(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt

內(nèi)容1.合成生物學(xué)的發(fā)展歷史及概念2.研究方式和工具3.

合成生物學(xué)的研究方向4.展望內(nèi)容1.合成生物學(xué)的發(fā)展歷史及概念2.研究方式和工具315.1合成生物學(xué)的發(fā)展史及概念（1）合成生物學(xué)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(yù)言了合成生物學(xué)的誕生。1980年Hobom引入了合成生物學(xué)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(xué)在生物體系的應(yīng)用，為合成生物學(xué)奠定基礎(chǔ)。15.1合成生物學(xué)的發(fā)展史及概念（1）合成生物學(xué)的發(fā)展史20世紀提出的概念用現(xiàn)有的有機化學(xué)和生物化學(xué)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。20世紀提出的概念

美國基因組學(xué)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。

美國基因組學(xué)先驅(qū)克萊格·凡特，在他位于馬里(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt（2）合成生物學(xué)合成生物學(xué)學(xué)是生物科學(xué)在二十一世紀剛剛出現(xiàn)的一個分支學(xué)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(fù)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。（2）合成生物學(xué)

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。

合成生物包含的內(nèi)容基因合成

構(gòu)建人工生命體基PersonalizedMedicinePhysicalenhancement:

荷爾蒙,義肢的使用EnhancingEvolution:

使人聰明的藥Bionicman生化人

Better,stronger,fasterPersonalizedMedicine15.2合成生物學(xué)的研究方法和工具（1）合成生物學(xué)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，容易進行模塊化得組合，即從零件到器件再到系統(tǒng)。

15.2合成生物學(xué)的研究方法和工具（1）合成生物學(xué)的研究方合成生物學(xué)包含工程學(xué)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。合成生物學(xué)包含工程學(xué)的理念，任何一個

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。2004年，美國就成功在一位半身不遂的男性患標準化抽象化復(fù)雜系統(tǒng)去偶合DrewEndy(MIT)

合成生物學(xué)工程化三原則：標準化DrewEndy(MIT)合成生物學(xué)工程化三原則

EndycreatedthecomicbookAdventuresinSyntheticBiologytohelpexplainhisworktostudentsandotherscientists.

Endycreatedthecomicboo標準化

從可更的換部件庫，快速構(gòu)建多組分體系，包括建立生物學(xué)功能、試驗的檢測條件及系統(tǒng)做出等通用、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。標準化從可更的換部件庫，快速構(gòu)建多組分體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(xué)部件。2003MIT成立了標準生物部件登(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt

將一個復(fù)雜的問題分解成若干可操作的獨立的簡單問題。復(fù)雜系統(tǒng)去偶合將一個復(fù)雜的問題分解成若干可操作的獨立的簡單

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)抽象化：將生物功能單元劃分為不同層次。

（2）合成生物學(xué)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（2）合成生物學(xué)的組成工具生物部件器件系統(tǒng)模塊

標準生物部件具有特定生物學(xué)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、終止子標準生物部件(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt

合成生物學(xué)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(fù)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。合成生物學(xué)的研究方向創(chuàng)建新的基因調(diào)控模塊和線路基因線路基因線路1）基因撥動開關(guān)e.g.E.coli報告基因誘導(dǎo)物A阻遏物A啟動子B啟動子A阻遏物B誘導(dǎo)物B1）基因撥動開關(guān)e.g.E.coli報告基

通過加入不同的誘導(dǎo)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。通過加入不同的誘導(dǎo)物實現(xiàn)開關(guān)在兩個穩(wěn)定態(tài)之2）基因振蕩器FT1激活它本身和FT2；FT2過量，會抑制FT12）基因振蕩器FT1激活它本身和FT2；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。3）大腸桿菌成像系統(tǒng)

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將藻膽青素合成基因(ho1和pcyA)轉(zhuǎn)入大腸

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。生命體代謝途徑的重新構(gòu)建代謝途徑改造----調(diào)節(jié)核心組件優(yōu)化途徑

不同的生物學(xué)途徑提取出來優(yōu)化整合到宿主細胞合成目標化學(xué)物質(zhì)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(xué)途

1.

