第八章合成生物學(xué)(2)

1、合成生物學(xué)合成生物學(xué)Synthetic biology(概念、原理、應(yīng)用概念、原理、應(yīng)用)馬飛馬飛人工染色體人工染色體(技術(shù)技術(shù))BAC(細(xì)菌人工染色體細(xì)菌人工染色體)：Bacteria以細(xì)菌作為對(duì)象，將以細(xì)菌作為對(duì)象，將DNA片段與質(zhì)粒重組后轉(zhuǎn)片段與質(zhì)粒重組后轉(zhuǎn)入細(xì)菌中繁殖入細(xì)菌中繁殖YAC(酵母人工染色體酵母人工染色體)：Yeast以酵母作為對(duì)象以酵母作為對(duì)象PAC(噬菌體人工染色體噬菌體人工染色體)：Phagemid以噬菌體作為對(duì)象以噬菌體作為對(duì)象TAC(可轉(zhuǎn)化的細(xì)菌人工染色體可轉(zhuǎn)化的細(xì)菌人工染色體) MAC(哺乳類人工染色體哺乳類人工染色體)合成生物學(xué)應(yīng)運(yùn)而生合成生物學(xué)應(yīng)運(yùn)而生Synt

2、hetic BiologyWhat is Synthetic Biology? Taking an engineering approach to design and applying it to Biology 使用工程策略設(shè)計(jì)并應(yīng)用于生物學(xué)What is Synthetic Biology?1. Biology2. Chemistry3. Engineering4. Re-WritingBiologistsChemistsEngineers“Re-Writers”“The code is 3.6 billion years old. Its time for a re-write.” -

3、Tom KnightBiology“Test models by building them”合成生物學(xué)合成生物學(xué) 指人們將指人們將“基因基因”連接成網(wǎng)絡(luò)，讓細(xì)胞來(lái)連接成網(wǎng)絡(luò)，讓細(xì)胞來(lái)完成設(shè)計(jì)人員設(shè)想的各種任務(wù)。完成設(shè)計(jì)人員設(shè)想的各種任務(wù)。 例如把網(wǎng)絡(luò)同簡(jiǎn)單的細(xì)胞相結(jié)合，可提高生物例如把網(wǎng)絡(luò)同簡(jiǎn)單的細(xì)胞相結(jié)合，可提高生物傳感性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的傳感性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。位置。 再如向網(wǎng)絡(luò)加入人體細(xì)胞，可以制成用于器官再如向網(wǎng)絡(luò)加入人體細(xì)胞，可以制成用于器官移植的完整器官。移植的完整器官。人工合成脊髓灰白質(zhì)炎病毒人工合成脊髓灰白質(zhì)炎病毒cDNA 美國(guó)紐約大學(xué)美

4、國(guó)紐約大學(xué)Wimmer 實(shí)驗(yàn)室于實(shí)驗(yàn)室于2002年報(bào)年報(bào)道了化學(xué)合成道了化學(xué)合成 脊髓灰白質(zhì)炎病毒脊髓灰白質(zhì)炎病毒cDNA，并用并用RNA聚合酶將它轉(zhuǎn)聚合酶將它轉(zhuǎn) 成有感染活力的病成有感染活力的病毒毒RNA。 開辟了利用已知基因組序列，不需要天然模板，開辟了利用已知基因組序列，不需要天然模板，從化合物單體合成感染性病毒的先河。從化合物單體合成感染性病毒的先河。 Wimmer從裝配平均長(zhǎng)度為從裝配平均長(zhǎng)度為69 bp的寡核苷的寡核苷酸入手，結(jié)合了化學(xué)合成與無(wú)細(xì)胞體系的酸入手，結(jié)合了化學(xué)合成與無(wú)細(xì)胞體系的從頭合成，用了從頭合成，用了3 年時(shí)間完成了這個(gè)劃時(shí)代年時(shí)間完成了這個(gè)劃時(shí)代的工作。的工作。V

5、enter 實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了合成基因組實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了合成基因組 X-174 噬菌體基因是單鏈環(huán)狀噬菌體基因是單鏈環(huán)狀 DNA，是歷史上第一個(gè)被純，是歷史上第一個(gè)被純化的化的DNA 分子，也是第一個(gè)被測(cè)序的分子，也是第一個(gè)被測(cè)序的DNA分子。分子。 X- 174 噬菌體對(duì)動(dòng)植物無(wú)害，是合適的合成研究對(duì)象。噬菌體對(duì)動(dòng)植物無(wú)害，是合適的合成研究對(duì)象。 美國(guó)美國(guó)Venter 實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了合成基因組的工作，實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了合成基因組的工作， 該實(shí)驗(yàn)室只用該實(shí)驗(yàn)室只用兩周就合成了兩周就合成了 X-174 噬菌體基因噬菌體基因 (5,386bp) 。 Venter實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)改進(jìn)主要有：實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)改進(jìn)主要有： (1

