synthetic合成生物學(xué)極佳自制課件

1、起源起源定義定義組成組成本質(zhì)本質(zhì)前景前景process 36億年前，一個微小的生命細(xì)胞在地球的荒野中誕生，它自我復(fù)制，它的后代們繼續(xù)復(fù)制自我，就這樣，隨著遺傳基因一代代變異，延續(xù)數(shù)十億代。今天，每個生物體每個人、植物、動物和微生物都能從第一個細(xì)胞找到自己的起源。迄今為止，地球的生物大家族是我們在宇宙發(fā)現(xiàn)的唯一存在的一種生命。 不過現(xiàn)在，將會有一些新成員加入到這個生物大家族。在過去這些年里，科學(xué)家一直在嘗試從零開始制造全新的生命形式用化學(xué)物質(zhì)造出合成，由合成基因，再由基因形成基因組，最終在實(shí)驗(yàn)室造出全新生物體的分子系統(tǒng)，而這種生物體在自然界從未出現(xiàn)過。 這些向“造物主”的壟斷地位發(fā)起挑戰(zhàn)的人包括

2、工程師、計算機(jī)學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家。他們以有別于傳統(tǒng)生物學(xué)家的視角看待生命2003年開創(chuàng)了一個全新的研究領(lǐng)域合成生物學(xué) 加州大學(xué)伯克利分校( UCB) 的化學(xué)工程教授Keasling 說: 合成生物學(xué)正在用“生物學(xué)”進(jìn)行工程化, 就像用“物理學(xué)”進(jìn)行“電子工程”, 用“化學(xué)”進(jìn)行“化學(xué)工程”一樣。哥倫比亞癌癥研究中心、測序及基因組科學(xué)中心主任Holt 說, 合成生物學(xué)與傳統(tǒng)的重組DNA 技術(shù)之間的界限仍然是模糊的。從根本上說, 合成生物學(xué)正在利用獲得的“元件”進(jìn)行下一層次的工作對細(xì)胞進(jìn)行實(shí)際的工程化。l生物積塊（BioBrick）：包括各種生物分子的合成與模塊化、亞細(xì)胞模塊、生物合成的基因網(wǎng)

3、絡(luò)、代謝途徑和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制等。l積塊接口：如調(diào)整和修改輸入-輸出過程、調(diào)整不同亞細(xì)胞組件間的層次化相互作用等使模塊具有可拆裝性。l開放平臺：優(yōu)化生物或非生物載體，達(dá)到提高工程系統(tǒng)效率、降低其維護(hù)成本和要求、提供某種特殊的“敏感性”及對環(huán)境的兼容性等目的。l調(diào)控和通訊系統(tǒng)：包括生物部件的反饋、前饋機(jī)制以及行為和通訊方式的模塊化。l數(shù)學(xué)模擬：各種功能模塊的邏輯結(jié)構(gòu)與仿真、預(yù)測算法和相應(yīng)軟件等。l有效結(jié)合有效結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和和算法開發(fā)算法開發(fā)，利用實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型和優(yōu)化驗(yàn)證模型和優(yōu)化模型模型，通過模型來指導(dǎo)合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是行之有效的方法，通過模型來指導(dǎo)合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是行之有效的

4、方法之一。之一。l合成生物學(xué)強(qiáng)調(diào)合成生物學(xué)強(qiáng)調(diào)“設(shè)計設(shè)計”和和“重設(shè)計重設(shè)計”。大量借助計算機(jī)。大量借助計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和物理學(xué)原理，利用已有的生物學(xué)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和物理學(xué)原理，利用已有的生物學(xué)知識，建立數(shù)學(xué)模型，對合成生物系統(tǒng)進(jìn)行模擬和性能分知識，建立數(shù)學(xué)模型，對合成生物系統(tǒng)進(jìn)行模擬和性能分析，指導(dǎo)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計，是合成生物學(xué)的重要手段。析，指導(dǎo)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計，是合成生物學(xué)的重要手段。為了克服常規(guī)基因操作中繁瑣的切、連、轉(zhuǎn)、篩等，更加為了克服常規(guī)基因操作中繁瑣的切、連、轉(zhuǎn)、篩等，更加靈活地使用靈活地使用DNA元件，合成生物學(xué)家創(chuàng)造性地提出了標(biāo)準(zhǔn)元件，合成生物學(xué)家創(chuàng)造性地提出了

