中藥活性成分的異源生產(chǎn)

1、第四節(jié)中藥活性成分的異源生產(chǎn)內(nèi) 容1. 中藥生物合成概述2.中藥生物合成研究策略及關(guān)鍵技術(shù)3. 合成生物研究異源生產(chǎn)中藥活性成分（1） 合成生物學(xué)定義 合成生物學(xué)學(xué)是生物科學(xué)在二十一世紀(jì)剛剛出現(xiàn)的一個分支學(xué)科。 目的在于設(shè)計和創(chuàng)造新的生物組件和體系，對現(xiàn)有的生物體系進行重新設(shè)計。從基本的生物組件構(gòu)建復(fù)雜的人工生命體系，對整個生命過程進行重新設(shè)計、改造、構(gòu)建。1. 中藥生物合成概述合成生物學(xué)是一項將生命系統(tǒng)工程化的技術(shù) 合成生物包含的內(nèi)容 基因合成構(gòu)建人工生命體 基于現(xiàn)有的天然生物組件，設(shè)計構(gòu)建有新功能的生物體系。 Personalized MedicinePhysical enhancemen

2、t: 義肢的使用Enhancing Evolution: 使人聰明的藥Bionic man 生化人 Better, stronger, fasteriGEM（International Genetically Engineered Machine）競賽，在美國麻省工學(xué)院（MIT）收集每年參賽者貢獻的生物元器件，建立了標(biāo)準(zhǔn)生物元件庫（Registry of Standard Biological Parts）()。經(jīng)過10年的收集，該文庫的元器件以BBa為字頭，容量已達(dá)到約2萬個。2017年最終獲得金獎的我國本科高校隊伍1. 中藥生物合成概述（2）合成生物學(xué)的發(fā)展史1978年 Skallka在對

3、限制性內(nèi)切核酸酶的評論中第一次預(yù)言了合成生物學(xué)的誕生。1980年 Hobom引入了合成生物學(xué)的的名詞來描述基因重組技術(shù)。DNA合成測序技術(shù)的發(fā)展和工程學(xué)在生物體系的應(yīng)用，為合成生物學(xué)奠定基礎(chǔ)。20世紀(jì)提出的概念 用現(xiàn)有的有機化學(xué)和生物化學(xué)的合成能力設(shè)計非天然的分子，使這些分子在生命體系中發(fā)揮功能。通過合成的方法來理解自然的生命體系，構(gòu)建創(chuàng)造新的人工生命體。 美國基因組學(xué)先驅(qū)克萊格凡特，在他位于馬里蘭州和加州的實驗室，科研人員在其為期15年的研究項目中，已成功制造出全球首個“合成細(xì)胞”，一種稱為絲狀支原體的細(xì)菌。2.中藥生物合成研究策略及關(guān)鍵技術(shù)（1）合成生物學(xué)的研究方法 工程領(lǐng)域中所有的單元部

4、件都具有獨立功能，可以互換，容易進行模塊化得組合，即從零件到器件再到系統(tǒng)。 合成生物學(xué)包含工程學(xué)的理念，任何一個生命體系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序組合。 2004年，美國就成功在一位半身不遂的男性患者大腦中植入了一個電腦芯片，患者僅憑大腦里的意志力就可以操作電腦，能發(fā)送電子郵件。 未來在芯片的幫助下，人們可以直接用大腦控制手臂和腿的假肢?，F(xiàn)在就已經(jīng)出現(xiàn)了可以部分控制的假肢。標(biāo)準(zhǔn)化抽象化復(fù)雜系統(tǒng)去偶合Drew Endy (MIT) 合成生物學(xué)工程化三原則： Endy created the comic book Adventures in Synthetic Biology to h

5、elp explain his work to students and other scientists. 標(biāo)準(zhǔn)化 從可更的換部件庫，快速構(gòu)建多組分體系，包括建立生物學(xué)功能、試驗的檢測條件及系統(tǒng)做出等通用、便捷的標(biāo)準(zhǔn)。 不同部件間要進行標(biāo)準(zhǔn)化來實現(xiàn)“即插即用”的性能。 2003 MIT成立了標(biāo)準(zhǔn)生物部件登記處，數(shù)據(jù)庫收集了3200個標(biāo)準(zhǔn)化生物學(xué)部件。 將一個復(fù)雜的問題分解成若干可操作的獨立的簡單問題。 復(fù)雜系統(tǒng)去偶合 抽象化：將生物功能單元劃分為不同層次。DNA、RNA、蛋白質(zhì)、代謝物相互作用系統(tǒng)（2）合成生物學(xué)的組成工具 將這些器件逐級設(shè)計構(gòu)建組合成具有特定功能的生物系統(tǒng)。生物部件part

6、器件device系統(tǒng)system模塊module 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 啟動子、調(diào)控因子、核糖體結(jié)合位點、編碼序列、終止子基因（生物）元件：具有某種特定的生物學(xué)功能的DNA，是設(shè)計和合成生物的基本單位?；A(chǔ)生物元件：啟動子、終止子、轉(zhuǎn)座子、RBS.核心生物元件:功能基因（3）基因元件的克隆基因元件的圖形編碼-制圖復(fù)制子 啟動子 阻遏子 誘導(dǎo)子 終止子 RBS 功能基因 MCS 抗性 生物部件：由一個或多個基因元件組成最簡單的能行使催化功能的生物部件是完整的編碼酶基因表達(dá)盒。啟動區(qū)功能基因終止區(qū)合成生物學(xué)生物元器件生物模塊是一組細(xì)胞內(nèi)區(qū)域化的生物部件，由內(nèi)在功能聯(lián)系在一

