合成生物學(xué)第五小組

合成生物學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展什么是合成生物學(xué)？定義：按照一定的規(guī)律和已有的生物知識(shí)設(shè)計(jì)和建造新的生物元件，裝置和系統(tǒng)，或重新設(shè)計(jì)已有的天然生物系統(tǒng)為人類的特殊目的服務(wù)波蘭遺傳學(xué)家的預(yù)言：一直以來我們都在做分子生物學(xué)描述的一面，但當(dāng)我們進(jìn)入合成生物學(xué)的階段，真正的挑戰(zhàn)才要開始。我們會(huì)設(shè)計(jì)新的調(diào)控元素并將新的分子加入已存在的基因組內(nèi)，甚至構(gòu)建一個(gè)全新的基因組。這將是一個(gè)擁有無限的潛力的領(lǐng)域，幾乎沒有任何事能限制我們?nèi)プ鲆粋€(gè)更好的控制回路。最終將會(huì)有合成的有機(jī)生命體出現(xiàn)。1980年，第一篇以合成生物學(xué)為標(biāo)題的論文《基因外科手術(shù)：站在合成生物學(xué)的門檻》發(fā)表2000年，合成生物學(xué)快速發(fā)展，人工合成了開關(guān)，級(jí)聯(lián)，脈沖發(fā)生器，延時(shí)電路，振蕩器等多種基因線路，可以有效的調(diào)節(jié)表達(dá)，蛋白質(zhì)功能，細(xì)胞代謝或細(xì)胞與細(xì)胞相互作用。2003年，MIT成立了標(biāo)準(zhǔn)生物元件登記處，專門收集各種滿足標(biāo)準(zhǔn)化條件的生物模塊，全世界的科學(xué)家都可以提交自己的標(biāo)準(zhǔn)生物元件。2004年“合成生物學(xué)”被美國MIT出版的technologyreview評(píng)為將改變世界的十大新發(fā)現(xiàn)的技術(shù)之一。…………合成生物學(xué)的層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生物元件裝置系統(tǒng)生物元件生物元件是具有特定功能的氨基酸或核苷酸序列。Example：啟動(dòng)子，終止子，轉(zhuǎn)錄單元，質(zhì)粒骨架，結(jié)合轉(zhuǎn)移元件，轉(zhuǎn)座子，蛋白質(zhì)編碼區(qū)等DNA序列；核糖體結(jié)合位點(diǎn)RBS等RNA序列以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域生物裝置生物裝置是具有一定生物學(xué)功能，并且能夠?yàn)橥庠次镔|(zhì)所控制的一串DNA序列?；镜纳镅b置：報(bào)告基因，常與啟動(dòng)子，終止子等組合用于驗(yàn)證啟動(dòng)子，終止子的結(jié)構(gòu)組成與效率。轉(zhuǎn)換器，在接受到某種信號(hào)時(shí)停止下游的轉(zhuǎn)錄，未收到信號(hào)時(shí)開啟下游基因的轉(zhuǎn)錄，是遺傳裝置。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)裝置，環(huán)境與細(xì)胞之間或者臨近細(xì)胞與細(xì)胞之間接收信號(hào)和傳遞信號(hào)的裝置。蛋白質(zhì)生成機(jī)制，產(chǎn)生具有一定功能蛋白質(zhì)的裝置生物系統(tǒng)生物裝置通過串聯(lián)，反饋等方式連接組裝成更加復(fù)雜的級(jí)聯(lián)線路或者調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控系統(tǒng)是最簡單的形式(核苷酸序列直接決定了相互作用的特異性）細(xì)胞群體與多細(xì)胞系統(tǒng)具有群體效應(yīng)的微生物能夠分泌一種或多種自誘導(dǎo)劑的信號(hào)分子，微生物通過感知胞外的這些在誘導(dǎo)劑來判斷菌群密度和周圍環(huán)境變化，當(dāng)菌群數(shù)表達(dá)一定的閥值后，啟動(dòng)相應(yīng)一系列基因的調(diào)節(jié)表達(dá)，以調(diào)節(jié)菌體的群體行為。例如：海洋費(fèi)氏弧菌的發(fā)光現(xiàn)象（菌體密度與發(fā)光正相關(guān)）生物模塊的標(biāo)準(zhǔn)化把各種基因元件標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，使人們也可以如搭積木一樣構(gòu)建及因線路，設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新途徑，新系統(tǒng)。優(yōu)勢：降低了合成生物系統(tǒng)的復(fù)雜度，使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡單化。使不同功能的元件和不同公司的產(chǎn)品能夠方便地集成，生產(chǎn)更加可靠的產(chǎn)品?？s短合成復(fù)雜生物裝置或者生命系統(tǒng)所需要的時(shí)間。DNA元件與裝置

DNA元件是指具有特定功能的脫氧核苷酸序列。利用合成生物學(xué)技術(shù)，可以將DNA元件與其他元件或模塊連接組成能夠行使生物特定功能的DNA裝置。目前，幾種主要的DNA元件有啟動(dòng)子、終止子等。由此組成的DNA裝置主要有雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)和基因振蕩器。兩種主要的DNA元件：啟動(dòng)子和終止子啟動(dòng)子

*定義：啟動(dòng)子是操縱子的一部分，是能夠特異性地與RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合并決定轉(zhuǎn)錄從何處起始的DNA序列。*功能：主要控制基因轉(zhuǎn)錄的起始時(shí)間和表達(dá)的強(qiáng)度。*分類：按照作用方式和功能可以分為3類：組成型啟動(dòng)子、誘導(dǎo)性啟動(dòng)子和組織特異性啟動(dòng)子。（1）在組成型啟動(dòng)子的控制下，結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)大體恒定在一定水平上，并且無需誘導(dǎo)劑便可啟動(dòng)下游基因的表達(dá)。

