合成生物學(xué)與基因回路

1、合成生物學(xué)合成生物學(xué)與與基因回路基因回路 Synthetic Biology and Genetic Circuits 一一. 什么是合成生物學(xué)什么是合成生物學(xué) Synthetic Biology 何時(shí)出現(xiàn)合成生物學(xué)這一名字？ Science雜志最早于1911年33卷有兩篇文章出現(xiàn) “synthetic biology” （合成生物學(xué)）一詞。 雜志最早于1911年7月8日有一篇文章出現(xiàn) “synthetic biology ” （合成生物學(xué)）一詞。 在1980年第一次以“基因外科術(shù)：合成生物學(xué)的 開(kāi)始”為題出現(xiàn)在德文刊物上。 2000年以后，“合成生物學(xué)”一詞在學(xué)術(shù)刊物及 互聯(lián)網(wǎng)上逐漸大量出現(xiàn)

2、 Nature Biotechnology, 27(12), 2009 Focus on Synthetic Biology The latest iteration of genetic engineering offers the prospect of the design and construction of new life forms from biological parts, devices and systems. 基因工程的最新研究成果提 供了通過(guò)生物元件生物元件、裝置裝置和 系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組裝新生命形式新生命形式 的前景 Nature Reviews, 10(6), 2

3、009 維基百科：合成生物學(xué)旨在設(shè)計(jì)和構(gòu)建工程化的生物系統(tǒng)，使其能夠處理信息處理信息、 操作化合物操作化合物、制造材料制造材料、生產(chǎn)能源生產(chǎn)能源、提供食物提供食物、保持和增強(qiáng)人類的健康保持和增強(qiáng)人類的健康和改善我改善我 們的環(huán)境們的環(huán)境。 /wiki/Synthetic_biolog y 簡(jiǎn)單地說(shuō)，合成生物學(xué)是通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)來(lái)通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)來(lái) 解決能源、材料、健康和環(huán)保等問(wèn)題解決能源、材料、健康和環(huán)保等問(wèn)題。 合成生物學(xué)的定義合成生物學(xué)的定義 Synthetic Biology is： A) t

4、he design and construction of new biological parts, devices, and systems, and B) the re-design of existing, natural biological systems for useful purposes. / 199820002002200420062008 200 0 400 0 600 0 800 0 100 00 0 20 40 60 80 100 120 0 網(wǎng) 絡(luò) 信 息 期 刊 / 專 利 數(shù) 量 Sciru網(wǎng)絡(luò)信息 Scir

5、us 檢索專利 Scopus檢索期刊 Scirus 檢索期刊 2004年被美國(guó)MIT出版的Technology Review評(píng)為將改變世界的10大新出現(xiàn)的技術(shù) 之一(10 Emerging Technologies That Will Change Your World)。 合成生物學(xué)的發(fā)展前景與基礎(chǔ)合成生物學(xué)的發(fā)展前景與基礎(chǔ) DNA是生物的遺傳物質(zhì) 為了整理和分析這些序列信息，誕生了一門新為了整理和分析這些序列信息，誕生了一門新 興的交叉學(xué)科興的交叉學(xué)科 生物信息學(xué)生物信息學(xué)(Bioinformatics) 是合成生物學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)之一是合成生物學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)之一。 細(xì)胞細(xì)胞: 奇異絕妙的小工廠

6、奇異絕妙的小工廠 系統(tǒng)生物學(xué)研究細(xì)胞對(duì)外界環(huán)境變化或刺激在系統(tǒng)生物學(xué)研究細(xì)胞對(duì)外界環(huán)境變化或刺激在 各個(gè)層次上如何做相應(yīng)的變更各個(gè)層次上如何做相應(yīng)的變更, , 并建立數(shù)學(xué)模并建立數(shù)學(xué)模 型對(duì)總體應(yīng)答作出預(yù)測(cè)型對(duì)總體應(yīng)答作出預(yù)測(cè). . 基因組代謝物組蛋白質(zhì)組轉(zhuǎn)錄物組 基因組學(xué) Genomics 代謝物組學(xué) Metabolomics 蛋白質(zhì)組學(xué) Proteomics 轉(zhuǎn)錄物組學(xué) Transcriptomics DNAmRNA蛋白質(zhì)代謝物 轉(zhuǎn)錄 翻譯 催化反應(yīng) Systems biology as a foundation for genome-scale synthetic biology Chr