7、起，執(zhí)行特定的復(fù)雜功能。如代謝途徑、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、調(diào)控途徑等。模塊：通過某種（邏輯/功能）關(guān)系把生物元件連接而成與電子科學(xué)中的電路類似，在合成生物學(xué)，不同功能的生物磚聯(lián)接后，能像電路一樣運行，形象地稱為基因線路（genetic circuit）。按功能分為:代謝線路,調(diào)控線路,信號線路等生物模塊與基因電路合成生物學(xué)生物元器件基因線路1） 基因撥動開關(guān) e.g. E. coli報告基因誘導(dǎo)物A阻遏物A啟動子B啟動子A阻遏物 B誘導(dǎo)物B 通過加入不同的誘導(dǎo)物實現(xiàn)開關(guān)在兩個穩(wěn)定態(tài)之 間的轉(zhuǎn)換。狀態(tài)轉(zhuǎn)換具有滯后性，具有記憶功能。2）基因振蕩器 FT1激活它本身和FT2； FT2過量，會抑制FT13）大

8、腸桿菌成像系統(tǒng) 將細(xì)菌改造成感光膠片，像素1平方米1億像素分辨率。 將藻膽青素合成基因(ho1和pcyA)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PCB。lac ZompC promoter PCBBlackPCBPCB自然細(xì)胞基因組（龐大）人工細(xì)胞細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)（松散）genegeneRNAprotein目標(biāo)產(chǎn)物細(xì)胞工廠（低效）細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)（緊湊）人工細(xì)胞工廠（高效,新功能）RNAprotein目標(biāo)產(chǎn)物genegene功能模塊合成簡化解耦A(yù)TCG合成生物學(xué)的研究思路底盤細(xì)胞能源/藥物底盤構(gòu)建重構(gòu)自然細(xì)胞新功能/用途人工合成新生物系統(tǒng)模塊設(shè)計ABCDEFG抽提Endy D提出了合成生物學(xué)設(shè)計的

9、工程策略：標(biāo)準(zhǔn)化、解耦聯(lián)和抽提。標(biāo)準(zhǔn)化：確立基本生物元件的方法、對生物功能的定義和特征描述。解耦聯(lián)：復(fù)雜系統(tǒng)解分成具有獨立功能的簡單組分。抽提：建立元件和模塊的層階。合成生物的設(shè)計與優(yōu)化合成生物學(xué)生物元器件抽提：一個反應(yīng)對應(yīng)一個酶，一個酶對應(yīng)一個基因。功能模式：基因表達(dá)調(diào)控的操縱子模型。優(yōu)化：功能基因密碼子、啟動子、核糖體結(jié)合位點。適合于不同宿主表達(dá)的生物元件。1、生物元件的設(shè)計與優(yōu)化合成生物學(xué)生物磚構(gòu)建基因電路的困難是，把相同功能的不同生物來源的生物磚集成基因電路后，不一定具有功能。優(yōu)化方法可以是基于數(shù)學(xué)模擬的理性設(shè)計，也可以是生物元件的直接進化。2.基因電路的設(shè)計與優(yōu)化合成生物學(xué)大腸桿菌酵

10、母枯草芽孢桿菌藍(lán)藻鏈霉菌其他異源宿主（4）地盤細(xì)胞的選擇與改造工程生物構(gòu)建的基本過程基因元件設(shè)計基因線路合成制藥工程生物功能底盤細(xì)胞遺傳轉(zhuǎn)化底盤細(xì)胞設(shè)計基因組編輯基因元件合成適配性篩選氨基酸，維生素，抗生素，抗癌藥物，聚酮，萜類等多克隆位點（5）代謝途徑構(gòu)建策略BioBrick Assembly（5）代謝途徑構(gòu)建策略Gibson Assembly 體外同源重組拼接法（5）代謝途徑構(gòu)建策略細(xì)胞治療：細(xì)胞編程信號轉(zhuǎn)導(dǎo)開關(guān)失控細(xì)胞糾錯基因組工程：合成疫苗最小基因組人工合成生物高通量大規(guī)模合成，廉價供應(yīng)高保真長片段DNA代謝工程：聚酮、萜類、黃酮、生物堿等天然源藥物及中間體合成生物學(xué)基因線路基因組編輯

11、與合成長DNA合成元件組裝合成生物學(xué)的研究與應(yīng)用3. 合成生物研究異源生產(chǎn)中藥活性成分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，目前人類利用E. coli生產(chǎn)1000多種人類蛋白。青蒿酸合成線路的設(shè)計構(gòu)建瘧疾 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)40或更高，面色潮紅，全身大汗淋漓，大汗后體溫降至正常或正常以下。 經(jīng)過一段間歇期后，又開始重復(fù)上述間歇性定時寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。 每年5億人感染，100萬死亡。目前最有效的是青蒿素，生產(chǎn)周期長、成本昂貴。 中藥青篙中提取的有過氧基團的倍半萜內(nèi)酯藥物。 Keasling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)入大腸桿菌中，改造獲的E. coli 青蒿酸的產(chǎn)量300mg/L。困難：難以預(yù)計的復(fù)雜性 這一工作幾乎是150人一年工作的結(jié)果，這些工作包括，探究每個基因的功能、探究這些功能基因組合在一起的運作機制。 由于在生物合成抗瘧疾藥物的突出成就, Keas ling 被美國“發(fā)現(xiàn)”雜志評選為2006 年度最有影響的科學(xué)家。 該