6、)用凝膠來(lái)提純寡核苷酸以減少污染；用凝膠來(lái)提純寡核苷酸以減少污染； (2) 嚴(yán)格控制退火連接溫度來(lái)防止與不正確的序列發(fā)生連嚴(yán)格控制退火連接溫度來(lái)防止與不正確的序列發(fā)生連 接；接； (3)采用聚合酶循環(huán)裝置來(lái)裝配連結(jié)產(chǎn)物。采用聚合酶循環(huán)裝置來(lái)裝配連結(jié)產(chǎn)物。合成生物學(xué)國(guó)際會(huì)議合成生物學(xué)國(guó)際會(huì)議 2004 年年6 月在美國(guó)麻省理工學(xué)院舉行了第一屆月在美國(guó)麻省理工學(xué)院舉行了第一屆 合成生物合成生物學(xué)國(guó)際會(huì)議。學(xué)國(guó)際會(huì)議。 會(huì)上除討論了科學(xué)與技術(shù)問(wèn)會(huì)上除討論了科學(xué)與技術(shù)問(wèn) 題外，還討論了合成生物學(xué)題外，還討論了合成生物學(xué)當(dāng)前與將來(lái)的生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，有關(guān)倫理學(xué)問(wèn)題，以及知識(shí)產(chǎn)當(dāng)前與將來(lái)的生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，有關(guān)倫理學(xué)

7、問(wèn)題，以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。權(quán)問(wèn)題。 隨著這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)于合成生物學(xué)的安全性的考慮愈隨著這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)于合成生物學(xué)的安全性的考慮愈來(lái)愈多。來(lái)愈多。 現(xiàn)在不僅通過(guò)合成生成病毒，而且已經(jīng)可以合成細(xì)菌?，F(xiàn)在不僅通過(guò)合成生成病毒，而且已經(jīng)可以合成細(xì)菌。合成生物學(xué)開辟了設(shè)計(jì)生命的前景合成生物學(xué)開辟了設(shè)計(jì)生命的前景 一方面有可能合成模仿生命物質(zhì)特點(diǎn)的人一方面有可能合成模仿生命物質(zhì)特點(diǎn)的人工化學(xué)系統(tǒng)；另一方面也可能重新設(shè)計(jì)微工化學(xué)系統(tǒng)；另一方面也可能重新設(shè)計(jì)微生物生物 如如Keasling 實(shí)驗(yàn)室向大腸桿菌中導(dǎo)入青蒿與酵實(shí)驗(yàn)室向大腸桿菌中導(dǎo)入青蒿與酵母的基因，使大腸桿菌能在調(diào)節(jié)下合成青蒿素，母的基因，使

8、大腸桿菌能在調(diào)節(jié)下合成青蒿素，從而顯示了有效而價(jià)廉的治療瘧疾的前景從而顯示了有效而價(jià)廉的治療瘧疾的前景 合成生物學(xué)今后將能生成自然界不存在的新的合成生物學(xué)今后將能生成自然界不存在的新的微生物。微生物。應(yīng)用示例應(yīng)用示例 Schultz 實(shí)驗(yàn)室研究向大腸桿菌蛋白質(zhì)生物合成裝置中添實(shí)驗(yàn)室研究向大腸桿菌蛋白質(zhì)生物合成裝置中添入新組份，使之能通過(guò)基因生成非天然的氨基酸，結(jié)果取入新組份，使之能通過(guò)基因生成非天然的氨基酸，結(jié)果取得了成功。但是要在真核細(xì)胞做到這一點(diǎn)還有難度。得了成功。但是要在真核細(xì)胞做到這一點(diǎn)還有難度。 2003年，年，Schultz 實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了一種向酵母加實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了一種向酵母加 入非天

9、然入非天然氨基酸密碼子的方法，成功地向蛋白質(zhì)中導(dǎo)入了氨基酸密碼子的方法，成功地向蛋白質(zhì)中導(dǎo)入了5 種氨基種氨基酸。酸。 目前，能摻入到蛋白質(zhì)的非天然氨基酸已有目前，能摻入到蛋白質(zhì)的非天然氨基酸已有80多種。多種。 今后將可以直接向蛋白質(zhì)導(dǎo)入順磁標(biāo)記、金屬結(jié)合、光敏今后將可以直接向蛋白質(zhì)導(dǎo)入順磁標(biāo)記、金屬結(jié)合、光敏異構(gòu)化等的氨基酸，促進(jìn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究。異構(gòu)化等的氨基酸，促進(jìn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究。應(yīng)用示例應(yīng)用示例 Brenner 提出向細(xì)胞提出向細(xì)胞DNA中摻入天然不存中摻入天然不存在的堿基來(lái)發(fā)展人工遺傳系統(tǒng)在的堿基來(lái)發(fā)展人工遺傳系統(tǒng), 支持支持人工人工生命形式生命形式。 合成生物學(xué)也將

