分析等建立主要子網(wǎng)絡(luò)尤其是與PHA合成密切相關(guān)的子網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)模型,通過對(duì)動(dòng)力學(xué)模型模擬和控制分析等確定與PHA生物材料合成的的關(guān)鍵調(diào)控回路和關(guān)鍵酶,制定對(duì)這一包括代謝反應(yīng)和調(diào)控回路的集成模塊進(jìn)行改造的初步策略。由于調(diào)控相關(guān)過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)非常缺乏,這一模型建立
9、過程將是一個(gè)包括初步模型建立,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正模型等過程的反復(fù)迭代過程。(3)根據(jù)代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分析結(jié)果,改造底盤細(xì)胞的代謝途徑調(diào)控線路。其中,基因的敲除工作采用基于sacB為反向篩選標(biāo)記的無痕敲除技術(shù)及基于Red的無標(biāo)記敲除技術(shù),基因的表達(dá)采用pTrc99A以及pET表達(dá)系統(tǒng)。通過代謝途徑和調(diào)控線路的優(yōu)化,得到使代謝通量最大限度的轉(zhuǎn)向目標(biāo)產(chǎn)品的底盤細(xì)胞環(huán)境。(4)基于底盤細(xì)胞的密碼子偏愛性,以及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析得到的調(diào)控控制系數(shù)等動(dòng)力學(xué)參數(shù),在天然或合成的元件庫中選擇和優(yōu)化PHA及其單體羥基脂肪酸產(chǎn)品生物反應(yīng)路徑中的基因元件和調(diào)控元件(啟動(dòng)子、RBS序列等),對(duì)選擇的外源基因進(jìn)行密
10、碼子優(yōu)化后通過DNA合成得到所需的基因元件,通過設(shè)計(jì)合成新的酶基因序列或點(diǎn)突變解除或弱化代謝物對(duì)關(guān)鍵酶的反饋抑制作用。通過TinkerCell、Athena等模塊模擬優(yōu)化軟件對(duì)備選基因元件的組合方式進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),得到由各元件裝配為合成上述產(chǎn)品的功能模塊的最優(yōu)組合方案。同時(shí)針對(duì)已有軟件存在的不足,我們也會(huì)開發(fā)新的方法和軟件應(yīng)用于基因元件組合優(yōu)化的設(shè)計(jì)中。(5)采用SLIC(sequence and ligation independent cloning)技術(shù)對(duì)多個(gè)DNA片段或元件進(jìn)行高效的體外一步組裝。基于反向篩選技術(shù)、Red重組技術(shù)、位點(diǎn)特異性重組的組合方法,開發(fā)適用于大腸桿菌和惡臭假
11、單胞菌的高效與高保真的DNA片段體內(nèi)無痕組裝技術(shù)。該組裝過程直接在宿主染色體上進(jìn)行,按照基因元件的最優(yōu)組合方案,在復(fù)合生物細(xì)胞的染色體上對(duì)合成PHA及其單體羥基脂肪酸產(chǎn)品的各基因元件進(jìn)行定點(diǎn)整合與組裝。檢測(cè)各基因元件在宿主中的表達(dá)或功能執(zhí)行情況、測(cè)定合成途經(jīng)中中間代謝物濃度變化和基因表達(dá)水平,根據(jù)測(cè)定結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正,逐步實(shí)現(xiàn)各基因元件在底盤細(xì)胞中的協(xié)調(diào)表達(dá),構(gòu)建生產(chǎn)PHA及其單體羥基脂肪酸生物基材料的優(yōu)良細(xì)胞工廠。圖1 課題3主要技術(shù)路線圖四、年度計(jì)劃年度研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年在已有的代謝網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善大腸桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)KEGG、RegulonD
