第15章 合成生物學(xué)

1、LOGO內(nèi)內(nèi) 容容1. 合成生物學(xué)的發(fā)展歷史及概念合成生物學(xué)的發(fā)展歷史及概念2. 研究方式和工具研究方式和工具3. 4. 展展 望望 美國(guó)基因組學(xué)先驅(qū)克萊格美國(guó)基因組學(xué)先驅(qū)克萊格凡特，在他位于馬凡特，在他位于馬里蘭州和加州的實(shí)驗(yàn)室，科研人員在其為期里蘭州和加州的實(shí)驗(yàn)室，科研人員在其為期15年年的研究項(xiàng)目中，已成功制造出全球首個(gè)的研究項(xiàng)目中，已成功制造出全球首個(gè)“合成細(xì)合成細(xì)胞胞”，一種稱(chēng)為絲狀支原體的細(xì)菌。，一種稱(chēng)為絲狀支原體的細(xì)菌。目的在于設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新的生物組件和體系，目的在于設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新的生物組件和體系，對(duì)現(xiàn)有的生物體系進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。對(duì)現(xiàn)有的生物體系進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。從基本的生物從基本的生物組

2、件構(gòu)建復(fù)雜的人工生命體系，對(duì)整個(gè)生命過(guò)程組件構(gòu)建復(fù)雜的人工生命體系，對(duì)整個(gè)生命過(guò)程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建。進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建。 基因合成基因合成構(gòu)建人工生命體構(gòu)建人工生命體 基于現(xiàn)有的基于現(xiàn)有的天然生物組件，天然生物組件，設(shè)計(jì)構(gòu)建有新功設(shè)計(jì)構(gòu)建有新功能的生物體系。能的生物體系。 15.2 15.2 合成生物學(xué)的研究方法和工具合成生物學(xué)的研究方法和工具（1）合成生物學(xué)的研究方法）合成生物學(xué)的研究方法 工程領(lǐng)域中所有的單元部件都具有獨(dú)立功能，工程領(lǐng)域中所有的單元部件都具有獨(dú)立功能，可以互換，容易進(jìn)行模塊化得組合，即從零件到可以互換，容易進(jìn)行模塊化得組合，即從零件到器件再到系統(tǒng)。器件再到系統(tǒng)

3、。 合成生物學(xué)包含工程學(xué)的理念，任何一個(gè)生合成生物學(xué)包含工程學(xué)的理念，任何一個(gè)生命體系可以看作是具有不同功能的生物零件的有命體系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序組合。序組合。 v標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化v抽象化抽象化v復(fù)雜系統(tǒng)去偶合復(fù)雜系統(tǒng)去偶合Drew Endy (MIT) Endy created the comic book Adventures in Synthetic Biology to help explain his work to students and other scientists. 標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化 從可更的換部件庫(kù)，快速構(gòu)建多組分體系，從可更的換部件庫(kù)，快速構(gòu)建多組分體系，

4、包括建立生物學(xué)功能、試驗(yàn)的檢測(cè)條件及系統(tǒng)做包括建立生物學(xué)功能、試驗(yàn)的檢測(cè)條件及系統(tǒng)做出等通用、便捷的標(biāo)準(zhǔn)。出等通用、便捷的標(biāo)準(zhǔn)。 不同部件間要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)不同部件間要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)“即插即用即插即用”的性能。的性能。 2003 MIT成立了標(biāo)準(zhǔn)生物部件登記處，數(shù)據(jù)成立了標(biāo)準(zhǔn)生物部件登記處，數(shù)據(jù)庫(kù)收集了庫(kù)收集了3200個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化生物學(xué)部件。個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化生物學(xué)部件。 將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解成若干可操作的獨(dú)立將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解成若干可操作的獨(dú)立的簡(jiǎn)單問(wèn)題。的簡(jiǎn)單問(wèn)題。 復(fù)雜系統(tǒng)去偶合復(fù)雜系統(tǒng)去偶合 抽象化：將生物功能單元?jiǎng)澐譃椴煌瑢哟?。抽象化：將生物?/p>

