合成生物學極佳自制

關于合成生物學極佳自制第1頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物學

Syntheticbiology

第2頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三起源定義組成本質前景process第3頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

36億年前，一個微小的生命細胞在地球的荒野中誕生，它自我復制，它的后代們繼續(xù)復制自我，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。生命1.0版本第4頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三生物大家族中的新成員

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，科學家一直在嘗試從零開始制造全新的生命形式——用化學物質造出合成ＤＮＡ，由ＤＮＡ合成基因，再由基因形成基因組，最終在實驗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。第5頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

這些向“造物主”的壟斷地位發(fā)起挑戰(zhàn)的人包括工程師、計算機學家、物理學家和化學家。他們以有別于傳統(tǒng)生物學家的視角看待生命2003年開創(chuàng)了一個全新的研究領域—合成生物學

“生物晉級2003計劃！”第6頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三WhatisSyntheticBiology?第7頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物學的定義加州大學伯克利分校(UCB)的化學工程教授Keasling說:合成生物學正在用“生物學”進行工程化,就像用“物理學”進行“電子工程”,用“化學”進行“化學工程”一樣。哥倫比亞癌癥研究中心、測序及基因組科學中心主任Holt說,合成生物學與傳統(tǒng)的重組DNA技術之間的界限仍然是模糊的。從根本上說,合成生物學正在利用獲得的“元件”進行下一層次的工作———對細胞進行實際的工程化。第8頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物學的定義哈佛大學醫(yī)學院遺傳學教授、計算遺傳學中心主任Church說,主要的出發(fā)點是在把合成生物學與現(xiàn)有的領域(例如基因工程或細胞工程)分離開來。我們已經(jīng)在一次涉及一個“零件”或少量“零件”。合成生物學是利用我們所確信的一些“零件”進行新生物系統(tǒng)的工程。它在利用從系統(tǒng)生物學(systemsbiology)得出的最好分析去加工制作及檢驗復雜的生物機器.第9頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物學的組成生物積塊（BioBrick）：包括各種生物分子的合成與模塊化、亞細胞模塊、生物合成的基因網(wǎng)絡、代謝途徑和信號轉導通路、轉運機制等。積塊接口：如調整和修改輸入-輸出過程、調整不同亞細胞組件間的層次化相互作用等使模塊具有可拆裝性。開放平臺：優(yōu)化生物或非生物載體，達到提高工程系統(tǒng)效率、降低其維護成本和要求、提供某種特殊的“敏感性”及對環(huán)境的兼容性等目的。調控和通訊系統(tǒng)：包括生物部件的反饋、前饋機制以及行為和通訊方式的模塊化。數(shù)學模擬：各種功能模塊的邏輯結構與仿真、預測算法和相應軟件等。第10頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三數(shù)學模擬和功能檢測有效結合實驗驗證和算法開發(fā)，利用實驗驗證模型和優(yōu)化模型，通過模型來指導合成生物學實驗是行之有效的方法之一。合成生物學強調“設計”和“重設計”。大量借助計算機科學、信息科學、數(shù)學和物理學原理，利用已有的生物學知識，建立數(shù)學模型，對合成生物系統(tǒng)進行模擬和性能分析，指導和優(yōu)化實驗設計，是合成生物學的重要手段。第11頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物系統(tǒng)的模塊化為了克服常規(guī)基因操作中繁瑣的切、連、轉、篩等，更加靈活地使用DNA元件，合成生物學家創(chuàng)造性地提出了標準化生物模塊——生物積塊（BioBrick）的概念，并構建了相應的DNA元件文庫——iGEMRegistry。第12頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

除了用標準化的功能模塊作為承載功能的硬件外，還需要標準化的系統(tǒng)量化平臺和抽象的概念信號作為承載功能的軟件。為此，iGEMRegistry提供了衡量和代表輸入輸出信號的標準——PoPS（RNApolymerasepersecond）和RIPS（ribosomalinitiationspersecond）。第13頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物系統(tǒng)的層次化結構第14頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物學的工程本質