7、istian L Barrett, Tae Yong Kim, Hyun Uk Kim, Bernhard Palsson and Sang Yup Lee, Current Opinion in Biotechnology 2006, 17:488492 系統(tǒng)生物學(xué)是在基因組層面上合成生物學(xué) 的基礎(chǔ) 基因組超大量的序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 重大的生物技 術(shù) 合成生物學(xué)發(fā)生與發(fā)展的學(xué)科基礎(chǔ)合成生物學(xué)發(fā)生與發(fā)展的學(xué)科基礎(chǔ) 數(shù) 學(xué) 物 理 學(xué) 工 程 學(xué) 生 物 學(xué) 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 化 學(xué) 信 息 學(xué) 合 成 生 物 學(xué) 生 物 質(zhì) 能 生物醫(yī)學(xué) 環(huán)境修復(fù) 精細(xì) 化學(xué)品 食品 原料 生物材料 生物傳 感

8、器 生物 計(jì)算機(jī) 合成生物學(xué)的發(fā)展過(guò)程合成生物學(xué)的發(fā)展過(guò)程 1979年H. G. Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因（207bp）； 2002年紐約州立大學(xué)石溪分校魏瑪（E.Wimmer）小組用了3年 的時(shí)間合成出了脊髓灰質(zhì)炎病毒（Poliovirus）的全基因組， 7500bp。 2003年，J. C. Venter 研究小組用了14天時(shí)間從頭合成了噬菌 體Phi X174（5386 bp）基因組。 2004年，人工合成了1918年造成全世界上千萬(wàn)人死亡的“西班 牙流感病毒”。 2008年J. C. Venter小組又合成了Mycoplasma genitalium生 殖道支原體基因

9、組（582790kb），這是迄今為止人類在合成生 物過(guò)程中走得最遠(yuǎn)的一步。 J. C. Venter小組 的另外一項(xiàng)工作卻獲得了成功：不久前將關(guān)系 較近的兩株支原體中一株的基因組用另外一株的基因組替換，結(jié) 果仍能正?！肮ぷ鳌?。 人工合成生物全基因組人工合成生物全基因組 合成生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容合成生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容 合成代謝網(wǎng)絡(luò)合成代謝網(wǎng)絡(luò) 利用轉(zhuǎn)錄和翻譯控制單元調(diào)控酶的表達(dá)以合成或分解代謝 物。主要以代謝物濃度作為控制元件的輸入信號(hào)。 例如：利用釀酒酵母和大腸桿菌合成抗瘧疾藥物青蒿素的前體物質(zhì)。 遺傳遺傳/基因線路的設(shè)計(jì)與構(gòu)建基因線路的設(shè)計(jì)與構(gòu)建 1961年F. Jacob和J. Monod提出的

10、乳糖操縱子模型第一 次明確提出了基因表達(dá)的調(diào)控概念，被認(rèn)為是分子生物學(xué)發(fā)展的 第二個(gè)里程碑。 細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng)研究細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng)研究 基于細(xì)胞間交流的細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，主要 是研究細(xì)胞群體間的同步基因表達(dá)、信號(hào)交流、異步功能配合等。 數(shù)學(xué)模擬和功能預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模擬和功能預(yù)測(cè) 二二. 合成生物學(xué)的研究方法合成生物學(xué)的研究方法 基因回路（基因回路（Genetic Circuits）設(shè)）設(shè) 計(jì)計(jì) 合成生物學(xué)領(lǐng)域三大目標(biāo)：合成生物學(xué)領(lǐng)域三大目標(biāo)： 一、有別于以往拆解生命體的方式，它是一、有別于以往拆解生命體的方式，它是 通過(guò)合成來(lái)理解生命。通過(guò)合成來(lái)理解生命。 二、將遺傳工

11、程所使用的元件標(biāo)準(zhǔn)化，使二、將遺傳工程所使用的元件標(biāo)準(zhǔn)化，使 其能與現(xiàn)有系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)造出其能與現(xiàn)有系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)造出多、功多、功 能能復(fù)雜的系統(tǒng)。復(fù)雜的系統(tǒng)。 三、將電子工程領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、將電子工程領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)論應(yīng)用論應(yīng)用 到生物系統(tǒng)，重組到生物系統(tǒng)，重組DNA基因工程，產(chǎn)生真基因工程，產(chǎn)生真 正可由程序控制的生物，設(shè)計(jì)生物計(jì)算機(jī)。正可由程序控制的生物，設(shè)計(jì)生物計(jì)算機(jī)。 基基 因因 回回 路路 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 流流 程程 建立建立DNA 元件庫(kù)元件庫(kù) 根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo) 決定基因回路決定基因回路 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 調(diào)用庫(kù)元調(diào)用庫(kù)元 件模型件模型 利用計(jì)算機(jī)仿利用計(jì)算機(jī)仿 真軟件確認(rèn)輸真軟件確