兩種主要的DNA元件：啟動(dòng)子和終止子

（2）誘導(dǎo)性啟動(dòng)子，可以在物理或化學(xué)因子的刺激下，大幅度提高基因的轉(zhuǎn)錄水平，但只能宏觀調(diào)控基因表達(dá)，遵守全或無定律。（3）組織特異型啟動(dòng)子調(diào)控下的基因往往只在某些特定的器官或組織部位表達(dá)，并表現(xiàn)出發(fā)育調(diào)節(jié)的特性。

通過選擇不同啟動(dòng)子或調(diào)節(jié)啟動(dòng)子強(qiáng)度控制基因表達(dá)是合成生物學(xué)常用的調(diào)控和優(yōu)化方法。兩種主要的DNA元件：啟動(dòng)子和終止子終止子

*定義：終止子是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄停止信號(hào)的DNA序列。*結(jié)構(gòu)特征：所有原核生物的終止子在轉(zhuǎn)錄終止點(diǎn)前有一段回文序列，它轉(zhuǎn)錄出來的RNA可以形成莖環(huán)式的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。*分類：按照其作用是否需要蛋白質(zhì)因子的輔助分為兩類：一類不依賴蛋白質(zhì)輔助因子就能終止作用，另一類則需要蛋白質(zhì)輔助因子才能起到終止作用。前一種終止子的回文序列中富含GC堿基對(duì)，在回文序列的下游方向又常有6~8個(gè)AT堿基對(duì)。轉(zhuǎn)錄生成的發(fā)夾式mRNA結(jié)構(gòu)阻止RNA聚合酶繼續(xù)沿DNA移動(dòng)，并使RNA聚合酶從DNA上脫落，終止轉(zhuǎn)錄。后一種終止子的回文序列中GC對(duì)含量較少，依賴β因子終止轉(zhuǎn)錄。

↓↓DNA裝置：

雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)&基因振蕩器雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)

雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)又稱撥動(dòng)開關(guān)，可通過人為調(diào)控實(shí)現(xiàn)基因線路在兩種不同穩(wěn)定狀態(tài)間切換。經(jīng)典的轉(zhuǎn)錄水平雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)由兩個(gè)啟動(dòng)子組成，每個(gè)啟動(dòng)子的開關(guān)狀態(tài)之間有明顯的界限。

基因振蕩器*基因振蕩器是一種基因調(diào)控裝置，通過震蕩的幅度和周期來決定基因表達(dá)的時(shí)間。*原理：將三個(gè)表達(dá)產(chǎn)物相互抑制的基因模塊串聯(lián)成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，利用基因模塊間的彼此抑制和解抑制即可實(shí)現(xiàn)振蕩器的功能。RNA元件與裝置元件裝置RNA元件定義：RNA元件是由RNA分子組成的遺傳成分，具有基因調(diào)節(jié)、配體結(jié)合和指導(dǎo)構(gòu)象改變的作用。適配體傳感器RNA傳感器溫度傳感器

基因表達(dá)調(diào)節(jié)器RNA調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)錄終止調(diào)節(jié)器

翻譯起始調(diào)節(jié)器…….

RNA傳遞器RNA裝置RNA裝置是由一個(gè)以上不同功能的RNA元件組成的，并且能夠行使編程生物功能。目前已經(jīng)設(shè)計(jì)出的包括核開關(guān)、邏輯門、反義RNA調(diào)控、微RNA調(diào)控核開關(guān)核開關(guān)是指具有天然適配體的RNA遺傳控制單元，通過自身構(gòu)象的變化對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。位置細(xì)菌：5’UTR真核生物：3’UTR分類抑制型激活型

抑制型核開關(guān)邏輯門RNA基因線路什么是IGEMInternationalGeneticallyEngineeredMachineCompetitionMIT200332245合成生物學(xué)HEIDELBERGTHERINGOFFIREFoodWardenGroningenBIT-CHINAIntelligentMicrobialHeatRegulationEngine1、隊(duì)伍組成Students:本科生，比賽注冊(cè)時(shí)（3月份）未獲得學(xué)士學(xué)位的學(xué)生Advisors：研究生Instructors：必須至少有兩位指導(dǎo)老師（研究生、博后也可以作為instructor，但不能作為organizer，即不能注冊(cè)隊(duì)伍）Organizer：指導(dǎo)老師之一需要負(fù)責(zé)注冊(cè)隊(duì)伍、聯(lián)系事宜、支付費(fèi)用等2、比賽形式與內(nèi)容主辦方會(huì)在每年4-5月份寄送DNAkit給各個(gè)參賽隊(duì)伍，里面就是各種含不同功能片段的質(zhì)粒，隊(duì)伍利用這些質(zhì)粒，或者自己重新構(gòu)建的新組建，在暑假期間完成一個(gè)課題注意比賽內(nèi)容并不僅僅是完成一個(gè)課題！還需要制作隊(duì)伍網(wǎng)頁（wikipage），這個(gè)網(wǎng)頁需包含若干部分，之后會(huì)詳細(xì)介紹9月底10月初舉行各大賽區(qū)分賽，一般會(huì)是周末加周一共三天，最后一天就會(huì)公布結(jié)果比賽時(shí)每個(gè)隊(duì)伍有20分鐘時(shí)間做展示，5-10分鐘回答評(píng)委和觀眾的問題；需制作一張海報(bào)，比賽期間有poster環(huán)