5、能單元?jiǎng)澐譃椴煌瑢哟?。DNA、RNA、蛋白質(zhì)、代謝物、蛋白質(zhì)、代謝物相互作用相互作用系統(tǒng)系統(tǒng)（2）合成生物學(xué)的組成工具）合成生物學(xué)的組成工具 將這些器件逐級(jí)設(shè)計(jì)構(gòu)建組合成具有特定功將這些器件逐級(jí)設(shè)計(jì)構(gòu)建組合成具有特定功能的生物系統(tǒng)。能的生物系統(tǒng)。生物部件生物部件part器件器件device系統(tǒng)系統(tǒng)system模塊模塊module 標(biāo)準(zhǔn)生物部件標(biāo)準(zhǔn)生物部件 具有特定生物學(xué)功能的基因編碼元件具有特定生物學(xué)功能的基因編碼元件 啟動(dòng)子、調(diào)控因子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)、編碼啟動(dòng)子、調(diào)控因子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)、編碼序列、終止子序列、終止子15.3 合成生物學(xué)的研究方向合成生物學(xué)的研究方向15.3.1 創(chuàng)建新的基因

6、調(diào)控模塊和線(xiàn)路創(chuàng)建新的基因調(diào)控模塊和線(xiàn)路 各種蛋白質(zhì)、各種蛋白質(zhì)、DNADNA、RNARNA的相互作用形成復(fù)雜的相互作用形成復(fù)雜的表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)構(gòu)建非天然的基因調(diào)控模的表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)構(gòu)建非天然的基因調(diào)控模塊設(shè)計(jì)構(gòu)建細(xì)胞生命活動(dòng)的分子網(wǎng)絡(luò)。塊設(shè)計(jì)構(gòu)建細(xì)胞生命活動(dòng)的分子網(wǎng)絡(luò)。 用途：調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)功能。用途：調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)功能。1） 基因撥動(dòng)開(kāi)關(guān)基因撥動(dòng)開(kāi)關(guān) e.g. E. coliv 通過(guò)加入不同的誘導(dǎo)物實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)在兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之通過(guò)加入不同的誘導(dǎo)物實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)在兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之 間的轉(zhuǎn)換。間的轉(zhuǎn)換。v狀態(tài)轉(zhuǎn)換具有滯后性，具有記憶功能。狀態(tài)轉(zhuǎn)換具有滯后性，具有記憶功能。 FT1激活它本身

7、和激活它本身和FT2； FT2過(guò)量，會(huì)抑制過(guò)量，會(huì)抑制FT1 將藻膽青素合成基因?qū)⒃迥懬嗨睾铣苫? (ho1和和pcyA) )轉(zhuǎn)入大腸桿轉(zhuǎn)入大腸桿菌，使之能將血紅素轉(zhuǎn)化為光敏感的藻膽青素菌，使之能將血紅素轉(zhuǎn)化為光敏感的藻膽青素PCB。lac ZompC promoter PCBBlackPCBPCB15.3.2 生命體代謝途徑的重新構(gòu)建生命體代謝途徑的重新構(gòu)建 微生物載體生產(chǎn)外源蛋白，目前人類(lèi)利用微生物載體生產(chǎn)外源蛋白，目前人類(lèi)利用E. coli生產(chǎn)生產(chǎn)1000多種多種人類(lèi)人類(lèi)蛋白。蛋白。代謝途徑改造代謝途徑改造-調(diào)節(jié)核心組件優(yōu)化途徑調(diào)節(jié)核心組件優(yōu)化途徑 不同的生物學(xué)途徑提取出來(lái)不同的生物學(xué)

8、途徑提取出來(lái) 優(yōu)化整合到宿主細(xì)胞優(yōu)化整合到宿主細(xì)胞 合成目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)合成目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)E. Coli 的乙醇代謝重組菌：的乙醇代謝重組菌：具有五碳糖和六碳糖代謝酶系具有五碳糖和六碳糖代謝酶系混合酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵乙醇耐受能力低乙醇耐受能力低 綠色植物和海洋藻類(lèi)合成的有機(jī)物（生物質(zhì)）約綠色植物和海洋藻類(lèi)合成的有機(jī)物（生物質(zhì)）約2200億噸，相當(dāng)于人類(lèi)當(dāng)前每年全部能耗的億噸，相當(dāng)于人類(lèi)當(dāng)前每年全部能耗的10倍。倍。 可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的部分微生物及其主要底物可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的部分微生物及其主要底物酵母的乙醇代謝工程酵母的乙醇代謝工程 釀酒酵母是工業(yè)上生產(chǎn)乙醇的優(yōu)良菌株，與釀酒酵母是工業(yè)上生產(chǎn)乙醇的優(yōu)