生物質(zhì)能和乙醇發(fā)酵微生物E.Coli的乙醇代謝重組菌：具有五碳糖和六碳糖代謝酶系混合酸發(fā)酵乙醇耐受能力低綠色植物和海洋藻類合成的有機物（生物質(zhì)）約2200億噸，相當于人類當前每年全部能耗的10倍。

1.生物質(zhì)能和乙醇發(fā)酵微生物E.Coli的乙醇代謝可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的部分微生物及其主要底物可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的部分微生物及其主要底物酵母的乙醇代謝工程

釀酒酵母是工業(yè)上生產(chǎn)乙醇的優(yōu)良菌株，與細菌相比具有較高的乙醇耐受力，對纖維素水解液中的抑制物有較高的抗性。缺點

釀酒酵母缺乏木糖轉(zhuǎn)化為木酮糖所需的酶，因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。對其菌種改造涉及木糖跨膜運輸、吸收利用、磷酸戊糖途徑、糖酵解及胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的維持等多個方面。酵母的乙醇代謝工程釀酒酵母是工業(yè)上生產(chǎn)乙酵母的木糖代謝工程酵母的木糖代謝工程運動發(fā)酵單胞菌的乙醇代謝工程運動發(fā)酵單胞菌的乙醇代謝工程

大腸桿菌的乙醇代謝工程EMP大腸桿菌的乙醇代謝工程EMP主要優(yōu)勢大腸桿菌能夠利用非常廣泛的碳源，其中包括六碳糖(葡萄糖，果糖)和五碳糖(木糖，阿拉伯糖)以及糖酸等物質(zhì)，這一特性使得大腸桿菌能利用木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)生的各種糖類，同時又由于大腸桿菌遺傳背景清楚，因此在原核微生物乙醇代謝工程以及木質(zhì)纖維素的高效利用中具有重要的研究價值。

大腸桿菌的乙醇代謝工程主要優(yōu)勢大腸桿菌的乙醇代謝工程大腸桿菌乙醇代謝工程中存在的問題1.大腸桿菌乙醇耐受能力低2.乙醇脫氫酶和丙酮酸脫羧酶在大腸桿菌中的表達研究不夠充分3.競爭性代謝支路使得一部分碳源不能有效的轉(zhuǎn)化成乙醇大腸桿菌乙醇代謝工程中存在的問題1.大腸桿菌乙醇耐受能力低(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt梭菌梭菌(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt誘導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品

利用來自多種生物的基因及用來生產(chǎn)脂肪酸的生化途徑,用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造出一些代謝模塊,插入微生物后,通過不同的組合,這些模塊可以誘導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品。他們通過計算,設(shè)計制造出微生物以所希望的方式生產(chǎn)并分泌出長度及分子結(jié)構(gòu)符合公司要求的烴分子。誘導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品不需要能耗非常高的乙醇精餾技術(shù),從而可使能耗降低65%;由于采用了合成生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)創(chuàng)造微生物這種尖端技術(shù),而且這種石油烴是可再生的、清潔的、國內(nèi)可生產(chǎn)的、成本可競爭的、與現(xiàn)有的汽車發(fā)動機及汽油供應(yīng)系統(tǒng)是可兼容的.29歲的Berry獲得了MIT“技術(shù)評論”2007年TR35的最高獎(2007InnovatoroftheYear)。不需要能耗非常高的乙醇精餾技術(shù),從而可使能耗降低65%;用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造的微生物進入發(fā)酵罐培養(yǎng)生長

用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造的微生物進入發(fā)酵罐培養(yǎng)生長2.

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?；蛘Ｒ韵?。經(jīng)過一段間歇期后，又開始重復(fù)上述間歇性定時寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。

2.青蒿酸合成線路的設(shè)計構(gòu)建瘧疾

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。每年5億人感染，100萬死亡。目前最有Keasling利用合成生物學(xué)，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，改造獲的E.coli

青蒿酸的產(chǎn)量300mg/L。Keasling利用合成生物學(xué)，將大腸困難：難以預(yù)計的復(fù)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。(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt

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(xué)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。由于在生物合成抗瘧疾藥物的突出成就,K3.