12、認(rèn)輸 出及功能正確？出及功能正確？ 建立集成生建立集成生 物回路（物回路（IC） 檢測(cè)基因回路檢測(cè)基因回路 性能穩(wěn)定可靠？性能穩(wěn)定可靠？ 建立集成生物建立集成生物 回路（回路（IC） 成功建立穩(wěn)定可成功建立穩(wěn)定可 調(diào)控的基因回路調(diào)控的基因回路 基基 因因 回回 路路 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 流流 程程 特定的信使RNA（mRNA）的分子的濃度代表一個(gè)邏輯信 號(hào)。左圖，輸入的mRNA是缺失，則細(xì)胞轉(zhuǎn)錄基因輸出 mRNA。右圖，輸入的mRNA存在，細(xì)胞把此mRNA翻譯 成輸入蛋白，此蛋白與基因上的啟動(dòng)子相結(jié)合，阻止細(xì)胞 合成mRNA輸出。 生物化學(xué)反相器-非門（NOT） 用原核生物基因調(diào)用原核生物基因調(diào) 控模

13、組模擬電子工程控模組模擬電子工程 邏輯門邏輯門。上方圖示 出調(diào)控啟動(dòng)子活性的 因子。RNAP：RNA 聚合酶，TF：轉(zhuǎn)錄因 子。 (Silva-Rocha and de Lorenzo, FEBS Letters 582 (2008) 12371244) Bio-Informatics要做的事要做的事 Looking at life as an information system DNA as a database（數(shù)據(jù)庫(kù)）（數(shù)據(jù)庫(kù)） RNA as a decision network（決定網(wǎng)絡(luò)）（決定網(wǎng)絡(luò)） Proteins and genes as runtime DLLs（運(yùn)行時(shí)間動(dòng)態(tài)

14、鏈接庫(kù)）（運(yùn)行時(shí)間動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)） Modeling gene regulatory networks Simulating life as a computer program Using silicon to validate biological models Goal of Digital Cells（數(shù)字細(xì)數(shù)字細(xì) 胞胞） Simulate a Gene Regulatory Network Goal of e-cell, CellML, and SBML projects Test microarray data for biological model Run expression d

15、ata through GRN functions Create biological cells with new functions Splice in promoters to control expression Create oscillating networks using operons 拼接啟動(dòng)子來(lái)控制表達(dá)拼接啟動(dòng)子來(lái)控制表達(dá) 利用操縱子創(chuàng)建振蕩網(wǎng)絡(luò)利用操縱子創(chuàng)建振蕩網(wǎng)絡(luò) Digital Cell Components 數(shù)字細(xì)胞元件數(shù)字細(xì)胞元件 Bio-logic gates Inverters, oscillators Creating genomic circuitry

16、Promoters, operons and genes Multigenic oscillating solutions Ron Weiss is the pioneer in the field /rweiss/ To 電子回路的工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)電子回路的工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 基因回路（基因回路（Genetic Circuits）設(shè)）設(shè) 計(jì)計(jì) 編程并控制細(xì)胞行為的第一步是建立一 個(gè)精心設(shè)計(jì)的元件庫(kù)，作為更復(fù)雜的生物系 統(tǒng)的基石。在構(gòu)建具有一定的遺傳功能的邏 輯門時(shí)，與電子邏輯門的輸入和輸出的電信 號(hào)（H/1或L/0）相對(duì)應(yīng)的是特定DNA與蛋白 質(zhì)結(jié)合以及它

17、們誘導(dǎo)物分子的濃度高（H，1） 或低（L，0）。 建立在原核生物調(diào)控模式上的建立在原核生物調(diào)控模式上的 數(shù)字細(xì)胞元件（生物數(shù)字細(xì)胞元件（生物邏輯門邏輯門）模型）模型 - -基因回路元件設(shè)計(jì)基因回路元件設(shè)計(jì) 在細(xì)胞內(nèi)，這些分子與其它蛋白質(zhì)相 互作用，綁定特定的DNA結(jié)合位點(diǎn)，并最 終調(diào)節(jié)其他蛋白表達(dá)。這些調(diào)控活動(dòng)，可以 用數(shù)字邏輯功能及模擬信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。 任何基因轉(zhuǎn)錄翻譯成蛋白質(zhì)的首要條 件是：RNAp(RNA polymerase, RNA聚 合酶)與基因上游區(qū)域的啟動(dòng)子結(jié)合，啟動(dòng) 轉(zhuǎn)錄，隨后RNAp將基因轉(zhuǎn)錄為信使 RNA(mRNA)，然后mRNA被翻譯成蛋白 質(zhì)。若RNAp不能與啟動(dòng)子結(jié)