9、良菌株，與細(xì)菌相比具有較高的乙醇耐受力，對(duì)纖維素水解細(xì)菌相比具有較高的乙醇耐受力，對(duì)纖維素水解液中的抑制物有較高的抗性。液中的抑制物有較高的抗性。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 釀酒酵母缺乏木糖轉(zhuǎn)化為木酮糖所需的酶釀酒酵母缺乏木糖轉(zhuǎn)化為木酮糖所需的酶，因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。對(duì)其菌因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。對(duì)其菌種改造涉及木糖跨膜運(yùn)輸、吸收利用、磷酸戊糖種改造涉及木糖跨膜運(yùn)輸、吸收利用、磷酸戊糖途徑、糖酵解及胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的維持等多個(gè)途徑、糖酵解及胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的維持等多個(gè)方面。方面。酵母的木糖代謝工程酵母的木糖代謝工程運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的乙醇代謝工程運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的乙醇代謝工程 大腸桿菌的

10、乙醇代謝工程大腸桿菌的乙醇代謝工程EMP主要優(yōu)勢(shì)主要優(yōu)勢(shì) 大腸桿菌能夠利用非常廣泛的碳源，其中包大腸桿菌能夠利用非常廣泛的碳源，其中包括六碳糖括六碳糖(葡萄糖，果糖葡萄糖，果糖)和五碳糖和五碳糖(木糖，阿拉伯木糖，阿拉伯糖糖)以及糖酸等物質(zhì)，這一特性使得大腸桿菌能以及糖酸等物質(zhì)，這一特性使得大腸桿菌能利用木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)生的各種糖類(lèi)，同時(shí)又由利用木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)生的各種糖類(lèi)，同時(shí)又由于大腸桿菌遺傳背景清楚，因此在原核微生物乙于大腸桿菌遺傳背景清楚，因此在原核微生物乙醇代謝工程以及木質(zhì)纖維素的高效利用中具有重醇代謝工程以及木質(zhì)纖維素的高效利用中具有重要的研究?jī)r(jià)值。要的研究?jī)r(jià)值。 大腸桿菌的乙醇代

11、謝工程大腸桿菌的乙醇代謝工程大腸桿菌乙醇代謝工程中存在的問(wèn)題大腸桿菌乙醇代謝工程中存在的問(wèn)題梭菌梭菌 利用來(lái)自多種生物的基因及用來(lái)生產(chǎn)脂肪酸的利用來(lái)自多種生物的基因及用來(lái)生產(chǎn)脂肪酸的生化途徑生化途徑, 用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造出一些代謝模塊用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造出一些代謝模塊, 插入微生物后插入微生物后, 通過(guò)不同的組合通過(guò)不同的組合,這些模塊可以誘這些模塊可以誘導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品。品。 他們通過(guò)計(jì)算他們通過(guò)計(jì)算, 設(shè)計(jì)制造出微生物以所希望的設(shè)計(jì)制造出微生物以所希望的方式生產(chǎn)并分泌出長(zhǎng)度及分子結(jié)構(gòu)符合公司要求方式生產(chǎn)并分泌出長(zhǎng)度及分

12、子結(jié)構(gòu)符合公司要求的烴分子。的烴分子。 不需要能耗非常高的乙醇精餾技術(shù)不需要能耗非常高的乙醇精餾技術(shù), 從而可使能耗從而可使能耗降低降低65% ;由于采用了合成生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)創(chuàng)造微生物由于采用了合成生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)創(chuàng)造微生物這種尖端技術(shù)這種尖端技術(shù), 而且這種石油烴是可再生的、清潔而且這種石油烴是可再生的、清潔的、國(guó)內(nèi)可生產(chǎn)的、成本可競(jìng)爭(zhēng)的、與現(xiàn)有的汽的、國(guó)內(nèi)可生產(chǎn)的、成本可競(jìng)爭(zhēng)的、與現(xiàn)有的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及汽油供應(yīng)系統(tǒng)是可兼容的車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及汽油供應(yīng)系統(tǒng)是可兼容的. 29 歲的歲的Berry 獲得了獲得了MIT“技術(shù)評(píng)論技術(shù)評(píng)論”2007 年年TR35 的最高獎(jiǎng)的最高獎(jiǎng)( 2007 Innova

13、tor of the Year)。2. 瘧疾瘧疾 典型的瘧疾多呈周期性發(fā)作，表現(xiàn)為間歇性典型的瘧疾多呈周期性發(fā)作，表現(xiàn)為間歇性寒熱發(fā)作。發(fā)作時(shí)先有明顯的寒戰(zhàn)，全身發(fā)抖，寒熱發(fā)作。發(fā)作時(shí)先有明顯的寒戰(zhàn)，全身發(fā)抖，面色蒼白，接著體溫迅速上升，達(dá)面色蒼白，接著體溫迅速上升，達(dá)4040或更高，或更高，面色潮紅，全身大汗淋漓，大汗后體溫降至正常面色潮紅，全身大汗淋漓，大汗后體溫降至正?；蛘Ｒ韵??；蛘Ｒ韵?。 經(jīng)過(guò)一段間歇期后，又開(kāi)始重復(fù)上述間歇性經(jīng)過(guò)一段間歇期后，又開(kāi)始重復(fù)上述間歇性定時(shí)寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。定時(shí)寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。 每年每年5億人感染，億人感染，100萬(wàn)死亡。目前最有效的萬(wàn)死亡。目前最有效的是