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3.代謝途徑的快速進化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。Church4.

利用合成生物學(xué)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H24.利用合成生物學(xué)生產(chǎn)新能源

最小基因組與合成生物學(xué)合成生物學(xué)最終目標：

合成獨立的可遺傳的人工生命體

最小基因組與合成生物學(xué)合成生物學(xué)最終目標：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人工生命的基本要素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。研究最簡化生命的兩種方法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

1.人工構(gòu)建合成生命體

2002年Wimmer小組脊髓灰質(zhì)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。

絲狀支原體不同物種間基因組的移植

將蕈狀支原體基因組移植到分離轉(zhuǎn)化酵母基因組改造移植酵母載體插入到細菌基因組中甲基化分離轉(zhuǎn)化酵母基因組改造移植酵母載體插入到細菌基因組中甲基化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。2.最小基因組的構(gòu)建電穿孔電穿孔

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。

Endy小組用12kb人工合成的DNA取代野生最小基因組優(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；為插入模塊提高最簡單無干擾的環(huán)境。最小基因組優(yōu)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)的合成路徑理想的細胞底盤應(yīng)具備的條件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(xué)信號來感受群體的濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊的行為。15.3.4構(gòu)建多細胞體系細菌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。細菌QS系統(tǒng)作用量子點熒光探針及其應(yīng)用？群體效應(yīng)：微生物通過自身產(chǎn)生的一種化學(xué)信號來感受群體的濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊的行為。具有五碳糖和六碳糖代謝酶系coli青蒿酸的產(chǎn)量300mg/L。（1）合成生物學(xué)的研究方法合成生物學(xué)這種目的的使用包括生產(chǎn)生物武器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。金屬化合物藥物的缺點Coli的乙醇代謝重組菌：Better,stronger,faster1978年Skallka在對限制性內(nèi)切核酸酶的評論中第一次預(yù)言了合成生物學(xué)的誕生?，F(xiàn)在就已經(jīng)出現(xiàn)了可以部分控制的假肢。合成目標化學(xué)物質(zhì)合成生物學(xué)工程化三原則：從下而上：從核苷酸合成新生命體。FT2過量，會抑制FT1蛋白聚糖：一條或多條糖胺聚糖以共價鍵與核心蛋白形成的大分子糖復(fù)合物化合物。多肽的C端氨基酸通過linker鍵連到樹脂上；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。

量子點熒光探針及其應(yīng)用？枯草芽胞桿菌利用QS系統(tǒng)對細胞的發(fā)育

展望

2004年合成生物學(xué)被美國MIT出版的《技術(shù)評論》評為“將改變世界的10大新技術(shù)之一”。美國生物經(jīng)濟研究協(xié)會2007年發(fā)表了題為《基因組合成和設(shè)計未來：對美國經(jīng)濟的影響》的研究報告。展望細菌能估計刺激物的距離，并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)。

該項研究可用來探測地雷位置：靠近地雷時細菌發(fā)綠光；遠離地雷時則發(fā)紅光。讓·維斯是麻省理工學(xué)院計算機工程師

細菌能估計刺激物的距離，并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)倫理問題和爭議我們制造生命后，會不會肆意對待所有生命，包括人類生命？生物防護問題：使用合成的致死的和有毒的病原體進行恐怖主義襲擊、生物戰(zhàn)或種種惡意使用。倫理問題和爭議我們制造生命后，會不會肆意對待所有生命，包括人合成生物學(xué)這種目的的使用包括生產(chǎn)生物武器例如新的或改變了的致病病毒或細菌；制造產(chǎn)生毒素的合成有機體。合成生物學(xué)這種目的的使用包括生產(chǎn)生物武器ThankYou!

ThankYou!73復(fù)習第一章多肽和蛋白質(zhì)

1.