10、對(duì)生命起源，其他生命形合成生物學(xué)也將對(duì)生命起源，其他生命形式的研究作出貢獻(xiàn)。式的研究作出貢獻(xiàn)?？刂粕刂粕?目前，研究人員正在試圖控制細(xì)胞的行為，研制目前，研究人員正在試圖控制細(xì)胞的行為，研制不同的基因線路不同的基因線路即特別設(shè)計(jì)的、相互影響即特別設(shè)計(jì)的、相互影響的基因。的基因。 波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師科林斯已研制出一種波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師科林斯已研制出一種“套環(huán)開關(guān)套環(huán)開關(guān)”，所選擇的細(xì)胞功能可隨意開關(guān)。，所選擇的細(xì)胞功能可隨意開關(guān)。 加州大學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)教授埃羅維茨等人研究加州大學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路：出另外一種線路： 當(dāng)某種特殊蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化時(shí)

11、，細(xì)胞能在發(fā)光狀當(dāng)某種特殊蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到有機(jī)振蕩器的作用，態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到有機(jī)振蕩器的作用，打開了利用生物分子進(jìn)行計(jì)算的大門。打開了利用生物分子進(jìn)行計(jì)算的大門。 維斯維斯和加州理工學(xué)院化學(xué)工程師和加州理工學(xué)院化學(xué)工程師阿諾爾阿諾爾一一起，采用起，采用“定向進(jìn)化定向進(jìn)化”的方法，精細(xì)調(diào)整的方法，精細(xì)調(diào)整研制線路，將基因網(wǎng)絡(luò)插入細(xì)胞內(nèi)，有選研制線路，將基因網(wǎng)絡(luò)插入細(xì)胞內(nèi)，有選擇性地促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。擇性地促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。發(fā)展方向發(fā)展方向 維斯維斯目前正在研究另外一群稱為目前正在研究另外一群稱為“規(guī)則系統(tǒng)規(guī)則系統(tǒng)”的的基因，他希望細(xì)菌能估計(jì)刺激

12、物的距離，并根據(jù)基因，他希望細(xì)菌能估計(jì)刺激物的距離，并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)。距離的改變做出反應(yīng)。 該項(xiàng)研究可用來(lái)探測(cè)地雷位置該項(xiàng)研究可用來(lái)探測(cè)地雷位置(TNT：生物傳感器：生物傳感器)。 維斯另一項(xiàng)大膽的計(jì)劃是為成年干細(xì)胞編程維斯另一項(xiàng)大膽的計(jì)劃是為成年干細(xì)胞編程 促進(jìn)某些干細(xì)胞分裂成骨細(xì)胞、肌肉細(xì)胞或軟骨細(xì)胞促進(jìn)某些干細(xì)胞分裂成骨細(xì)胞、肌肉細(xì)胞或軟骨細(xì)胞等，讓細(xì)胞去修補(bǔ)受損的心臟或生產(chǎn)出合成膝關(guān)節(jié)。等，讓細(xì)胞去修補(bǔ)受損的心臟或生產(chǎn)出合成膝關(guān)節(jié)。 盡管該工作尚處初級(jí)階段，但卻是生物學(xué)調(diào)控領(lǐng)盡管該工作尚處初級(jí)階段，但卻是生物學(xué)調(diào)控領(lǐng)域中重要的進(jìn)展。域中重要的進(jìn)展。J. Craig Venter

13、：基因組替換：基因組替換 成功利用基因組取代技術(shù)，將一種細(xì)菌改變?yōu)榱沓晒没蚪M取代技術(shù)，將一種細(xì)菌改變?yōu)榱硪环N與之親緣關(guān)系較為緊密的另一細(xì)菌。這種由一種與之親緣關(guān)系較為緊密的另一細(xì)菌。這種由J. Craig Venter 進(jìn)行的進(jìn)行的 “移植移植(transplantation)”技術(shù)，有望將合成基因組插入細(xì)胞，用于生產(chǎn)合技術(shù)，有望將合成基因組插入細(xì)胞，用于生產(chǎn)合成生命。成生命。 用用Mycoplasma mycoides（蕈狀支原體（蕈狀支原體 ）的基因組）的基因組取代與之關(guān)系密切的取代與之關(guān)系密切的 Mycoplasma capricolum(山羊山羊支原體支原體)的基因組的基因組 C

