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)Nature Biotec

2、hnology, 27(12), 2009Focus 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), 2009 維基百科：合成生物學(xué)旨在設(shè)計(jì)和

3、構(gòu)建工程化的生物系統(tǒng)，使其能夠處理信息處理信息、操操作化合物作化合物、制造材料制造材料、生產(chǎn)能源生產(chǎn)能源、提供食提供食物物、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們的改善我們的環(huán)境環(huán)境。 /wiki/Synthetic_biology 簡(jiǎn)單地說(shuō)，合成生物學(xué)是通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)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)題能源、材料、健康和環(huán)保等問(wèn)題。 合成生物學(xué)的定義Synthetic Biology is： A) the design and construction of ne

4、w biological parts, devices, and systems, and B) the re-design of existing, natural biological systems for useful purposes. /1998200020022004200620082000400060008000100000204060801001200網(wǎng)絡(luò)信息期刊/專利數(shù)量Sciru網(wǎng)絡(luò)信息Scirus 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

5、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。細(xì)胞: 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)境變化或刺激在各個(gè)層次上如何做相應(yīng)的變更, 并建立數(shù)學(xué)模型對(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)

6、TranscriptomicsDNAmRNA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 biologyChristian 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)數(shù)學(xué)物理學(xué)工程學(xué)生

7、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.

8、C. Venter小組又合成了Mycoplasma genitalium生殖道支原體基因組（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?！肮ぷ鳌薄Ｈ斯ず铣缮锶蚪M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.

9、Jacob和J. Monod提出的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)計(jì)）設(shè)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

10、。二、將遺傳工程所使用的元件標(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)輸真軟件確認(rèn)輸出及功能正確？出及功能正確

11、？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。R

12、NAP：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（運(yùn)行時(shí)間動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）時(shí)間動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)） Modeling gene regulatory netw

13、orks Simulating life as a computer program Using silicon to validate biological modelsGoal of Digital Cells（數(shù)字細(xì)胞數(shù)字細(xì)胞） Simulate a Gene Regulatory Network Goal of e-cell, CellML, and SBML projects Test microarray data for biological model Run expression data through GRN functions Create biological cel

14、ls 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 Promoters, operons and genes Multigenic oscillating

15、 solutionsRon 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)計(jì)）設(shè)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)

16、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)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)。

17、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)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m

18、RNA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)?shù)妮斎肓客瑫r(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

19、（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）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad.

20、 Sci. USA100, 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)，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

21、 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 putida suggests that transcriptional control of biodegradative operonsevolves independently of catabolic genes. J. Bacteri

22、ol. 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)，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

23、Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，100, 513651412）Escolar, L., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1999) Opening the iron box: transcriptional metalloregulation by the Fur protein. J. Bacteriol. 181, 62236229.3）Bertoni, G., Marques, S. and de

24、Lorenzo, V. (1998) Activation of the toluene-responsive regulator XylR causes a transcriptional switch between sigma-54 and sigma-70 promoters at the divergent Pr/Ps region of the TOL plasmid. Mol. Microbiol. 27, 651659.4）Bertoni, G., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1997) Genetic evidence of se

25、parate repressor and activator activities of the XylR regulator of the TOL plasmid, pWW0, of Pseudomonas putida. Mol. Microbiol. 23, 122112276. 6. 非與門（非與門（ANDN）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

26、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) Transcriptional 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

27、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

28、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. 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

29、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）

30、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. Proc. 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)

31、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?？梢钥醋鍪强梢钥醋鍪桥c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.

32、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) Transcriptional 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. USA100

33、, 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

34、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)胞的振蕩行為差別很大。三三. 基因回路的設(shè)計(jì)成果實(shí)例基因回路的設(shè)計(jì)成果實(shí)例發(fā)表合成生物學(xué)較多的刊物及新創(chuàng)刊的刊物PNASNatureScienceMSBNature, 20101.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?；蚓幋a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)

35、分子（quorum molecules）AHL（ Acyl homo-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?；蚓幋a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55E-15E-25E-35E-40其他

36、輸入信號(hào)：3OC12-HSL激活的PLas啟動(dòng)子也可作為輸入。PBAD、PTetPBAD、PLasPTet、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 FlowGross 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:/do

37、/ /Gene regulatory networks interface with cellular processes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 San Franc

38、isco 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 for the pr

39、oduction 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Keasling本科曾獲

40、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。 合成生物學(xué)研究舉例Keasling 實(shí)驗(yàn)室

41、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)生物燃料生產(chǎn)）Metabolic engineering of micro

42、organisms 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Christina D. SmolkeDivision of Chemistry and Chemical Engin

43、eeringCalifornia Institute of TechnologyA Synthetic Gene-Metabolic OscillatorFung, 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 coli K12, using glycolytic flux to generate oscillation thro

44、ugh 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 value. We used bifurcation analysis to identify the bound

45、aries 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 using nonlinear dynamic analysis.Resistance to Diet-Induce

46、d Obesity in Mice with Synthetic Glyoxylate Shunt Cell Metabolism, 9：525-536, 2009UCLA(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

47、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（international Genetically Engineered Machine Competition， iGEM）Assembling Building Blocks for Novel FunctionsDNA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 f

48、or 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 for increased protein expression, synthetic biology, gene variants, RNAi trans-complemen

49、tation and much more. Information vs. ProcessingJust 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 biologyNature as a Computer Biological systems like DNA and RNA especially appear to be more than networks of information. RNA itself c

50、an be seen as a molecular decision networkE-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 allows many components driven by multiple algorithms with different timescales to coexist Comp

51、uter 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 metabolismDigital Cells MeetSynthetic Biology Model the circuit Validate the circuit Tinker with the circuit Then

52、 Alter the gene to build a new protein SNPs will give you a first approach See if the new protein is well toleratedGene Therapy Gene therapy using an Adenovirus vector. A new gene is inserted into an adenovirus vector, which is used to introduce the modified DNA into a human cell. If the treatment i

53、s 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 sequence of DNA Trick the cell into expressing it, then seeing it as an antigen to ward against

54、. 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, characterizedStem Cell TechnologyOnce you have an altered genome ready to test beyond a simple one cell environment, you leverage the ability of ste