蛋白質(zhì)是由許多氨基酸通過肽鍵相連形成的高分子含氮化合物。

2.氨基酸僅有20種，且均屬L型氨基酸。復(fù)習第一章多肽和蛋白質(zhì)3.多肽合成原理？4.化學(xué)合成多肽方法？3.多肽合成原理？5.固相多肽合成步驟多肽的C端氨基酸通過linker鍵連到樹脂上；脫除氨基上的臨時保護基；與下一個氨基酸縮合；反復(fù)進行脫保護和縮合兩個步驟；脫除半永久性保護基；5.固相多肽合成步驟第2章核酸

增色效應(yīng)核小體的組成：DNA和組蛋白核苷酸的組成-------堿基、戊糖、磷酸真核和原核生物rRNA的種類第2章核酸增色效應(yīng)

核酸體外合成方法？

核酸適體：一類有三維空間結(jié)構(gòu)的單鏈核酸小分子，與特異靶分子相結(jié)合，對靶標分子識別有高度專一性和強親和力，調(diào)節(jié)靶標分子的功能。

(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt

核酶：有催化功能的RNA分子，參與RNA及其前體的加工和成熟過程。肽核酸：一類以中性酰胺鍵為骨架取代糖磷酸主鏈的DNA類似物。核酶：有催化功能的RNA分子，參與RNA第3章糖類蛋白聚糖：一條或多條糖胺聚糖以共價鍵與核心蛋白形成的大分子糖復(fù)合物化合物。寡糖合成方法：液相、固相糖的保護基滿足的條件？保護基的正交性？第3章糖類糖生物學(xué)主要研究內(nèi)容？糖作為信息分子和調(diào)分子在生物體的各項生命活動及病理機制中的作用。糖序列分析方法？酶法分析N-連接寡糖結(jié)構(gòu)；采用凝集素分離、分析寡糖和糖綴合物；質(zhì)譜MS和核磁共振NMR測定結(jié)構(gòu)。糖生物學(xué)主要研究內(nèi)容？第4章有機小分子初級代謝物非核糖體合成多肽輔酶Q10生產(chǎn)方法：全合成法、微生物發(fā)酵法、醇一堿皂化制造法第4章有機小分子小分子的優(yōu)勢易實現(xiàn)時間上的精確控制；與大分子的作用可逆；藥物學(xué)劑量容易控制；可應(yīng)用于多種類型的有機體和生物體；作為探針研究細胞靶蛋白的功能。小分子的優(yōu)勢第5章

物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞郊氨容^？（能量，載體，方向）趨磁細菌金屬化合物藥物的缺點第5章仿生催化研究內(nèi)容根據(jù)生物催化劑的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計和化學(xué)方法合成具有催化功能的模擬酶；研究這些模擬酶的催化機理、催化工藝、構(gòu)效關(guān)系。仿生催化研究內(nèi)容第6章基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)單核苷酸多態(tài)性（SNP）遺傳圖譜、物理圖譜熒光原位雜交（FISH）的基本原理轉(zhuǎn)錄組學(xué)第6章基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)單核苷酸多態(tài)性（SNP）

蛋白質(zhì)組和蛋白質(zhì)組學(xué)雙向電泳包括哪2步？肽質(zhì)量指紋圖譜蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析方法影響蛋白質(zhì)電泳遷移率因素蛋白質(zhì)組和蛋白質(zhì)組學(xué)第7章

正向化學(xué)遺傳學(xué)反向化學(xué)遺傳學(xué)計算機輔助的藥物設(shè)計的步驟第7章第8章組合化學(xué)的基本原理在同一個化學(xué)反應(yīng)體系中加入不同的結(jié)構(gòu)單元，利用這些結(jié)構(gòu)單元的排列組合系統(tǒng)的合成大量的化合物。多樣性導(dǎo)向合成設(shè)計原則利用簡單的起始原料盡量多的構(gòu)建出骨架多樣的特異分子。組合化學(xué)的核心技術(shù)有哪些？組合合成、平行合成、固相有機反應(yīng)。第8章組合化學(xué)的基本原理第9章生物大分子進化

DNA文庫的突變方法噬菌體展示體外挑選方法尋找核酸適配體步驟第9章生物大分子進化

DNA文庫的突變方法第10章分子成像

GFP有哪些應(yīng)用？量子點熒光探針及其應(yīng)用？分子馬達的定義？第10章分子成像GFP有哪些應(yīng)用？第11章生物催化生物催化的定義影響酶促反應(yīng)速度的因素比活力

人工酶固定化酶及其的優(yōu)點第11章生物催化生物催化的定義謝謝觀看謝謝觀看93內(nèi)容1.合成生物學(xué)的發(fā)展歷史及概念2.研究方式和工具3.