12、B和EcoCyc等反應(yīng)數(shù)據(jù)庫和調(diào)控關(guān)系數(shù)據(jù)庫初步建立惡臭假單胞菌代謝網(wǎng)絡(luò)模型和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型。研究與PHA及其單體羥基脂肪酸等產(chǎn)品合成途經(jīng)密切相關(guān)的代謝途徑及各層次調(diào)控機(jī)制。收集各種和PHA合成有關(guān)的基因元件,研究重要調(diào)控元件的動(dòng)力學(xué)特性,為功能基因模塊的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及人工合成提供必需的數(shù)據(jù)。完善大腸桿菌的網(wǎng)絡(luò)模型,初步建立惡臭假單胞菌網(wǎng)絡(luò)模型。確定與PHA及其前體代謝物有關(guān)的主要調(diào)控機(jī)制。確定與PHA合成相關(guān)的重要DNA元件的動(dòng)力學(xué)參數(shù),初步建成DNA元件數(shù)據(jù)庫。預(yù)計(jì)發(fā)表SCI論文4-5篇。第二年根據(jù)課題2篩選的復(fù)合微生物的基因組序列以及前面構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ),初步建立包括代謝網(wǎng)絡(luò)與調(diào)控網(wǎng)
13、絡(luò)在內(nèi)的復(fù)合微生物集成型網(wǎng)絡(luò)模型,并研究集成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過解耦確定與PHA合成功能相關(guān)的主要子網(wǎng)絡(luò)。檢驗(yàn)初步構(gòu)建的集成網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量:模擬不同培養(yǎng)條件下復(fù)合微生物的生理表型,通過和真實(shí)濕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較修正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù),提高其模擬準(zhǔn)確率。研究與PHA合成密切相關(guān)的子網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)行為,通過對(duì)動(dòng)力學(xué)模型模擬和控制分析等確定與PHA生物材料合成的的關(guān)鍵調(diào)控回路和關(guān)鍵酶,制定對(duì)這一包括代謝反應(yīng)和調(diào)控回路的集成模塊進(jìn)行改造的初步策略。研究適用于復(fù)合微生物的DNA元件組裝技術(shù)建立復(fù)合微生物的集成網(wǎng)絡(luò)模型,通過“模擬生理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較修正”的循環(huán)步驟提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。確定集成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主要子網(wǎng)絡(luò)及PHA合成子
14、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)模型。實(shí)現(xiàn)代謝網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的集成;對(duì)備選基因元件的組合方式進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),得到由各元件裝配為合成上述產(chǎn)品的功能模塊的優(yōu)化組合方案。建立1-2種DNA元件體外或體內(nèi)組裝技術(shù)。發(fā)表SCI論文6-8篇,申請(qǐng)專利1-2項(xiàng)。第三年測(cè)定復(fù)合微生物轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步修正以提高集成網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。利用FBA、MOMA等算法進(jìn)行途徑分析,模擬預(yù)測(cè)宿主細(xì)胞中PHA合成的最優(yōu)途經(jīng),確定PHA等產(chǎn)品合成的最佳通量分布。并根據(jù)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的全局分析確定與PHA合成途徑相關(guān)的細(xì)胞調(diào)控線路的改進(jìn)方案。開發(fā)1-2種使用于復(fù)合微生物的無痕基因操作技術(shù)。根據(jù)集成網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行宿主細(xì)胞的