5、標(biāo)準(zhǔn)化生物模塊化生物模塊生物積塊（生物積塊（BioBrick）的概念，并構(gòu)建了）的概念，并構(gòu)建了相應(yīng)的相應(yīng)的DNA元件文庫元件文庫iGEM Registry。 除了用標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊作為承載功能的硬件外，還除了用標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊作為承載功能的硬件外，還需要標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)量化平臺和抽象的概念信號作為承載功需要標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)量化平臺和抽象的概念信號作為承載功能的軟件。為此，能的軟件。為此，iGEM Registry提供了衡量和代表輸入輸提供了衡量和代表輸入輸出信號的標(biāo)準(zhǔn)出信號的標(biāo)準(zhǔn)PoPS（RNA polymerase per second）和）和RIPS（ribosomal initiations

6、per second）。）。 “工程化”是合成生物學(xué)的一個顯著特點(diǎn)，也是合成生物學(xué)區(qū)別現(xiàn)有生物學(xué)其它學(xué)科的主要特征之一。合成生物學(xué)家力圖通過工程化方法，將復(fù)雜生物系統(tǒng)簡化以探索自然生物現(xiàn)象及其應(yīng)用，并利用基因等元素設(shè)計和構(gòu)建具有嶄新功能的合成生物系統(tǒng)。 如果說1953年雙螺旋分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)讓分子生物學(xué)家意識到，基因與細(xì)胞的關(guān)系就像計算機(jī)的軟件和硬件，那么合成生物學(xué)正在做的就是設(shè)計新“軟件”、開發(fā)新“硬件”。 l自上至下（逆向工程）和自下至上（前自上至下（逆向工程）和自下至上（前/ /正向工程）是正向工程）是合成生物學(xué)的過程化研究主要有兩種策略。合成生物學(xué)的過程化研究主要有兩種策略。l自上至下策

7、略主要用于分析階段，試圖利用抽提和解自上至下策略主要用于分析階段，試圖利用抽提和解耦方法降低自然生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，將其層層凝練成工耦方法降低自然生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，將其層層凝練成工程化的標(biāo)準(zhǔn)模塊。程化的標(biāo)準(zhǔn)模塊。l自下至上的策略通常是指通過工程化方法，利用標(biāo)準(zhǔn)自下至上的策略通常是指通過工程化方法，利用標(biāo)準(zhǔn)化模塊，由簡單到復(fù)雜構(gòu)建具有期望功能的生物系統(tǒng)的化模塊，由簡單到復(fù)雜構(gòu)建具有期望功能的生物系統(tǒng)的方法。方法。研究策略研究策略 具有一定功能的具有一定功能的DNA序列組成最簡單的生物積塊，稱為序列組成最簡單的生物積塊，稱為生生物部件（物部件（Part）；不同功能的生物部件按照一定的邏輯和物理；不同

8、功能的生物部件按照一定的邏輯和物理連接組成復(fù)雜的連接組成復(fù)雜的生物裝置（生物裝置（Device）；不同功能的生物裝置協(xié)；不同功能的生物裝置協(xié)同運(yùn)作組成更加復(fù)雜的同運(yùn)作組成更加復(fù)雜的生物系統(tǒng)（生物系統(tǒng)（System）；含有多種不同共；含有多種不同共能的生物系統(tǒng)彼此通訊互相協(xié)調(diào)組成再復(fù)雜些的能的生物系統(tǒng)彼此通訊互相協(xié)調(diào)組成再復(fù)雜些的多細(xì)胞或細(xì)胞多細(xì)胞或細(xì)胞群體生物系統(tǒng)群體生物系統(tǒng)。在合成生物系統(tǒng)中，這些模塊主要利用邏輯拓。在合成生物系統(tǒng)中，這些模塊主要利用邏輯拓樸結(jié)構(gòu)中的串聯(lián)、前饋和反饋等合理組合連接成具有一定功能樸結(jié)構(gòu)中的串聯(lián)、前饋和反饋等合理組合連接成具有一定功能的遺傳線路；同樣，遺傳線路又可