18、合，后面的過(guò) 程就不能進(jìn)行。 1. 1. 非門或反相器（非門或反相器（NOT） 生物學(xué)過(guò)程：B阻遏因子，當(dāng)它存在時(shí)，B搶占了RNAp與 啟動(dòng)子結(jié)合的位點(diǎn)。因此阻礙了基因P進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。 電學(xué)過(guò)程：B為輸入信號(hào)，當(dāng)其輸入量高時(shí)，輸出為低； 反之亦然。輸入與輸出反相，也稱反相器反相器。 1. 1. 非門或反相器（非門或反相器（NOT） 左圖表示當(dāng)無(wú)左圖表示當(dāng)無(wú)mRNA輸入時(shí)，啟動(dòng)子未被抑制時(shí)，基因輸入時(shí)，啟動(dòng)子未被抑制時(shí)，基因 轉(zhuǎn)錄出轉(zhuǎn)錄出mRNA，有，有mRNA輸出；右圖表示當(dāng)有輸出；右圖表示當(dāng)有mRNA 輸入時(shí)，在細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)與啟動(dòng)子區(qū)域輸入時(shí)，在細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)與啟動(dòng)

19、子區(qū)域 的基因結(jié)合，抑制了基因的表達(dá)，無(wú)的基因結(jié)合，抑制了基因的表達(dá)，無(wú)mRNA 輸出。此輸出。此 處輸入的處輸入的mRNA的缺失或存在決定了下游的缺失或存在決定了下游mRNA是否是否 輸出。輸出。 2. 2. 緩沖器門（緩沖器門（Amplifier or Buffer） 生物學(xué)過(guò)程：A為轉(zhuǎn)錄因子，可以調(diào)控基因P使其進(jìn)行 轉(zhuǎn)錄表達(dá)。 電學(xué)過(guò)程：A為輸入信號(hào)，只有當(dāng)其輸入量滿足能啟 動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)，輸出信號(hào)才為高。A與P 同相。 3. 3. 與門（與門（AND） 生物學(xué)過(guò)程：）、兩個(gè)均為轉(zhuǎn)錄因子） 為轉(zhuǎn)錄因子，為激活因子； 以上兩種情況都要求只有當(dāng)、都同時(shí)存在時(shí)，才 能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表

20、達(dá)。 3. 3. 與門（與門（AND） 電學(xué)過(guò)程：、為兩個(gè)不同的輸入信號(hào)，只有當(dāng) 的輸入量同時(shí)滿足能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)， 才會(huì)使輸出信號(hào)高表達(dá)（輸出信號(hào)表示基因的表達(dá) 量）。 3. 3. 與門（與門（AND） 已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）： 1）Tropel, D. and Van Der Meer, J.R. (2004) Bacterial transcriptional regulators for degradation pathways of aromatic compounds. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 68, 474500. 2）Buchl

21、er, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141. 4. 4. 或門（或門（OR） 生物學(xué)過(guò)程：和都是基因的轉(zhuǎn)錄因子，當(dāng)和 其中一個(gè)存在時(shí)，或者兩者同時(shí)存在時(shí)都能啟動(dòng)基 因轉(zhuǎn)錄表達(dá)。即僅當(dāng)兩者都不存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄才 無(wú)法進(jìn)行。 4. 4. 或門（或門（OR） 電學(xué)過(guò)程：和B是兩個(gè)不同的輸入信號(hào)，當(dāng)A 、B其 中一個(gè)的輸入量滿足能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)， 或者兩者同時(shí)滿足所要求的閾值時(shí)，

22、輸出信號(hào)表現(xiàn)為 高表達(dá)。 4. 4. 或門（或門（OR） 已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）： 1）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 100, 51365141. 2）Fernandez, S., Shingler, V. and De Lorenzo, V. (1994) Crossregulation by XylR and DmpR activators of Pseudomonas

23、 putida suggests that transcriptional control of biodegradative operons evolves independently of catabolic genes. J. Bacteriol. 176, 50525058. 5. 5. 與非門（與非門（NAND） 生物學(xué)過(guò)程：A與B都是抑制基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的因子， 稱為阻遏因子。僅當(dāng)A與B同時(shí)存在時(shí)，基因P才不能 正常的進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。因?yàn)榇藭r(shí)A與B“搶占”了 RNAp與啟動(dòng)子的結(jié)合位點(diǎn)，阻礙了轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)。 5. 5. 與非門（與非門（NAND） 電學(xué)過(guò)程：A 、B為兩個(gè)不同的輸入信號(hào)，

24、僅當(dāng)兩者的 輸入量同時(shí)滿足能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)，才使 得輸出信號(hào)為低表達(dá)?？梢詫AND門電路拆分為 AND和NOT的組合。 5. 5. 與非門（與非門（NAND） 已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）： 1）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，100, 51365141 2）Escolar, L., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1999)

25、Opening the iron box: transcriptional metalloregulation by the Fur protein. J. Bacteriol. 181, 62236229. 3）Bertoni, G., Marques, S. and de Lorenzo, V. (1998) Activation of the toluene-responsive regulator XylR causes a transcriptional switch between sigma-54 and sigma-70 promoters at the divergent P