14、. Lartigue et al. Genome transplantation in bacteria: Changing one species to another Science, June 28, 2007.人類歷史上第一個(gè)人造染色體合成成功人類歷史上第一個(gè)人造染色體合成成功美科學(xué)家稱美科學(xué)家稱“人造生命人造生命”技術(shù)已被掌握技術(shù)已被掌握最具爭(zhēng)議的美國(guó)著名科學(xué)家克雷格最具爭(zhēng)議的美國(guó)著名科學(xué)家克雷格文特爾宣布，他的研究小組已經(jīng)文特爾宣布，他的研究小組已經(jīng)合成出人類歷史上首個(gè)人造染色體，合成出人類歷史上首個(gè)人造染色體，并有可能創(chuàng)造出首個(gè)永久性生命并有可能創(chuàng)造出首個(gè)永久性生命形式，以此作為

15、應(yīng)對(duì)疾病和全球變暖的潛在手段形式，以此作為應(yīng)對(duì)疾病和全球變暖的潛在手段。該研究部分由美國(guó)能源部出資，希望藉此研制出新型環(huán)保燃料。由文該研究部分由美國(guó)能源部出資，希望藉此研制出新型環(huán)保燃料。由文特爾召集，諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者漢密爾頓特爾召集，諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者漢密爾頓史密斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在史密斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在這方面已經(jīng)進(jìn)行了這方面已經(jīng)進(jìn)行了5年研究。年研究。文特爾已用化學(xué)藥品在實(shí)驗(yàn)室中研制出一種合成染色體。文特爾已用化學(xué)藥品在實(shí)驗(yàn)室中研制出一種合成染色體。文特爾研究小組研制出的這種新型染色體即實(shí)驗(yàn)室合成支原體文特爾研究小組研制出的這種新型染色體即實(shí)驗(yàn)室合成支原體(Mycoplasma labor

16、atorium)，是一種經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化拼接的生殖支原體，是一種經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化拼接的生殖支原體(Mycoplasma genitalium)DNA序列，他們將這種合成支原體移植到序列，他們將這種合成支原體移植到活細(xì)胞中，使之在細(xì)胞中起主控作用，變換成一種新的染色體?；罴?xì)胞中，使之在細(xì)胞中起主控作用，變換成一種新的染色體。按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，最終這個(gè)染色體將控制這個(gè)細(xì)胞并變成一個(gè)新的生命按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，最終這個(gè)染色體將控制這個(gè)細(xì)胞并變成一個(gè)新的生命形式。形式。這種新單細(xì)胞生物體被命名為這種新單細(xì)胞生物體被命名為“合成器合成器”，受，受381個(gè)基因控制，包含個(gè)基因控制，包含56萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)。萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)。這些基因是維持細(xì)菌

17、生命所必備的，使它能夠攝食和這些基因是維持細(xì)菌生命所必備的，使它能夠攝食和繁殖。由于新的生物體是在現(xiàn)存生物體上搭建，其繁殖和新陳代謝仍繁殖。由于新的生物體是在現(xiàn)存生物體上搭建，其繁殖和新陳代謝仍然依賴原來(lái)生物體的胞內(nèi)機(jī)制。然依賴原來(lái)生物體的胞內(nèi)機(jī)制。從這一角度看，它并非完全意義上的新型生命形式。但這種給特定基從這一角度看，它并非完全意義上的新型生命形式。但這種給特定基因賦予特定任務(wù)的觀點(diǎn)已被眾多生物學(xué)家廣泛接受。因賦予特定任務(wù)的觀點(diǎn)已被眾多生物學(xué)家廣泛接受。 “這是人類自然科學(xué)史上一次重大進(jìn)步，顯示人這是人類自然科學(xué)史上一次重大進(jìn)步，顯示人類正在從閱讀基因密碼走向有能力重新編寫密碼，類正在從閱

18、讀基因密碼走向有能力重新編寫密碼，這將賦予科學(xué)家新的能力，從事以前從未做過(guò)的這將賦予科學(xué)家新的能力，從事以前從未做過(guò)的研究。研究。” 他希望這項(xiàng)突破有助于發(fā)展新能源，應(yīng)對(duì)氣候變化造他希望這項(xiàng)突破有助于發(fā)展新能源，應(yīng)對(duì)氣候變化造成的負(fù)面影響。如創(chuàng)造出具有特殊功能的新微生物，成的負(fù)面影響。如創(chuàng)造出具有特殊功能的新微生物，可被用作替代石油和煤炭的綠色燃料，或用來(lái)幫助清可被用作替代石油和煤炭的綠色燃料，或用來(lái)幫助清除危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)或輻射等；還可用來(lái)合成能吸收過(guò)多除危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)或輻射等；還可用來(lái)合成能吸收過(guò)多二氧化碳的細(xì)菌，為解決氣候變暖貢獻(xiàn)力量。二氧化碳的細(xì)菌，為解決氣候變暖貢獻(xiàn)力量。 然而制造永久生命

