第八章合成生物學()

內(nèi)容1.合成生物學的發(fā)展歷史及概念2.研究方式和工具3.

合成生物學的研究方向4.展望當前第1頁\共有51頁\編于星期五\22點15.1合成生物學的發(fā)展史及概念（1）合成生物學的發(fā)展史1978年Skallka在對限制性內(nèi)切核酸酶的評論中第一次預言了合成生物學的誕生。1980年Hobom引入了合成生物學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)展和工程學在生物體系的應(yīng)用，為合成生物學奠定基礎(chǔ)。當前第2頁\共有51頁\編于星期五\22點20世紀提出的概念用現(xiàn)有的有機化學和生物化學的合成能力設(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。當前第3頁\共有51頁\編于星期五\22點

美國基因組學先驅(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“合成細胞”，一種稱為絲狀支原體的細菌。

當前第4頁\共有51頁\編于星期五\22點（2）合成生物學合成生物學學是生物科學在二十一世紀剛剛出現(xiàn)的一個分支學科。

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。當前第5頁\共有51頁\編于星期五\22點

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。

當前第6頁\共有51頁\編于星期五\22點15.2合成生物學的研究方法和工具（1）合成生物學的研究方法工程領(lǐng)域中所有的單元部件都具有獨立功能，可以互換，容易進行模塊化的組合，即從零件到器件再到系統(tǒng)。

當前第7頁\共有51頁\編于星期五\22點合成生物學包含工程學的理念，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。當前第8頁\共有51頁\編于星期五\22點

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。當前第9頁\共有51頁\編于星期五\22點標準化抽象化復雜系統(tǒng)去偶合DrewEndy(MIT)

合成生物學工程化三原則：當前第10頁\共有51頁\編于星期五\22點標準化

從可更換的部件庫，快速構(gòu)建多組分體系，包括建立生物學功能、試驗的檢測條件及系統(tǒng)做出通用、便捷的標準。不同部件間要進行標準化來實現(xiàn)“即插即用”的性能。當前第11頁\共有51頁\編于星期五\22點2003MIT成立了標準生物部件登記處，數(shù)據(jù)庫收集了3200個標準化生物學部件。當前第12頁\共有51頁\編于星期五\22點當前第13頁\共有51頁\編于星期五\22點當前第14頁\共有51頁\編于星期五\22點

將一個復雜的問題分解成若干可操作的獨立的簡單問題。復雜系統(tǒng)去偶合當前第15頁\共有51頁\編于星期五\22點

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)當前第16頁\共有51頁\編于星期五\22點（2）合成生物學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器件device系統(tǒng)system模塊module當前第17頁\共有51頁\編于星期五\22點

標準生物部件具有特定生物學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、終止子當前第18頁\共有51頁\編于星期五\22點當前第19頁\共有51頁\編于星期五\22點15.3

合成生物學的研究方向

創(chuàng)建新的基因調(diào)控模塊和線路

各種蛋白質(zhì)、DNA、RNA的相互作用形成復雜的表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過構(gòu)建非天然的基因調(diào)控模塊設(shè)計構(gòu)建細胞生命活動的分子網(wǎng)絡(luò)。用途：調(diào)節(jié)基因表達和蛋白質(zhì)功能。當前第20頁\共有51頁\編于星期五\22點基因線路當前第21頁\共有51頁\編于星期五\22點1）基因撥動開關(guān)e.g.E.coli報告基因誘導物A阻遏物A啟動子B啟動子A阻遏物B誘導物B當前第22頁\共有51頁\編于星期五\22點

通過加入不同的誘導物實現(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。當前第23頁\共有51頁\編于星期五\22點2）基因振蕩器FT1激活它本身和FT2；FT2過量，會抑制FT1當前第24頁\共有51頁\編于星期五\22點3）大腸桿菌成像系統(tǒng)

將細菌改造成感光膠片，像素1平方米1億像素分辨率。當前第25頁\共有51頁\編于星期五\22點

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。lacZompC

promoter

PCBBlackPCBPCB當前第26頁\共有51頁\編于星期五\22點

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。當前第27頁\共有51頁\編于星期五\22點代謝途徑改造----調(diào)節(jié)核心組件優(yōu)化途徑

不同的生物學途徑提取出來優(yōu)化整合到宿主細胞合成目標化學物質(zhì)當前第28頁\共有51頁\編于星期五\22點1.