合成生物學(xué)的研究方向4.展望內(nèi)容1.合成生物學(xué)的發(fā)展歷史及概念2.研究方式和工具315.1合成生物學(xué)的發(fā)展史及概念（1）合成生物學(xué)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(yù)言了合成生物學(xué)的誕生。1980年Hobom引入了合成生物學(xué)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(xué)在生物體系的應(yīng)用，為合成生物學(xué)奠定基礎(chǔ)。15.1合成生物學(xué)的發(fā)展史及概念（1）合成生物學(xué)的發(fā)展史20世紀提出的概念用現(xiàn)有的有機化學(xué)和生物化學(xué)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。20世紀提出的概念

美國基因組學(xué)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。

美國基因組學(xué)先驅(qū)克萊格·凡特，在他位于馬里(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt（2）合成生物學(xué)合成生物學(xué)學(xué)是生物科學(xué)在二十一世紀剛剛出現(xiàn)的一個分支學(xué)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(fù)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。（2）合成生物學(xué)

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。

合成生物包含的內(nèi)容基因合成

構(gòu)建人工生命體基PersonalizedMedicinePhysicalenhancement:

荷爾蒙,義肢的使用EnhancingEvolution:

使人聰明的藥Bionicman生化人

Better,stronger,fasterPersonalizedMedicine15.2合成生物學(xué)的研究方法和工具（1）合成生物學(xué)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，容易進行模塊化得組合，即從零件到器件再到系統(tǒng)。

15.2合成生物學(xué)的研究方法和工具（1）合成生物學(xué)的研究方合成生物學(xué)包含工程學(xué)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。合成生物學(xué)包含工程學(xué)的理念，任何一個

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。2004年，美國就成功在一位半身不遂的男性患標準化抽象化復(fù)雜系統(tǒng)去偶合DrewEndy(MIT)

合成生物學(xué)工程化三原則：標準化DrewEndy(MIT)合成生物學(xué)工程化三原則

EndycreatedthecomicbookAdventuresinSyntheticBiologytohelpexplainhisworktostudentsandotherscientists.

Endycreatedthecomicboo標準化

從可更的換部件庫，快速構(gòu)建多組分體系，包括建立生物學(xué)功能、試驗的檢測條件及系統(tǒng)做出等通用、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。標準化從可更的換部件庫，快速構(gòu)建多組分體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(xué)部件。2003MIT成立了標準生物部件登(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt

將一個復(fù)雜的問題分解成若干可操作的獨立的簡單問題。復(fù)雜系統(tǒng)去偶合將一個復(fù)雜的問題分解成若干可操作的獨立的簡單

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)抽象化：將生物功能單元劃分為不同層次。

（2）合成生物學(xué)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（2）合成生物學(xué)的組成工具生物部件器件系統(tǒng)模塊

標準生物部件具有特定生物學(xué)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、終止子標準生物部件(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt

合成生物學(xué)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(fù)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。合成生物學(xué)的研究方向創(chuàng)建新的基因調(diào)控模塊和線路基因線路基因線路1）基因撥動開關(guān)e.g.E.coli報告基因誘導(dǎo)物A阻遏物A啟動子B啟動子A阻遏物B誘導(dǎo)物B1）基因撥動開關(guān)e.g.E.coli報告基

通過加入不同的誘導(dǎo)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。通過加入不同的誘導(dǎo)物實現(xiàn)開關(guān)在兩個穩(wěn)定態(tài)之2）基因振蕩器FT1激活它本身和FT2；FT2過量，會抑制FT12）基因振蕩器FT1激活它本身和FT2；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。3）大腸桿菌成像系統(tǒng)

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將藻膽青素合成基因(ho1和pcyA)轉(zhuǎn)入大腸

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。生命體代謝途徑的重新構(gòu)建代謝途徑改造----調(diào)節(jié)核心組件優(yōu)化途徑

不同的生物學(xué)途徑提取出來優(yōu)化整合到宿主細胞合成目標化學(xué)物質(zhì)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(xué)途

1.