26、r/Ps region of the TOL plasmid. Mol. Microbiol. 27, 651659. 4）Bertoni, G., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1997) Genetic evidence of separate repressor and activator activities of the XylR regulator of the TOL plasmid, pWW0, of Pseudomonas putida. Mol. Microbiol. 23, 12211227 6. 6. 非與門（非與門（ANDN

27、） 生物學(xué)過(guò)程：A為轉(zhuǎn)錄的激活因子，能使基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)；B 為阻遏因子，當(dāng)存在時(shí)，就會(huì)搶占啟動(dòng)子結(jié)合位點(diǎn)，使 RNAp不能與啟動(dòng)子結(jié)合，因此不能啟動(dòng)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表 達(dá)。因此只有當(dāng)存在并且不存在時(shí)，基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)才能 正常進(jìn)行。 6. 6. 非與門（非與門（ANDN） 電學(xué)過(guò)程：只有當(dāng)信號(hào)滿足能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值 （以下簡(jiǎn)稱為“高表達(dá)”），并且信號(hào)低于該閾值時(shí) （簡(jiǎn)稱為“低表達(dá)”），輸出才會(huì)高表達(dá)。 6. 6. 非與門（非與門（ANDN） 已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）： Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcriptio

28、nal regulation by competing transcription factor modules. PLoS Comput. Biol. 2, e164. 7. 7. 或非門（或非門（NOR） 生物學(xué)過(guò)程：、均為阻礙轉(zhuǎn)錄表達(dá)的阻遏因子。兩者都 阻礙了RNAp與啟動(dòng)子的結(jié)合。 因此，只有當(dāng)兩者都不存在時(shí)，基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)才能進(jìn)行。 7. 7. 或非門（或非門（NOR） 電學(xué)過(guò)程：只有當(dāng)信號(hào)與都低表達(dá)時(shí)，輸出才會(huì)高表達(dá)。 8. 8. 非或門（非或門（ORN） 生物學(xué)過(guò)程：B是阻遏因子，A是能夠降解B的蛋白質(zhì)。當(dāng)只 有B存在時(shí)，B與啟動(dòng)子結(jié)合，阻礙了RNAp與啟動(dòng)子結(jié)合， 因此使基因P

29、不能正常進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。當(dāng)A存在時(shí)，即使B也 同時(shí)存在，但是A能降解B，使B的活性降低，使B不能與啟 動(dòng)子結(jié)合或結(jié)合性減弱，因此使基因P能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。 8. 8. 非或門（非或門（ORN） 電學(xué)過(guò)程：A與B都是入信號(hào)，當(dāng)只有B高表達(dá)并且A低 表達(dá)時(shí)，輸出為低。其余三種情況均為高表達(dá)。 8. 8. 非或門（非或門（ORN） 已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）： Erill, I., Campoy, S. and Barbe, J. (2007) Aeons of distress: an evolutionary perspective on the bacterial SOS response.

30、FEMS Microbiol. Rev. 31, 637656. 9. 9. 異或門（異或門（XOR） 生物學(xué)過(guò)程生物學(xué)過(guò)程：基因：基因P能沿著能沿著DNA從兩個(gè)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。從兩個(gè)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。 轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子A使基因沿著左端進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)，轉(zhuǎn)錄因子使基因沿著左端進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)，轉(zhuǎn)錄因子B使基使基 因沿著右端進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。但是當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，因沿著右端進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。但是當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，A會(huì)搶會(huì)搶 占占B的的RNAp與啟動(dòng)子結(jié)合的位點(diǎn)（或者說(shuō)是與啟動(dòng)子結(jié)合的位點(diǎn)（或者說(shuō)是B會(huì)搶占會(huì)搶占A的的 RNAp與啟動(dòng)子結(jié)合的位點(diǎn)），使得基因與啟動(dòng)子結(jié)合的位點(diǎn)），使得基因P不能沿著不能沿著DNA

31、 進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。因此，當(dāng)且僅當(dāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。因此，當(dāng)且僅當(dāng)A 、B其中一個(gè)存在時(shí)，基因其中一個(gè)存在時(shí)，基因P 才能進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。才能進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。 9. 9. 異或門（異或門（XOR） 電學(xué)過(guò)程：當(dāng)且僅當(dāng)輸入信號(hào)A、B其中一 個(gè)存在，并且它的表達(dá)量高時(shí)，才能使輸出 表達(dá)高。此時(shí)，我們可以將XOR門看成是兩 個(gè)ANDN門的組合。 9. 9. 異或門（異或門（XOR） 已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）： Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Pr

