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张数一, PhD

张数一

博士、副教授

张数一博士2009获得清华大学学士学位,2015年获得美国宾夕法尼亚州立大学博士学位。2015年至2019年在美国麻省理工学院进行博士后研究。2019年加入清华大学药学院,担任教研系列副教授。长期致力于交叉还原论和重构论研究思路,实现对生物学的基础性理解。早期侧重于运用还原论的研究思路,聚焦探索最关键的生命过程:物质(中心代谢)和能量(光合系统)的不同存在形式,突破传统认知边界。近年来,更侧重于重构论的研究思路,交叉多学科研究方法和技术手段,从而突破还原方式的局限,聚焦研究生命系统序列-功能映射关系规律,以及可预测设计原理。


研究方向

目前课题组侧重在优良蛋白质元件的AI辅助从头理性设计(信息系统)、自动化平台赋能的高通量表征(物理系统)、连续定向进化系统辅助的快速精准优化(生物系统)等,以及将这些设计和改造后的元件有机耦合基因线路,搭建人工系统,有效地应用于疾病诊断和治疗等领域。相关研究成果发表在Science,Nature Methods,Nature Biotechnology,Nature Microbiology,Nature Communications等顶级学术期刊。通过多学科深度交叉,解构复杂生物系统,突破传统单学科研究边界,致力于建立生物系统预测性设计的理论框架与技术体系,研究功能元件和细胞的可预测设计原理,推动生物学从经验科学向理性设计转变,为应对人类面临的健康、环境等重大挑战提供创新解决方案。


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科学贡献

1、代谢通路:

研究成果解决了困扰蓝细菌科学界接近半个世纪的有关三羧酸循环的难题,彻底改变了科学界对蓝细菌中心代谢通路的认识。这个研究成果已被世界经典教科书《Brock Biology of Microorganisms》第14版第3章作为封面收录。

2、能量摄取:

与合作者共同发现了能利用远红光的光合系统,拓展了光合作用的潜能,被英国皇家科学院院士Bill Rutherford教授称为改变教科书式的新发现。

3、调控网络:

实现了复杂调控网络的自动化设计,编辑细胞进行逻辑运算,实现了细菌、酵母、植物、哺乳动物细胞调控网络的可预测设计。

4、 序列-功能空间规律:

针对蛋白质序列-功能空间的维度灾难,提出了“信息熵压缩-智能重构”理论体系,实现了信息的极致压缩。


荣誉和奖励

国家高层次人才计划青年项目

生命科学新力量年度人物

国家优秀自费留学生奖    

宾夕法尼亚州立大学优秀博士论文奖        
 

代表性论文

1. Ziyuan Ma#, Wenjie Li#, Yunhao Shen#, Yunxin Xu#, Gengjiang Liu, Jiamin Chang, Zeju Li, Hong Qin, Boxue Tian, Haipeng Gong, DR. Liu, BW. Thuronyi, CA. Voigt, and Shuyi Zhang*. (2025) EvoAI enables extreme compression and reconstruction of the protein sequence space. Nature Methods, 22,102–112, DOI: 10.1038/s41592-024-02504-2

2. Ci Kong, Yin Yang, Tiancong Qi, and Shuyi Zhang*. (2025) Predictive genetic circuit design for phenotype reprogramming in plants. Nature Communications, 16:715(2025), DOI: 10.1038/s41467-025-56042-2

3. Yichi Zhang and Shuyi Zhang*. (2024) CRISPR perfect adaptation for robust control of cellular immune and apoptotic responses. Nucleic Acids Research, 2024, 52, 10005–10016, DOI: 10.1093/nar/gkae665

4. Shuyi Zhang and Christopher A. Voigt. (2018) Engineered dCas9 with reduced toxicity in bacteria: implications for genetic circuit design. Nucleic Acids Research, gky884, DOI: 10.1093/nar/gky884

5. Shuyi Zhang and Donald A. Bryant. (2015) Biochemical validation of the the glyoxylate cycle in the cyanobacterium Chlorogloeopsis fritschii PCC 9212, Journal of Biological Chemistry 290 (22), 14019-14030, DOI: 10.1074/jbc.M115.648170

6. Fei Gan, Shuyi Zhang, Nathan C. Rockwell, Shelley S. Martin, Clark J. Lagarias and Donald A. Bryant. (2014) Extensive remodeling of a cyanobacterial photosynthetic apparatus in Far-Red light. Science, 345, 1312-1317, DOI: 10.1126/science.1256963

7. Shuyi Zhang and Donald A. Bryant. (2011). The tricarboxylic acid cycle in cyanobacteria. Science, 334, 1551-1553, DOI: 10.1126/science.1210858

- This work was featured as cover story in Chapter 3 of the classic microbiology textbook Brock Biology of Microorganisms (14th Edition)