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，又開始重復上述間歇性定時寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。

當前第29頁\共有51頁\編于星期五\22點

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。當前第30頁\共有51頁\編于星期五\22點Keasling利用合成生物學，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，改造獲得E.coli

青蒿酸的產(chǎn)量300mg/L。當前第31頁\共有51頁\編于星期五\22點困難：難以預計的復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。當前第32頁\共有51頁\編于星期五\22點

由于在生物合成抗瘧疾藥物的突出成就,Keasling被美國“發(fā)現(xiàn)”雜志評選為2006年度最有影響的科學家。該項目已經(jīng)獲得比爾-梅林達蓋茨基金會4300萬美元的資助,進行進一步的實驗室研究、中試、臨床實驗等后續(xù)工作。當前第33頁\共有51頁\編于星期五\22點2.

代謝途徑的快速進化基因突變改造代謝途徑生產(chǎn)目標化合物當前第34頁\共有51頁\編于星期五\22點Church

對20種番茄紅素合成有關(guān)的基因進行突變；將突變的90個DNA片段，轉(zhuǎn)入大腸桿菌；

3天內(nèi)產(chǎn)生了150億基因突變體；從中篩選到使番茄紅素產(chǎn)量提高5倍的基因。當前第35頁\共有51頁\編于星期五\22點3.

利用合成生物學生產(chǎn)新能源

Kaslling利用13個可逆的酶促反應(yīng)組合起來創(chuàng)建一條非天然的催化路徑。

淀粉+水H2當前第36頁\共有51頁\編于星期五\22點

最小基因組與合成生物學合成生物學最終目標：

合成獨立的可遺傳的人工生命體

當前第37頁\共有51頁\編于星期五\22點人工生命的基本要素具有膜系統(tǒng)能進行新陳代謝具有自己的基因當前第38頁\共有51頁\編于星期五\22點研究最簡化生命的兩種方法從下而上：從核苷酸合成新生命體。從上而下：從基因組中剔除非必要基因組。當前第39頁\共有51頁\編于星期五\22點1.人工構(gòu)建合成生命體

2002年Wimmer小組脊髓灰質(zhì)炎病毒的合成Venter合成噬菌體基因組和生殖道支原體基因組

當前第40頁\共有51頁\編于星期五\22點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。

絲狀支原體當前第41頁\共有51頁\編于星期五\22點2.最小基因組的構(gòu)建

Blattnerj小組刪除大腸桿菌基因組的15%（高達82Kb）,細菌仍保持了良好的生存狀態(tài)。

改造后菌株的電穿孔效率、基因表達都有改變。當前第42頁\共有51頁\編于星期五\22點電穿孔當前第43頁\共有51頁\編于星期五\22點

Endy小組用12kb人工合成的DNA取代野生T7基因組中的11kb的非必須DNA構(gòu)建新的生命體。

當前第44頁\共有51頁\編于星期五\22點最小基因組優(yōu)點選擇性的保留所需的代謝途徑和功能；成為合成基因網(wǎng)絡(luò)理想的容器；為插入模塊提供最簡單無干擾的環(huán)境。當前第45頁\共有51頁\編于星期五\22點理想的細胞底盤應(yīng)具備的條件長期培養(yǎng)中保持基因穩(wěn)定能夠在低營養(yǎng)培養(yǎng)基中生長以降低成本同時協(xié)調(diào)多基因的表達能夠通過調(diào)整合成路徑抑制與生產(chǎn)無關(guān)的合成路徑當前第46頁\共有51頁\編于星期五\22點15.3.4構(gòu)建多細胞體系多細胞體系是建立在群體細胞效應(yīng)的研究基礎(chǔ)上，多細胞涉及細胞間的通信體系。

群體效應(yīng)：微生物通過自身產(chǎn)生的一種化學信號來感受群體的濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊的行為。當前第47頁\共有51頁\編于星期五\22點細菌QS系統(tǒng)作用細菌根據(jù)特定信號分子的濃度可以監(jiān)測周圍環(huán)境中自身或其它細菌的數(shù)量變化，當信號達到一定的濃度閾值時，能啟動菌體中相關(guān)基因的表達來適應(yīng)環(huán)境中的變化。當前第48頁\共有51頁\編于星期五\22點枯草芽胞桿菌利用QS系統(tǒng)對細胞的發(fā)育進行調(diào)控當營養(yǎng)豐富、菌體稀少時向感受態(tài)方向發(fā)展；營養(yǎng)貧乏菌體密度高時向芽胞方向發(fā)展。

當前第49頁\共有51頁\編于星期五\22點15.4

展望