32、oc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141. 10. 10. 同或門（同或門（XNOR） 生物學(xué)過(guò)程： 基因P（P）可以沿著DNA向著左右兩端進(jìn)行 轉(zhuǎn)錄表達(dá)。但是沿著P（左端）進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，啟動(dòng)子的活性比 較弱，需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子同時(shí)作用才可進(jìn)行；沿著P方 向，轉(zhuǎn)錄因子則變成了阻礙RNAp與啟動(dòng)子結(jié)合的阻遏因子， 因此沿著P方向，當(dāng)或兩者之一存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄過(guò)程就會(huì) 受到抑制。 ）當(dāng)兩者都不存在時(shí)，受抑制，而P沒(méi)受到阻礙， 可以沿著P方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，所以輸出為。 ）當(dāng)只有或其中一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子存在時(shí)，由于不滿 足方向條件（需要兩者同時(shí)存在），而此時(shí)這個(gè)轉(zhuǎn)錄因 子阻礙了P方向的

33、與啟動(dòng)子結(jié)合，使P方向的轉(zhuǎn) 錄也不能進(jìn)行。所以輸出為。 ）當(dāng)與同時(shí)存在時(shí)，雖然轉(zhuǎn)錄因子阻礙了P方向 的與啟動(dòng)子結(jié)合，使P方向的轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行，但 是此時(shí)滿足了沿著方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的條件，所以輸出為。 10. 10. 同或門（同或門（XNOR） 電學(xué)過(guò)程：只有當(dāng)、兩個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)高或者同 時(shí)低時(shí)，輸出才為高；否則輸出為低。可以看做是可以看做是 與與XOR與與NOT組成的組成的XOR的相反過(guò)程的相反過(guò)程。 10. 10. 同或門（同或門（XNOR） 已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）： ）Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcripti

34、onal regulation by competing transcription factor modules. PLoS Comput. Biol. 2, e164 ）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141. 11. 11. 觸發(fā)器觸發(fā)器 生物學(xué)過(guò)程：觸發(fā)器是一個(gè)能保持雙穩(wěn)態(tài)的合成基因網(wǎng)絡(luò)。 觸發(fā)器包含兩個(gè)蛋白R(shí)1、R2，分別抑制啟動(dòng)子P1、P2。兩 個(gè)誘導(dǎo)劑

35、I1、I2，分別能使抑制蛋白R(shí)1、R2無(wú)效化，導(dǎo)致 P1、P2表達(dá)。相當(dāng)于下面的回路包含兩個(gè)互聯(lián)的ORN門。 12. 12. 環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器 環(huán)形振蕩器包含三個(gè)蛋白質(zhì)和三個(gè)它們對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)子，設(shè) 定蛋白質(zhì)Px抑制蛋白質(zhì)Py的表達(dá)，而蛋白質(zhì)Py抑制蛋白質(zhì) Pz的表達(dá)，蛋白質(zhì)Pz抑制蛋白質(zhì)Px的表達(dá) ?；蚓W(wǎng)絡(luò)配 置對(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形振蕩器邏輯電路。 12. 12. 環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器 在PLtetO-1啟動(dòng)子的下游標(biāo)放一個(gè)綠色熒光標(biāo)記的蛋白以 便顯示在任何特定細(xì)胞中cI的近似濃度。 右圖顯示了在一個(gè)特定的細(xì)胞中熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化， 表現(xiàn)為振蕩，圖中的小條描繪細(xì)胞的分裂活動(dòng)。其他細(xì)胞 的振蕩行為

36、差別很大。 三三. 基因回路的設(shè)計(jì)成果實(shí)基因回路的設(shè)計(jì)成果實(shí) 例例 發(fā)表合成生物學(xué)較多的刊物及新創(chuàng)刊的刊發(fā)表合成生物學(xué)較多的刊物及新創(chuàng)刊的刊 物物 PNAS Nature Science MSB Nature, 2010 1.由基因編碼“與非門”構(gòu)成其他更復(fù)雜的 邏輯門； 2.基因編碼門間的化學(xué)連接。 基因編碼的“或非”門 在大腸桿菌（在大腸桿菌（E. Coli)中，中， 2個(gè)串聯(lián)的啟動(dòng)子作為輸入個(gè)串聯(lián)的啟動(dòng)子作為輸入 驅(qū)動(dòng)阻遏子的轉(zhuǎn)錄。驅(qū)動(dòng)阻遏子的轉(zhuǎn)錄。 1個(gè)菌株形成個(gè)菌株形成1個(gè)或非門。個(gè)或非門。 群體感應(yīng)分子（群體感應(yīng)分子（quorum molecules）AHL（ Acyl homo-