19、形式的前景極具爭(zhēng)議性，有可然而制造永久生命形式的前景極具爭(zhēng)議性，有可能激起道德、倫理等方面的激烈辯論。能激起道德、倫理等方面的激烈辯論。 加拿大生物倫理學(xué)組織加拿大生物倫理學(xué)組織ETC團(tuán)體主任帕特團(tuán)體主任帕特穆尼說(shuō)，穆尼說(shuō)，文特爾制造出了文特爾制造出了“一個(gè)基架，在此基架上人們幾一個(gè)基架，在此基架上人們幾乎可以制造出任何東西乎可以制造出任何東西”，“它可以用于研究新它可以用于研究新型藥物，也可以用于對(duì)人類產(chǎn)生巨大威脅的生物型藥物，也可以用于對(duì)人類產(chǎn)生巨大威脅的生物武器武器”。2009：Venter：Science 把蕈狀支原體的基因組加以改造，使它能把蕈狀支原體的基因組加以改造，使它能夠終移植

20、到山羊支原體內(nèi)，形成了一個(gè)新夠終移植到山羊支原體內(nèi)，形成了一個(gè)新的蕈狀支原體細(xì)胞。的蕈狀支原體細(xì)胞。 這也是今年這篇科研論文的雛形，在國(guó)外這也是今年這篇科研論文的雛形，在國(guó)外的科學(xué)媒體上曾經(jīng)引發(fā)熱烈的討論。的科學(xué)媒體上曾經(jīng)引發(fā)熱烈的討論。2010年的重要大事：年的重要大事： “人造生命人造生命”誕生誕生 John Craig Venter攪亂了攪亂了(生命生命)科學(xué)界科學(xué)界用化學(xué)合成的基因組構(gòu)建一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞用化學(xué)合成的基因組構(gòu)建一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞Venter的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)http:/www.science- 實(shí)驗(yàn)對(duì)象：蕈狀支原體。實(shí)驗(yàn)對(duì)象：蕈狀支原體。 支原體是已知的可以自由生活的最小生物支原體是已知

21、的可以自由生活的最小生物,也是最小的原核細(xì)胞。也是最小的原核細(xì)胞。 是一種原核微生物是一種原核微生物, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，基因組僅有一百多萬(wàn)堿基對(duì)，遠(yuǎn)小內(nèi)部結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，基因組僅有一百多萬(wàn)堿基對(duì)，遠(yuǎn)小于真核生物基因組十億級(jí)的堿基數(shù)量，這也是于真核生物基因組十億級(jí)的堿基數(shù)量，這也是Venter選擇操作它的原因。選擇操作它的原因。 Venter早在早在1995年就對(duì)生殖支原體測(cè)序，并致力于研究維持自由生命的年就對(duì)生殖支原體測(cè)序，并致力于研究維持自由生命的最小基因組。最小基因組。 在在2008年，年，Venter的團(tuán)隊(duì)合成了長(zhǎng)達(dá)的團(tuán)隊(duì)合成了長(zhǎng)達(dá)59萬(wàn)堿基對(duì)的生殖支萬(wàn)堿基對(duì)的生殖支原體基因組。原體基因組。

22、 此后，他們選擇生長(zhǎng)速度更快的蕈狀支原體來(lái)做實(shí)驗(yàn)。此后，他們選擇生長(zhǎng)速度更快的蕈狀支原體來(lái)做實(shí)驗(yàn)。 如果僅僅從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，如果僅僅從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，Venter做了一個(gè)無(wú)懈可擊的實(shí)驗(yàn)，做了一個(gè)無(wú)懈可擊的實(shí)驗(yàn)，“人造生命人造生命”思路和流程都做得無(wú)懈可擊。思路和流程都做得無(wú)懈可擊。三個(gè)步驟：合成、組裝和移植三個(gè)步驟：合成、組裝和移植 合成合成 ： 蕈狀支原體的基因組是一條大片段的蕈狀支原體的基因組是一條大片段的DNA分子，序列是分子，序列是A、T、G、C四種脫氧核糖核苷酸的排列組合。四種脫氧核糖核苷酸的排列組合。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定維持其生命周期的最小基因組，并加上通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定維持其生命周期的最小基因組，