生物質(zhì)能和乙醇發(fā)酵微生物E.Coli的乙醇代謝重組菌：具有五碳糖和六碳糖代謝酶系混合酸發(fā)酵乙醇耐受能力低綠色植物和海洋藻類合成的有機物（生物質(zhì)）約2200億噸，相當于人類當前每年全部能耗的10倍。

1.生物質(zhì)能和乙醇發(fā)酵微生物E.Coli的乙醇代謝可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的部分微生物及其主要底物可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的部分微生物及其主要底物酵母的乙醇代謝工程

釀酒酵母是工業(yè)上生產(chǎn)乙醇的優(yōu)良菌株，與細菌相比具有較高的乙醇耐受力，對纖維素水解液中的抑制物有較高的抗性。缺點

釀酒酵母缺乏木糖轉(zhuǎn)化為木酮糖所需的酶，因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。對其菌種改造涉及木糖跨膜運輸、吸收利用、磷酸戊糖途徑、糖酵解及胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)的維持等多個方面。酵母的乙醇代謝工程釀酒酵母是工業(yè)上生產(chǎn)乙酵母的木糖代謝工程酵母的木糖代謝工程運動發(fā)酵單胞菌的乙醇代謝工程運動發(fā)酵單胞菌的乙醇代謝工程

大腸桿菌的乙醇代謝工程EMP大腸桿菌的乙醇代謝工程EMP主要優(yōu)勢大腸桿菌能夠利用非常廣泛的碳源，其中包括六碳糖(葡萄糖，果糖)和五碳糖(木糖，阿拉伯糖)以及糖酸等物質(zhì)，這一特性使得大腸桿菌能利用木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)生的各種糖類，同時又由于大腸桿菌遺傳背景清楚，因此在原核微生物乙醇代謝工程以及木質(zhì)纖維素的高效利用中具有重要的研究價值。

大腸桿菌的乙醇代謝工程主要優(yōu)勢大腸桿菌的乙醇代謝工程大腸桿菌乙醇代謝工程中存在的問題1.大腸桿菌乙醇耐受能力低2.乙醇脫氫酶和丙酮酸脫羧酶在大腸桿菌中的表達研究不夠充分3.競爭性代謝支路使得一部分碳源不能有效的轉(zhuǎn)化成乙醇大腸桿菌乙醇代謝工程中存在的問題1.大腸桿菌乙醇耐受能力低(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt梭菌梭菌(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt誘導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品

利用來自多種生物的基因及用來生產(chǎn)脂肪酸的生化途徑,用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造出一些代謝模塊,插入微生物后,通過不同的組合,這些模塊可以誘導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品。他們通過計算,設(shè)計制造出微生物以所希望的方式生產(chǎn)并分泌出長度及分子結(jié)構(gòu)符合公司要求的烴分子。誘導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品不需要能耗非常高的乙醇精餾技術(shù),從而可使能耗降低65%;由于采用了合成生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)創(chuàng)造微生物這種尖端技術(shù),而且這種石油烴是可再生的、清潔的、國內(nèi)可生產(chǎn)的、成本可競爭的、與現(xiàn)有的汽車發(fā)動機及汽油供應(yīng)系統(tǒng)是可兼容的.29歲的Berry獲得了MIT“技術(shù)評論”2007年TR35的最高獎(2007InnovatoroftheYear)。不需要能耗非常高的乙醇精餾技術(shù),從而可使能耗降低65%;用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造的微生物進入發(fā)酵罐培養(yǎng)生長

用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造的微生物進入發(fā)酵罐培養(yǎng)生長2.