37、serine lactone ） 可以形成門間的連線?？梢孕纬砷T間的連線。 由多個(gè)或非門間的相互連接由多個(gè)或非門間的相互連接 組成各種復(fù)雜的邏輯門。組成各種復(fù)雜的邏輯門。 基因編碼的“或非”門 PBAD、PTet分別由arabinose (Ara)和 anhydrotetracycline (aTc)激活。它門作為或非門 的2個(gè)輸入啟動(dòng)子。 YFP（Yellow Fluorescent Protein，黃色熒光蛋白）作 為輸出基因。 流式細(xì)胞儀（flow cytometry）測(cè)量結(jié)果 或門 CI阻遏基因 或非門 5 5E-1 5E-2 5E-3 5E-4 0 其他輸入信號(hào)： 3OC12-HSL

38、激活的 PLas啟動(dòng)子也可 作為輸入。 PBAD、PTet PBAD、PLas PTet、PLas 不同邏輯門的構(gòu)成 不同邏輯門的構(gòu)成 Gene Regulatory Network 基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò) Basic GRN Circuit Flow Gross anatomy of a minimal gene regulatory network (GRN) embedded in a regulatory network. A regulatory network can be viewed as a cellular input-output device. http:/doege

39、/ / Gene regulatory networks interface with cellular processes 合成生物學(xué)應(yīng)用合成生物學(xué)應(yīng)用 BioEnergy. Cells are being engineered to consume agricultural products and produce liquid fuels. British Petroleum and the US DOE granted $650 million dollars for research in the Sa

40、n Francisco Bay Area. Drug Production. Bacteria and yeast can be re-engineered for the low cost production of drugs. Examples include the anti-malarial drug Artemisinin and the cholesterol- lowering drug （降膽固醇藥）. Materials. Recombinant cells have been constructed that can build chemical precursors f

41、or the production of plastics and textiles, such as Bio-PDO （1，3丙二醇）and spider silk（蛛絲）. Medicine. Cells are being programmed for therapeutic purposes. Bacteria and T-cells can be rewired to circulate in the body and identify and treat diseased cells and tissues. （1）美國(guó)UCB化學(xué)工程系教授、勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合成 生物學(xué)中心主任Ke

42、asling本科曾獲得化學(xué)與生物學(xué)雙 學(xué)位，后來(lái)又獲得化學(xué)工程博士學(xué)位。所以在他從事代 謝工程及合成生物學(xué)的研究中能很好地將化學(xué)、生物學(xué)、 化學(xué)工程學(xué)相結(jié)合。在他從事抗瘧疾藥的生物合成研究 中，始終把細(xì)胞當(dāng)作微生物制藥工廠（Microbial drug factories），進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、集成、組裝、 控制。體現(xiàn)在合成生物學(xué)技術(shù)上包括DNA的合成、來(lái)自 細(xì)菌、酵母及植物（青蒿Artemisia annua）等多種基 因及代謝途徑的組裝、多基因的精密調(diào)控等。他們關(guān)于 抗瘧疾藥物生物合成的研究成果先后發(fā)表在2003年 Nature Biotechnology和2006年的Nature上。 合成生

43、物學(xué)研究舉例合成生物學(xué)研究舉例 Keasling 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室 Research Interests: 代謝工程， 系統(tǒng)生物學(xué)，合成生物學(xué) Synthetic Biology for Synthetic Chemistry ACS Chemical Biology, 2008,3:64-76 （合成生物學(xué)合成化學(xué)青蒿素合成舉 例） Importance of systems biology in engineering microbes for biofuel production Current Opinion in Biotechnology 2008, 19:228234（系統(tǒng)生物學(xué)生物

44、燃 料生產(chǎn)） Metabolic engineering of microorganisms for biofuels production: from bugs to synthetic biology to fuels（代謝工程：微生物合成生物學(xué)生物燃料） Current Opinion in Biotechnology 2008, 19: in press The process for the microbial production of artemisinin. Using synthetic biology 用合成生物學(xué)生產(chǎn)抗瘧疾藥青蒿素用合成生物學(xué)生產(chǎn)抗瘧疾藥青蒿素 Chris

45、tina D. Smolke Division of Chemistry and Chemical Engineering California Institute of Technology A Synthetic Gene-Metabolic Oscillator Fung, E., Wong, W.W., Suen, J.K., Bulter, T., Lee, S.G. and Liao, J.C. (2005) Nature, 435, 118-122. we designed and constructed a synthetic circuit in Escherichia co

46、li K12, using glycolytic flux to generate oscillation through the signalling metabolite acetyl phosphate. If two metabolite pools are interconverted by two enzymes that are placed under the transcriptional control of acetyl phosphate, the system oscillates when the glycolytic rate exceeds a critical