23、并加上4個(gè)個(gè)“水印基因水印基因”作為標(biāo)記。作為標(biāo)記。 用計(jì)算機(jī)精確計(jì)算需要合成用計(jì)算機(jī)精確計(jì)算需要合成DNA分子序列，并用化學(xué)方分子序列，并用化學(xué)方法合成法合成A、T、G、C堿基，并使其按所要求序列延伸。堿基，并使其按所要求序列延伸。 這是它被稱為這是它被稱為“人造生命人造生命”或者或者“化學(xué)合成化學(xué)合成”的關(guān)鍵。的關(guān)鍵。 Venter用化學(xué)方法合成了一千多個(gè)約用化學(xué)方法合成了一千多個(gè)約1kb的的DNA片段，片段，作為這次組裝的基本材料。作為這次組裝的基本材料。 組裝：組裝： 因?yàn)楹铣缮飳W(xué)技術(shù)上的局限，不能直接合成上萬(wàn)堿因?yàn)楹铣缮飳W(xué)技術(shù)上的局限，不能直接合成上萬(wàn)堿基對(duì)的基對(duì)的DNA大分子，

24、所以大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒等人巧妙地借助啤酒酵母和大腸桿菌的幫助，把酵母和大腸桿菌的幫助，把1Kb的的DNA分子有序準(zhǔn)確分子有序準(zhǔn)確的連成超過(guò)的連成超過(guò)1000kb的片段。的片段。 移植：移植： Venter等把這個(gè)合成基因組移植到不含限制性酶切系等把這個(gè)合成基因組移植到不含限制性酶切系統(tǒng)的山羊支原體中，基因組能使用后者的酶系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)的山羊支原體中，基因組能使用后者的酶系統(tǒng)進(jìn)行自我復(fù)制，經(jīng)過(guò)多代繁殖后，長(zhǎng)成的菌落已經(jīng)純粹由自我復(fù)制，經(jīng)過(guò)多代繁殖后，長(zhǎng)成的菌落已經(jīng)純粹由蕈狀支原體組成。蕈狀支原體組成。Venter：“創(chuàng)造了一個(gè)計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了一個(gè)計(jì)算機(jī)為父母的生命為父母的生命”J

25、CVI：將：將8個(gè)由個(gè)由60個(gè)核苷酸組成的個(gè)核苷酸組成的DNA片段，片段，首次人工合成實(shí)驗(yàn)老鼠的線粒體基因組首次人工合成實(shí)驗(yàn)老鼠的線粒體基因組 使用使用8個(gè)只含有個(gè)只含有60個(gè)核苷酸的個(gè)核苷酸的DNA片段，讓片段，讓它們同酶和化學(xué)試劑的混合物相結(jié)合，在它們同酶和化學(xué)試劑的混合物相結(jié)合，在50下孵化下孵化1小時(shí)，小時(shí)，5天內(nèi)合成出了實(shí)驗(yàn)鼠天內(nèi)合成出了實(shí)驗(yàn)鼠的線粒體基因組，得到的基因組能夠糾正的線粒體基因組，得到的基因組能夠糾正具有線粒體缺陷的細(xì)胞內(nèi)的異常。具有線粒體缺陷的細(xì)胞內(nèi)的異常。 用途：生物能源、生物除污用途：生物能源、生物除污 Venter下一步的計(jì)劃就是合成某種海藻基下一步的計(jì)劃就是合

26、成某種海藻基因組，這種新型海藻可以通過(guò)光合作用把因組，這種新型海藻可以通過(guò)光合作用把空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成汽油或者柴油等空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成汽油或者柴油等清潔能源，從而有效解決目前的氣候變化清潔能源，從而有效解決目前的氣候變化和能源危機(jī)。和能源危機(jī)。 疫苗、藥物、生物能源、生物除污等疫苗、藥物、生物能源、生物除污等What is Synthetic Biology?從原理角度來(lái)看從原理角度來(lái)看Synthetic BiologyUndergraduates in Synthetic Bernational Genetically Engineered Machineshttp:/p

27、/registry/index.php/Main_PageLego Assembly for DNA Parts/registry/index.php/Assembly:Standard_assemblySelf-organized Pattern FormationWhat can you make in SB?Arsenic Detector膿毒癥砷L(zhǎng)ecture overview What weve talked about so far The study of biological systems, from compon

28、ents and interactions to dynamics Overview Our understanding of systems is complete when we can design our own DNA synthesis technologiesModifying life Biotechnology Techniques that use living organisms or parts of organisms to produce a variety of products (from medicines to industrial enzymes) Gen

29、etic Engineering Introduction of genetic changes (add, modify, delete) into an organism to achieve some goal Synthetic Biology Create novel biological functions and tools by modifying or integrating well-characterized biological components (i.e. genes, promoters) into higher order genetic networks S

30、ynthetic Biology History 1970 First gene synthesized from scratch (alanine tRNA) 1978 Nobel prize awarded to Werner Arber, Daniel Nathans and Hamilton Smith for the discovery of restriction enzymes 1978 (Boyer at UCSF) A synthetic version of the human insulin gene was constructed and inserted into t