“工程化”是合成生物學的一個顯著特點，也是合成生物學區(qū)別現(xiàn)有生物學其它學科的主要特征之一。合成生物學家力圖通過工程化方法，將復雜生物系統(tǒng)簡化以探索自然生物現(xiàn)象及其應用，并利用基因等元素設計和構建具有嶄新功能的合成生物系統(tǒng)。第15頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物學VS計算機如果說1953年ＤＮＡ雙螺旋分子結構的發(fā)現(xiàn)讓分子生物學家意識到，基因與細胞的關系就像計算機的軟件和硬件，那么合成生物學正在做的就是設計新“軟件”、開發(fā)新“硬件”。第16頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三自上至下（逆向工程）和自下至上（前/正向工程）是合成生物學的過程化研究主要有兩種策略。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)的復雜性，將其層層凝練成工程化的標準模塊。自下至上的策略通常是指通過工程化方法，利用標準化模塊，由簡單到復雜構建具有期望功能的生物系統(tǒng)的方法。研究策略第17頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

具有一定功能的DNA序列組成最簡單的生物積塊，稱為生物部件（Part）；不同功能的生物部件按照一定的邏輯和物理連接組成復雜的生物裝置（Device）；不同功能的生物裝置協(xié)同運作組成更加復雜的生物系統(tǒng)（System）；含有多種不同共能的生物系統(tǒng)彼此通訊互相協(xié)調組成再復雜些的多細胞或細胞群體生物系統(tǒng)。在合成生物系統(tǒng)中，這些模塊主要利用邏輯拓樸結構中的串聯(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，遺傳線路又可連接成調控網(wǎng)絡或生物系統(tǒng)。第18頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三由DNA重組技術到合成生物學理念：為細胞編寫“基因軟件”

自然演化的有機體（即生物學家所謂的“生命1．0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。合成生物學家認為，他們可以利用這些已知信息來設計、打造新生命形式。

合成生物學所要打造的生命種類是全新的——它不是任何一個原始母細胞的后裔，也沒有哪個物種是它的祖先。其實在本質上，這是一個逆自然的過程。

第19頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三CommercialDNASynthesisCompaniesDataSource:RobCarlson,UofW,SeattleBioneerSouthKoreaCinnagenTehran,IranTakaraBiosciencesDalian,ChinaInqabaBiotecPretoria,SouthAfricaFermentasVilnius,LithuaniaBioS&T,AlphaDNA,BiocorpMontreal,CanadaGENEARTRegensberg,GermanyMWGBangalore,IndiaZelinskyInstituteMoscow,RussiaScinoPharmShan-hua,TaiwanGenosphereParis,FranceBiolegioMalden,NetherlandsAmbionAustin,TexasBiosearchNovato,CaliforniaBio-SynthesisLewisville,TexasChemgenesWilmington,Mass.BioSpringFrankfurtamMain,GermanyBiosourceCamarillo,CADharmaconLafaette,Co.CyberGeneABNovum,SwedenCortecDNAKingston,Ontario,CAEurogentecBelgium,U.K.DNATechnologyAarhus,DenmarkGenemedSynthesisS.SanFrancisco,CADNA2.0MenloPark,CAMetabionMunich,GermanyMicrosynthBalgach,SwitzerlandJapanBioServicesJapanBlueHeronBiotechnologyBothell,WAGeneworksAdelaide,AustraliaImperialBio-MedicChandigarh,IndiaBioserveBiotechnologiesHyderabad,IndiaGenelinkHawthorne,NY.第20頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物學開辟了設計生命的前景Keasling實驗室向大腸桿菌中導入青蒿與酵母的基因使大腸桿菌能在調節(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特點的人工化學系統(tǒng)and重新設計微生物第21頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成人工化學系統(tǒng)

Brenner提出向細胞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。合成生物學也將對生命起源，其他生命形式的研究作出貢獻。第22頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三controlbio-life！目前，研究人員正在試圖控制細胞的行為，研制不同的基因線路———即特別設計的、相互影響的基因。加州大學生物學和物理學教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路：當某種特殊蛋白質含量發(fā)生變化時，細胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉換，起到有機振蕩器的作用，打開了利用生物分子進行計算的大門。第23頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三examplemore維斯和加州理工學院化學工程師阿諾爾一起，采用“定向進化”的方法，精細調整研制線路，將基因網(wǎng)絡插入細胞內，有選擇性地促進細胞生長。第24頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三creativethought維斯另一項大膽的計劃是為成年干細胞編程促進某些干細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或軟骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產(chǎn)出合成膝關節(jié)。盡管該工作尚處初級階段，但卻是生物學調控領域中重要的進展。第25頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三2010.5.20artificiallifeJohnCraigVenter攪亂了(生命)科學界CraigeVenter第26頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三合成生物學的應用醫(yī)藥生物環(huán)境人類健康能源第27