14、青蒿素，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本昂貴。是青蒿素，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本昂貴。 中藥青篙中提取的有過(guò)氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯中藥青篙中提取的有過(guò)氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯藥物。藥物。 Keasling利用合成生物學(xué)，將大腸桿菌改造成利用合成生物學(xué)，將大腸桿菌改造成青蒿酸工廠。將甲羥戊酸合成途徑轉(zhuǎn)入大腸桿菌青蒿酸工廠。將甲羥戊酸合成途徑轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，改造獲的中，改造獲的E. coli 青蒿酸的產(chǎn)量青蒿酸的產(chǎn)量300mg/L。 由于在生物合成抗瘧疾藥物的突出成就由于在生物合成抗瘧疾藥物的突出成就, Keas ling 被美國(guó)被美國(guó)“發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)”雜志評(píng)選為雜志評(píng)選為2006 年度最有影年度最有影響的科學(xué)家。響的科學(xué)家。 該項(xiàng)目已

15、經(jīng)獲得比爾該項(xiàng)目已經(jīng)獲得比爾- 梅林達(dá)蓋茨基金會(huì)梅林達(dá)蓋茨基金會(huì)4300 萬(wàn)美元的資助萬(wàn)美元的資助, 進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室研究、中試、進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室研究、中試、臨床實(shí)驗(yàn)等后續(xù)工作。臨床實(shí)驗(yàn)等后續(xù)工作。Churchv 對(duì)對(duì)2020種番茄紅素合成有關(guān)的基因進(jìn)行突變；種番茄紅素合成有關(guān)的基因進(jìn)行突變；v 將突變的將突變的9090個(gè)個(gè)DNADNA片段，轉(zhuǎn)入大腸桿菌；片段，轉(zhuǎn)入大腸桿菌；v 3 3天內(nèi)產(chǎn)生了天內(nèi)產(chǎn)生了150150億基因突變體；億基因突變體；v 從中篩選到使番茄紅素產(chǎn)量提高從中篩選到使番茄紅素產(chǎn)量提高5 5倍的基因倍的基因。4. 利用合成生物學(xué)生產(chǎn)新能源利用合成生物學(xué)生產(chǎn)新能源 Kasl

16、ling利用利用13個(gè)可逆的酶促反應(yīng)組合起來(lái)創(chuàng)個(gè)可逆的酶促反應(yīng)組合起來(lái)創(chuàng)建一條非天然的催化路徑。建一條非天然的催化路徑。 淀粉淀粉 + 水水 H215.3.3 最小基因組與合成生物學(xué)最小基因組與合成生物學(xué) v 從下而上：從核苷酸合成新生命體。從下而上：從核苷酸合成新生命體。1. 從上而下：從基因組中剔除非必要基因組。從上而下：從基因組中剔除非必要基因組。v2002年年 Wimmer小組脊髓灰質(zhì)炎病毒的合成小組脊髓灰質(zhì)炎病毒的合成vVenter 合成噬菌體基因組和生殖道支原體基因組合成噬菌體基因組和生殖道支原體基因組 不同物種間基因組的移植不同物種間基因組的移植 將蕈狀支原體基因組移植到山羊支原體中。將蕈狀支原體基因組移植到山羊支原體中。 絲狀支原體絲狀支原體 Blattnerj小小 最小基因組優(yōu)點(diǎn)最小基因組優(yōu)點(diǎn)v 選擇性的保留所需的代謝途徑和功能；選擇性的保留所需的代謝途徑和功能；v 成為合成基因網(wǎng)絡(luò)理想的容器；成為合成基因網(wǎng)絡(luò)理想的容器；v 為插入模塊提高最簡(jiǎn)單無(wú)干擾的環(huán)境。為插入模塊提高最簡(jiǎn)單無(wú)干擾的環(huán)境。理想的細(xì)胞底盤(pán)應(yīng)具備的條件理想的細(xì)胞底盤(pán)應(yīng)具備的條件 15.4 展望展望v 細(xì)菌能估計(jì)刺激物的距離，并根據(jù)距離的改細(xì)菌能估計(jì)刺激物的距離，并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)。變