31、he bacterium E. coli. 1980 Kary Mullis invents PCR 1991 Affymetrix chip-based oligonucleotide synthesis 2003 First iGEM competition, creation of standardized parts libraries at MITBiotechnology 1.0 Research Workflow1. Concept2. Collect DNA fragments (PCR, isolation, vendors, etc)6. Transform7. Test3

32、. Bench work5. Verify DNA4. SequenceDNA synthesis costs are dropping For example the bacteria Mycoplasma genitalium has the smallest genome out of all living cells: 517 genes over 580 kb. Minimal costs of oligo creation (not including error-checking): Mid 1990s: $1/bp = $580,000 Circa 2000: $0.35/bp

33、 = $203,000 2006: $0.11/bp = $63,800 Ambitious prediction of not-too-distant future (Church et al, 2004): $0.00005/bp = $29Synthesis lengths are increasingCommercial DNA Synthesis CompaniesData Source: Rob Carlson, U of W, SeattleBioneerSouth KoreaCinnagenTehran, IranTakara BiosciencesDalian, ChinaI

34、nqaba BiotecPretoria, South AfricaFermentasVilnius, LithuaniaBio S&T, Alpha DNA,BiocorpMontreal, CanadaGENEARTRegensberg, GermanyMWGBangalore, IndiaZelinsky InstituteMoscow, RussiaScinoPharmShan-hua, TaiwanGenosphereParis, FranceBiolegioMalden, NetherlandsAmbionAustin, TexasBiosearchNovato, Californ

35、iaBio-SynthesisLewisville, TexasChemgenesWilmington, Mass.BioSpringFrankfurt am Main, GermanyBiosourceCamarillo, CADharmaconLafaette, Co.CyberGene ABNovum, SwedenCortec DNAKingston, Ontario, CAEurogentecBelgium, U.K.DNA TechnologyAarhus, DenmarkGenemed SynthesisS. San Francisco, CADNA 2.0Menlo Park,

36、 CAMetabionMunich, GermanyMicrosynthBalgach, SwitzerlandJapan Bio ServicesJapanBlue Heron BiotechnologyBothell, WAGeneworksAdelaide, AustraliaImperial Bio-MedicChandigarh, IndiaBioserve BiotechnologiesHyderabad, IndiaGenelinkHawthorne, NY.DNA Synthesis (Caruthers method)Error Rate: 1%0.9950 = 0.6030

37、0 seconds per stepMicroarray oligonucleotide synthesisThe power of parallelismChip-based versus linear synthesisOligonucleotides synthesizedSingle-stranded fragments of 50-90nucleotides 3-overlapping next fragment by 17 nucleotides (Tm calculated 52-56)Steps 1 to 5 involve multiple rounds of PCR (he

38、ating to 95, cooling to 56, and PCR at 72).Number of rounds depends on number of fragments. Carried out by PCR machine.Final step of amplification of complete genedriven by use of excess of terminal single-stranded fragmentsPCR-based oligo ligationIn theory, the scale of synthesis is unlimitedBiotec

39、hnology 2.0 Research Workflow 1. Concept2. Design / debug/ test4. Design oligos6. Transform7. Test5. Synthesize DNA3. Run codeWhat are the implications of DNA synthesis capacity + freedom of information?The problem: “Dual Use” Research Dual use research includes life sciences research:qWith legitima

40、te scientific purpose qThat may be misused to pose a biologic threat to public health and/or national security.How easy is it to get this technology?What can we do?Number of IndividualsIndividuals IntenthonorabledishonorableBin Laden Genetics, Inc.DisgruntledResearcherGarage Bio-HackerBasicResearche

41、rRisk spectrumBasic logic circuitsBorrowing from electrical engineeringProtein Expression Basics RNA polymerase binds to promoter RNAP transcribes gene into messenger RNA Ribosome translates messenger RNA into proteinZZ PromoterZ GeneProteinTranscriptionDNATranslationMessenger RNARegulation Through

42、Repression and Induction Repressor proteins can bind to the promoter and block the RNA polymerase from performing transcription The DNA site near the promoter recognized by the repressor is called an operator The target gene can code for another repression protein enabling regulatory cascadesZ Promo

43、ter& OperatorZ GeneR GeneRRR PromoterTranscriptionTranslation DNA BindingLogic Circuits Proteins are the wires/signals Promoters + decay implement the gates Any finite-state digital circuit can be built For example, X or Y ZXYR1ZR1R1XYZ=genegenegeneTranscription-Based Inverter Protein concentrations