9、連接成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)或生物系統(tǒng)。的遺傳線路；同樣，遺傳線路又可連接成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)或生物系統(tǒng)。理念：為細(xì)胞編寫“基因軟件” 自然演化的有機(jī)體（即生物學(xué)家所謂的“生命10版本”）的基因組圖譜正在以前所未有的速度被繪制完成，而其中的遺傳密碼也將被逐漸解開。合成生物學(xué)家認(rèn)為，他們可以利用 這 些 已 知 信 息 來 設(shè) 計 、 打 造 新 生 命 形 式 。 合成生物學(xué)所要打造的生命種類是全新的它不是任何一個原始母細(xì)胞的后裔，也沒有哪個物種是它的祖先。其實(shí)在本質(zhì)上，這是一個逆自然的過程。 Commercial DNA Synthesis CompaniesData Source: Rob Carlson, U

10、of W, SeattleBioneerSouth KoreaCinnagenTehran, IranTakara BiosciencesDalian, ChinaInqaba BiotecPretoria, South AfricaFermentasVilnius, LithuaniaBio S&T, Alpha DNA,BiocorpMontreal, CanadaGENEARTRegensberg, GermanyMWGBangalore, IndiaZelinsky InstituteMoscow, RussiaScinoPharmShan-hua, TaiwanGenosph

11、ereParis, FranceBiolegioMalden, NetherlandsAmbionAustin, TexasBiosearchNovato, CaliforniaBio-SynthesisLewisville, TexasChemgenesWilmington, Mass.BioSpringFrankfurt am Main, GermanyBiosourceCamarillo, CADharmaconLafaette, Co.CyberGene ABNovum, SwedenCortec DNAKingston, Ontario, CAEurogentecBelgium, U

12、.K.DNA TechnologyAarhus, DenmarkGenemed SynthesisS. San Francisco, CADNA 2.0Menlo Park, CAMetabionMunich, GermanyMicrosynthBalgach, SwitzerlandJapan Bio ServicesJapanBlue Heron BiotechnologyBothell, WAGeneworksAdelaide, AustraliaImperial Bio-MedicChandigarh, IndiaBioserve BiotechnologiesHyderabad, I

13、ndiaGenelinkHawthorne, NY.Keasling 實(shí)驗(yàn)室向大腸桿菌中導(dǎo)入青蒿與酵母的基因使大腸桿菌能在調(diào)節(jié)下合成青蒿素，從而顯示了有效而價廉的治療瘧疾的前景合成生物學(xué)今后將能生成自然界不存在的新的微生物合成模仿生命物質(zhì)特點(diǎn)的人工化學(xué)系統(tǒng)and 重新設(shè)計微生物合成人工化學(xué)系統(tǒng)Brenner 提出向細(xì)胞DNA中摻入天然不存在的堿基來發(fā)展人工遺傳系統(tǒng), 支持人工生命形式。合成生物學(xué)也將對生命起源，其他生命形式的研究作出貢獻(xiàn)。目前，研究人員正在試圖控制細(xì)胞的行為，研制不同的基因線路即特別設(shè)計的、相互影響的基因。加州大學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路： 當(dāng)某種特殊蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化時，細(xì)胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到有機(jī)振蕩器的作用，打開了利用生物分子進(jìn)行計算的大門。維斯和加州理工學(xué)院化學(xué)工程師阿諾爾一起，采用“定向進(jìn)化”的方法，精細(xì)調(diào)整研制線路，將基因網(wǎng)絡(luò)插入細(xì)胞內(nèi)，有選擇性地促進(jìn)細(xì)胞生長。維斯另一項大膽的計劃是為成年干細(xì)胞編程 促進(jìn)某些干細(xì)