15、初步改造,包括基因敲除和基因擴(kuò)增實(shí)驗(yàn),并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。完成不同實(shí)驗(yàn)條件下復(fù)合微生物的組學(xué)實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善集成網(wǎng)絡(luò)模型,使其具備模擬這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。完成PHA合成的途經(jīng)分析,確定對(duì)宿主菌改造的方案,實(shí)現(xiàn)宿主細(xì)胞的代謝途經(jīng)優(yōu)化和調(diào)控線路優(yōu)化。建立適用于宿主菌的無痕基因操作技術(shù),利用該技術(shù)和預(yù)測(cè)的方案對(duì)宿主菌進(jìn)行初步的底盤改造。發(fā)表SCI論文6-8篇,申請(qǐng)專利1-2項(xiàng)。第四年通過模型中的基因敲除模擬預(yù)測(cè)復(fù)合微生物的必需基因,進(jìn)而預(yù)測(cè)最小基因組,為課題2的基因組簡化研究提供依據(jù)。繼續(xù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果進(jìn)行宿主細(xì)胞的改造,通過模擬實(shí)驗(yàn)修正的循環(huán)操作得到適合于PHA合成的底
16、盤細(xì)胞。根據(jù)功能模塊動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果選擇DNA元件進(jìn)行組裝,對(duì)來自異源生物的DNA元件進(jìn)行密碼子優(yōu)化和重新合成。通過必需基因預(yù)測(cè)復(fù)合微生物的最小基因組。完成對(duì)生產(chǎn)PHA宿主細(xì)胞的改造。初步完成用于組裝功能模塊的各基因元件的優(yōu)化。發(fā)表SCI論文6-8篇,申請(qǐng)專利1-2項(xiàng)。第五年將人工設(shè)計(jì)合成的功能模塊整合入宿主細(xì)胞進(jìn)行表達(dá),進(jìn)行功能和動(dòng)力學(xué)測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)元件進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計(jì)微調(diào),進(jìn)一步協(xié)調(diào)模塊中各元件的表達(dá)和功能。考察功能模塊(生長相關(guān)模塊與非生長相關(guān)模塊)對(duì)宿主細(xì)胞的代謝負(fù)擔(dān)與擾動(dòng),優(yōu)化各功能模塊之間的相對(duì)表達(dá)水平及其宿主細(xì)胞中的表達(dá)水平,進(jìn)一步對(duì)整合功能模塊后菌株生產(chǎn)PHA及其單體羥基脂肪酸
17、生物基材料的能力進(jìn)行優(yōu)化研究。完成PHA合成等功能模塊的組裝,實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部基因元件的協(xié)調(diào)表達(dá)。實(shí)現(xiàn)人工組裝的DNA功能模塊在底盤細(xì)胞中的協(xié)調(diào)表達(dá),最終構(gòu)建生產(chǎn)PHA及其單體羥基脂肪酸生物基材料的優(yōu)良菌株。掌握將基因元件設(shè)計(jì)組裝功能模塊的基本方法與原理,為后續(xù)項(xiàng)目提供指導(dǎo)。發(fā)表SCI論文5-6篇,申請(qǐng)專利1-2項(xiàng)。五、科學(xué)數(shù)據(jù)匯交計(jì)劃新基因序列數(shù)據(jù)將隨時(shí)向GenBank提交,蛋白質(zhì)序列、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)隨時(shí)向Swiss-Prot或PDB數(shù)據(jù)庫提交,項(xiàng)目按年度對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合。此外,各課題相互之間的關(guān)系及課題與所需解決科學(xué)問題之間的關(guān)系如下:課題1和2 分別研究新型微生物體系的合成(多染色體的穩(wěn)定共存)
18、以及冗余基因的刪除,也就是優(yōu)勢(shì)小基因組細(xì)胞的獲得,以及合成的新生命是否有新功能等。課題3研究在上述小基因組測(cè)序的基礎(chǔ)上,進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的分析和有關(guān)PHA或單體的新代謝路徑的構(gòu)建和在染色體上的整合,使宿主獲得各個(gè)代謝路徑上基因所編碼的功能。這三個(gè)課題相結(jié)合,為課題4提供技術(shù)平臺(tái),在此基礎(chǔ)上開展應(yīng)用研究,滿足國家對(duì)生物基(產(chǎn)品)材料的重大需求。對(duì)篩選得到的功能結(jié)合的重組菌,進(jìn)行基因組測(cè)序,并進(jìn)行基因組學(xué)網(wǎng)絡(luò)分析。進(jìn)一步借助于2D電泳對(duì)重組菌株的蛋白組學(xué)進(jìn)行研究,確認(rèn)關(guān)鍵酶蛋白質(zhì)的基因表達(dá)。為證明跨種屬染色體在一個(gè)細(xì)胞共存,并獲得多個(gè)染色體在一個(gè)細(xì)胞中共存的機(jī)制提供依據(jù)。六、課題承擔(dān)人員負(fù)責(zé)人姓名性別身份證號(hào)碼專業(yè)技術(shù)職務(wù)單 位每年工作時(shí)間(月)簽字馬紅武男研究員天津大學(xué)8參
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