44、 are analogous to electrical current BUT proteins do not function in an isolated system and need to be unique0110RRZSimple Inverter Model00.80.81Input Protein ConcentrationOutput Protein ConcentrationROperatorZ GeneZRCooperativity Cooperative DNA binding is where the binding of o

45、ne protein increases the likelihood of a second protein binding Cooperativity adds more non-linearity to the system Increases switching sensitivity Improves robustness to noiseZ Promoter& OperatorZ GeneR GeneRRR PromoterTranscriptionTranslation CooperativeDNA BindingR00.80.81Inpu

46、t Protein ConcentrationOutput Protein ConcetrationNo CoopCoopCooperative Inverter ModelRROperatorZ GeneZRBioCircuit Computer-Aided DesignSPICEBioSPICEsteady statedynamicsintercellular BioSPICE: a prototype biocircuit CAD tool simulates protein and chemical concentrations intracellular circuits, inte

47、rcellular communication single cells, small cell aggregatesGenetic Circuit ElementsinputmRNAribosomepromoteroutputmRNAribosomeoperatortranslationtranscriptionRNApRBSRBSA BioSPICE Inverter Simulationinputoutputrepressorpromoter They work in vivo Flip-flop (Gardner & Collins, 2000) Ring oscillator (El

48、owitz & Leibler, 2000) However, cells are very complex environments Current modeling techniques poorly predict behavior“Proof of Concept” Circuitstime (x100 sec)ACBB_S_RA_RB_SAtime (x100 sec)time (x100 sec)RS-Latch (“flip-flop”)Ring oscillatorCellular Logic Summary Current systems are limited to les

49、s than a dozen gates Three inverter ring oscillator (Elowitz, 2000) RS latch (Gardner, 2000) Inter-cell communication (Weiss, 2001) A natural repressor-based logic technology presents serious scalability issues Scavenging natural repressor proteins is time consuming Matching natural repressor protei

50、ns to work together is difficultCellular Logic Summary Sophisticated synthetic biological systems require a scalable cellular logic technology with good cooperativity Zinc-finger proteins can be engineered to create many unique proteins relatively easily Zinc-finger proteins can be fused with dimeri

51、zation domains to increase cooperativity A cellular logic technology of only zinc-finger proteins should hopefully be easier to characterizeSingle Zinc-Finger StructureDNA Three BaseRecognition RegionZinc AtomAlphaHelixTwoBetaSheetsPoly-Finger ZFPsA.C. Jamieson, J.C. Miller, and C.O. Pabo. Drug disc

52、overy with engineered zinc-finger proteins. Nature Reviews Drug Discovery, May 2003Complex systemsQ: But if we dont fully understand all the rules of biology, how can we create anything more than basic systems?A: We can press our limits by modularizing and simplifying as much as possible. Standardiz

53、ation of Components Predictable performance Off-the-shelf Mechanical Engineering (1800s) & the manufacturing revolution (e.g. Henry Ford) Abstraction Insulate relevant characteristics from overwhelming detail Simple components that can be used in combination From Physics to Electrical Engineering (1

54、900s) Decoupling Design & Fabrication Rules insulating design process from details of fabrication Enable parts, device, and system designers to work together VLSI electronics (1970s)Enabling Synthetic BiologyCharacterization Catalog input-output characteristics of existing and new parts/devices Stan

55、dardization Physical connections Functional connections PerformancePoPSINPoPSOUTSB works via three layers of abstractionDevicesPartsSystemsAbstraction in biologyDevicesPartsSystemsBarriers- Technological- Legal- EthicalSynthetic Biology: Intellectual Property Relationship of synthetic biology to int

56、ellectual property law has been largely unexplored. The relevant research space already contains broad patents on foundational technology. Synthetic biology commons? Tools of open source property rights coupled with viral licensingSynthetic Biology: Intellectual Property What is patentable and/or co

57、pyrightable? Broad biological functions Specific sequences Specific uses Sources of uncertainty in synthetic biology as related to IPR definitions What are effects of alternate definitions of what is patentable and copyrightable on: Development of field? Efficiency? Justice? Synthetic Biology: Intel

58、lectual Property Patents on fundamental ideas in synthetic biology Example: A patent on the idea of a biological part: a piece of DNA with specific function that can be combined with another part in a predefined fashion. Such a patent would be impossible to circumvent. It represents a fundamental co

59、ncept that underpins synthetic biology. See Stanford patent on System and method for simulating operation of biochemical systems. United States Patent 5914891 Synthetic Biology: Intellectual Property Patents on fundamental biological functions Example: A patent on a genetically-encoded inverter Such

60、 a patent would be almost impossible to circumvent because it represents a basic biological function that is of use in a range of synthetic biological systems. See US Dept of Health patent on Molecular computing elements, gates and flip-flops. United States Patent 6774222 See Boston University paten