1、合 成 生 物 学 简 介,内 容,1. 合成生物学的概念,2. 研究方式和工具,3. 合成生物学的研究方向,合成生物学(synthetic biology)基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究，从基因片段、DNA分子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域，合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。,目的在于设计和创造新的生物组件和体系，对现有的生物体系进行重新设计。从基本的生物组件构建复杂的人工生命体系，对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。 合成生物学包
2、含工程学的理念，任何一个生命体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。,标准化 抽象化 复杂系统去偶合,Drew Endy (MIT),合成生物学工程化三原则：,2. 研究方式和工具,标准化,从可更换的部件库，快速构建多组分体系，包括建立生物学功能、试验的检测条件及系统做出等通用、便捷的标准。不同部件间要进行标准化来实现“即插即用”的性能。,2003 MIT成立了标准生物部件登记处，数据库收集了3200个标准化生物学部件。http:/partsregistry.org,Standard Assembly,抽象化：将生物功能单元划分为不同层次。,DNA、RNA、蛋白质、代谢物,相互作用,系
3、统,将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立的简单问题。,复杂系统去偶合,标准生物部件具有特定生物学功能的基因编码元件启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序列、终止子,将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功能的生物系统。,器件 device,合成生物学的研究方向,1、创建新的基因调控模块和线路各种蛋白质、DNA、RNA的相互作用形成复杂的表达调控网络。通过构建非天然的基因调控模块设计构建细胞生命活动的分子网络。用途：调节基因表达和蛋白质功能。,1） 基因拨动开关 e.g. E. coli,报告基因,诱导物A,阻遏物A,启动子B,启动子A,阻遏物 B,诱导物B,通过加入不同的诱导物实现开关在两个
4、稳定态之间的转换。状态转换具有滞后性，具有记忆功能。,2）基因振荡器,FT1激活它本身和FT2；FT2过量，会抑制FT1,生命体代谢途径的重新构建微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用E. coli生产1000多种人类蛋白。,代谢途径改造-调节核心组件优化途径,不同的生物学途径提取出来优化整合到宿主细胞合成目标化学物质,1. 生物质能和乙醇发酵微生物,E. Coli 的乙醇代谢重组菌：具有五碳糖和六碳糖代谢酶系 混合酸发酵 乙醇耐受能力低,绿色植物和海洋藻类合成的有机物（生物质）约2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍。,可用于发酵生产乙醇的部分微生物及其主要底物,酵母的乙醇代谢工程,
5、酿酒酵母是工业上生产乙醇的优良菌株，与细菌相比具有较高的乙醇耐受力，对纤维素水解液中的抑制物有较高的抗性。缺点 酿酒酵母缺乏木糖转化为木酮糖所需的酶，因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。 对其菌种改造涉及木糖跨膜运输、吸收利用、磷酸戊糖途径、糖酵解及胞内氧化还原状态的维持等多个方面。,酵母的木糖代谢工程,大肠杆菌的乙醇代谢工程,EMP,主要优势大肠杆菌能够利用非常广泛的碳源，其中包括六碳糖(葡萄糖，果糖)和五碳糖(木糖，阿拉伯糖)以及糖酸等物质，这一特性使得大肠杆菌能利用木质纤维素降解产生的各种糖类，同时又由于大肠杆菌遗传背景清楚，因此在原核微生物乙醇代谢工程以及木质纤维素的高效利用中具有重要
6、的研究价值。,大肠杆菌的乙醇代谢工程,大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题,1. 大肠杆菌乙醇耐受能力低2. 乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中的表达研究不够充分3. 竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效的转化成乙醇,2. 青蒿酸合成线路的设计构建,中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物。,Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌中，改造获的E. coli 青蒿酸的产量300mg/L。,由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就, Keas ling 被美国“发现”杂志评选为2006 年度最有影响的科学家。该项目已经获得比尔- 梅林达盖茨基金会430
7、0 万美元的资助, 进行进一步的实验室研究、中试、临床实验等后续工作。,3. 代谢途径的快速进化基因突变改造代谢途径生产目标化合物,Church对20种番茄红素合成有关的基因进行突变；将突变的90个DNA片段，转入大肠杆菌；3天内产生了150亿基因突变体；从中筛选到使番茄红素产量提高5倍的基因。,4. 利用合成生物学生产新能源Kaslling利用13个可逆的酶促反应组合起来创建一条非天然的催化路径。淀粉 + 水 H2,最小基因组与合成生物学,合成生物学最终目标：合成独立的可遗传的人工生命体,人工生命的基本要素具有膜系统能进行新陈代谢具有自己的基因,研究最简化生命的两种方法从下而上：从核苷酸合成
8、新生命体。从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。,1.人工构建合成生命体,2002年 Wimmer小组脊髓灰质炎病毒的合成Venter 合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组,三个步骤：合成、组装和移植,合成 ： 蕈状支原体的基因组是一条大片段的DNA分子，序列是A、T、G、C四种脱氧核糖核苷酸的排列组合。 通过实验确定维持其生命周期的最小基因组，并加上4个“水印基因”作为标记。 用计算机精确计算需要合成DNA分子序列，并用化学方法合成A、T、G、C碱基，并使其按所要求序列延伸。 这是它被称为“人造生命”或者“化学合成”的关键。 Venter用化学方法合成了一千多个约1kb的DNA片段，作为这次
9、组装的基本材料。,Venter的实验,组装： 因为合成生物学技术上的局限，不能直接合成上万碱基对的DNA大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒酵母和大肠杆菌的帮助，把1Kb的DNA分子有序准确的连成超过1000kb的片段。 移植：Venter等把这个合成基因组移植到不含限制性酶切系统的山羊支原体中，基因组能使用后者的酶系统进行自我复制，经过多代繁殖后，长成的菌落已经纯粹由蕈状支原体组成。,丝状支原体,用化学合成的基因组构建一个细菌细胞,2. 最小基因组的构建Blattnerj小组删除大肠杆菌基因组的15%（高达82Kb）, 细菌仍保持了良好的生存状态。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改
10、变。,最小基因组优点选择性的保留所需的代谢途径和功能；成为合成基因网络理想的容器；为插入模块提高最简单无干扰的环境。,理想的细胞底盘应具备的条件 长期培养中保持基因稳定 能够在低营养培养基中生长以降低成本 同时协调多基因的表达 能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径,15.3.4 构建多细胞体系多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。群体效应：微生物通过自身产生的一种化学信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的行为。,细菌QS系统作用 细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境中的变化。,枯草芽胞杆菌利用QS系统对细胞的发育进行调控当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展；营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。,15.4 展望2004年合成生物学被美国MIT出版的技术评论评为“将改变世界的10大新技术之一”。美国生物经济研究协会2007年发表了题为基因组合成和设计未来：对美国经济的影响的研究报告。,细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。该项研究可用来探测地雷位置：靠近地雷时细菌发绿光；远离地雷时则发红光。,麻省理工学院计算机工程师,Thank You!,