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?；蛘Ｒ韵?。經(jīng)過一段間歇期后，又開始重復(fù)上述間歇性定時寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。

2.青蒿酸合成線路的設(shè)計構(gòu)建瘧疾

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。每年5億人感染，100萬死亡。目前最有Keasling利用合成生物學(xué)，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，改造獲的E.coli

青蒿酸的產(chǎn)量300mg/L。Keasling利用合成生物學(xué)，將大腸困難：難以預(yù)計的復(fù)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。(完整)第15章-合成生物學(xué)ppt

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(xué)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。由于在生物合成抗瘧疾藥物的突出成就,K3.

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3.代謝途徑的快速進化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。Church4.

利用合成生物學(xué)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H24.利用合成生物學(xué)生產(chǎn)新能源

最小基因組與合成生物學(xué)合成生物學(xué)最終目標：

合成獨立的可遺傳的人工生命體

最小基因組與合成生物學(xué)合成生物學(xué)最終目標：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人工生命的基本要素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。研究最簡化生命的兩種方法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

1.人工構(gòu)建合成生命體

2002年Wimmer小組脊髓灰質(zhì)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。

絲狀支原體不同物種間基因組的移植

將蕈狀支原體基因組移植到分離轉(zhuǎn)化酵母基因組改造移植酵母載體插入到細菌基因組中甲基化分離轉(zhuǎn)化酵母基因組改造移植酵母載體插入到細菌基因組中甲基化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。2.最小基因組的構(gòu)建電穿孔電穿孔

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。

Endy小組用12kb人工合成的DNA取代野生最小基因組優(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；為插入模塊提高最簡單無干擾的環(huán)境。最小基因組優(yōu)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)的合成路徑理想的細胞底盤應(yīng)具備的條件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(xué)信號來感受群體的濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊的行為。15.3.4構(gòu)建多細胞體系細菌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。細菌QS系統(tǒng)作用量子點熒光探針及其應(yīng)用？群體效應(yīng)：微生物通過自身產(chǎn)生的一種化學(xué)信號來感受群體的濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊的行為。具有五碳糖和六碳糖代謝酶系coli青蒿酸的產(chǎn)量300mg/L。（1）合成生物學(xué)的研究方法合成生物學(xué)這種目的的使用包括生產(chǎn)生物武器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。金屬化合物藥物的缺點Coli的乙醇代謝重組菌：Better,stronger,faster1978年Skallka在對限制性內(nèi)切核酸酶的評論中第一次預(yù)言了合成生物學(xué)的誕生?，F(xiàn)在就已經(jīng)出現(xiàn)了可以部分控制的假肢。合成目標化學(xué)物質(zhì)合成生物學(xué)工程化三原則：從下而上：從核苷酸合成新生命體。FT2過量，會抑制FT1蛋白聚糖：一條或多條糖胺聚糖以共價鍵與核心蛋白形成的大分子糖復(fù)合物化合物。多肽的C端氨基酸通過linker鍵連到樹脂上；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。

量子點熒光探針及其應(yīng)用？枯草芽胞桿菌利用QS系統(tǒng)對細胞的發(fā)育

展望

2004年合成生物學(xué)被美國MIT出版的《技術(shù)評論》評為“將改變世界的10大新技術(shù)之一”。美國生物經(jīng)濟研究協(xié)會2007年發(fā)表了題為《基因組合成和設(shè)計未來：對美國經(jīng)濟的影響》的研究報告。展望細菌能估計刺激物的距離，并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)。

該項研究可用來探測地雷位置：靠近地雷時細菌發(fā)綠光；遠離地雷時則發(fā)紅光。讓·維斯是麻省理工學(xué)院計算機工程師

細菌能估計刺激物的距離，并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)倫理問題和爭議我們制造生命后，會不會肆意對待所有生命，包括人類生命？生物防護問題：使用合成的致死的和有毒的病原體進行恐怖主義襲擊、生物戰(zhàn)或種種惡意使用。倫理問題和爭議我們制造生命后，