47、 value. We used bifurcation analysis to identify the boundaries of oscillation, and verified these experimentally. This work demonstrates the possibility of using metabolic flux as a control factor in system-wide oscillation, as well as the predictability of a de novo genemetabolic circuit designed

48、using nonlinear dynamic analysis. Resistance to Diet-Induced Obesity in Mice with Synthetic Glyoxylate Shunt Cell Metabolism, 9：525-536, 2009 UCLA(加州大學(xué)洛杉磯分校 )的化學(xué)與生物分子工程 學(xué)教授廖俊智（James Liao）借鑒了合成生物學(xué)的 的研究策略，發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)新的、具有煽動(dòng)效應(yīng)的研究 結(jié)果。他們將細(xì)菌和植物中燃燒脂肪的途徑植入老鼠 的體內(nèi)。這種基因改變能使動(dòng)物將脂肪轉(zhuǎn)化成二氧化 碳，并且在食用同樣的快餐食譜的情況下保持苗條。 波士頓大學(xué)的合

49、成生物學(xué)家詹姆斯考林斯（James Collins）說(shuō)：“這項(xiàng)研究令我著迷的地方在于，我 們可以以一種全新的方法、用合成生物學(xué)的方法治療 人類疾病。”當(dāng)前的基因或蛋白治療方案主要集中于 單個(gè)分子，比如說(shuō)替換一個(gè)缺失的分子，如胰島素， 或者在癌癥中抑制一個(gè)有害蛋白的表達(dá)。換個(gè)思路， 考林斯認(rèn)為，科學(xué)家們可以試著考慮利用工程學(xué)的方 法，使身體具有原先不具備的功能。 國(guó)際遺傳機(jī)器大賽（國(guó)際遺傳機(jī)器大賽（international Genetically Engineered Machine Competition， iGEM） Assembling Building Blocks for Novel

50、 Functions DNA元件庫(kù) 生物系統(tǒng)基因機(jī)器 構(gòu)建組裝 Synthesis! DNA 2.0 DNA 2.0 Inc. is a leading provider for synthetic biology. With our gene synthesis process you can get synthetic DNA that conforms exactly to your needs, quickly and cost effectively. Applications of custom gene synthesis include codon optimization f

51、or increased protein expression, synthetic biology, gene variants, RNAi trans- complementation and much more. Information vs. Processing Just as in a computer, data bits and processing bits are made from the same material, 0 or 1, or A, T, C, G, or U in biology Nature as a Computer Biological system

52、s like DNA and RNA especially appear to be more than networks of information. RNA itself can be seen as a molecular decision network E-Cell E-Cell System is an object-oriented software suite for modeling, simulation, and analysis of large scale complex systems such as biological cells. Version 3 all

53、ows many components driven by multiple algorithms with different timescales to coexist Computer Modeling Metabolic Pathways BioCyc collection of organism specific metabolic pathway databases cellML is an XML based format for exchanging biological data from genes to proteins to metabolism Digital Cel

54、ls Meet Synthetic Biology Model the circuit Validate the circuit Tinker with the circuit Then Alter the gene to build a new protein SNPs will give you a first approach See if the new protein is well tolerated Gene Therapy Gene therapy using an Adenovirus vector. A new gene is inserted into an adenov

55、irus vector, which is used to introduce the modified DNA into a human cell. If the treatment is successful, the new gene will make a functional protein. /wiki/Gene_therapy DNA Vaccines The ultimate method to train the immune system against a multitude of threats Inject a known

56、sequence of DNA Trick the cell into expressing it, then seeing it as an antigen to ward against. Used to fight cancer. Animal Model Systems Mice make perfect models as they are: Cheap (reasonably) Fast / easy growing Very inbred Mouse DNA arrays and the mouse genome are fairly well known, characteri

57、zed Stem Cell Technology Once you have an altered genome ready to test beyond a simple one cell environment, you leverage the ability of stem cells to mass produce your synthetic biology solution Cell as a Nanosystem Bilayer outer lipid membrane Energy apparatus Diffuse metabolome Proteome with sign

58、aling network DNA / RNA operating system, nucleosome miRNA control units Green Algae at Work Making H2 Algal cell suspension / cells Thylakoid membrane These little critters are very happy just to be working! Proposed Engineered H2 Bacterium /pdfs/tr_hydrogen_prod_utilization.

59、pdf In Vitro Photo-Production of H2 Yellow arrow marks insertion of hydrogenase promoter. Right side data cell optimized for continuous H2 production. Synthetic Biology Roadmap Understanding of gene elements and transcriptional control at miRNA level Ability to model protein structure, and surface p

60、otential / folding / function Ability to create functional operons and regulated / feedback transcriptional control Stem cell and gene therapy synergism Role of Bioinformatics Where are genes? What are the regulatory inputs? What are the proteins? Where are post translational modifications? What are