合成生物學(xué)與基因回路

關(guān)于合成生物學(xué)與基因回路第1頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三一.什么是合成生物學(xué)SyntheticBiology第2頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三何時出現(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)“syntheticbiology”（合成生物學(xué)）一詞。●Lancet雜志最早于1911年7月8日有一篇文章出現(xiàn)“syntheticbiology”（合成生物學(xué)）一詞?！裨?980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?！?000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)第3頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三NatureBiotechnology,27(12),2009

FocusonSyntheticBiologyThelatestiterationofgeneticengineeringofferstheprospectofthedesignandconstructionofnewlifeformsfrombiologicalparts,devicesandsystems.基因工程的最新研究成果提供了通過生物元件、裝置和系統(tǒng)設(shè)計和組裝新生命形式的前景第4頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三NatureReviews,10(6),2009第5頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三

●維基百科：合成生物學(xué)旨在設(shè)計和構(gòu)建工程化的生物系統(tǒng)，使其能夠處理信息、操作化合物、制造材料、生產(chǎn)能源、提供食物、保持和增強人類的健康和改善我們的環(huán)境。

/wiki/Synthetic_biology

●

簡單地說，合成生物學(xué)是通過設(shè)計和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。

第6頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)的定義SyntheticBiologyis：A)thedesignandconstructionofnewbiologicalparts,devices,andsystems,andB)there-designofexisting,naturalbiologicalsystemsforusefulpurposes.

/第7頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三1998200020022004200620082000400060008000100000204060801001200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檢索期刊合成生物學(xué)領(lǐng)域由Scirus搜索的學(xué)術(shù)論文數(shù)、專利數(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息以及由Scopus搜索的學(xué)術(shù)論文數(shù)第8頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三 2004年被美國MIT出版的《TechnologyReview》評為將改變世界的10大新出現(xiàn)的技術(shù)之一(10EmergingTechnologiesThatWillChangeYourWorld)。 2009年中科院300多位專家經(jīng)過一年多研究發(fā)布的《創(chuàng)新2050：科技革命與中國的未來》戰(zhàn)略研究系列報告中指出：“合成生物學(xué)”是可能出現(xiàn)革命性突破的4個基本科學(xué)問題之一。合成生物學(xué)的發(fā)展前景與基礎(chǔ)第9頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三DNA是生物的遺傳物質(zhì)第10頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三于1990年正式啟動,于2003年4月14日完成了人類基因組全部序列測定人類基因組計劃第11頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三ACGT第12頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三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)(Bioinformatics)

是合成生物學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)之一。它包含了生物信息的獲取、處理、存儲、分發(fā)、分析和解釋等在內(nèi)的所有方面，它綜合運用數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，來闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義。第13頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三細胞:奇異絕妙的小工廠第14頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三系統(tǒng)生物學(xué)研究細胞對外界環(huán)境變化或刺激在各個層次上如何做相應(yīng)的變更,并建立數(shù)學(xué)模型對總體應(yīng)答作出預(yù)測.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)TranscriptomicsDNAmRNA蛋白質(zhì)代謝物轉(zhuǎn)錄翻譯催化反應(yīng)第15頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三Systemsbiologyasafoundationforgenome-scalesyntheticbiologyChristianLBarrett,TaeYongKim,HyunUkKim,Bernhard?PalssonandSangYupLee,CurrentOpinioninBiotechnology2006,17:488–492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)第16頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三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)數(shù)據(jù)積累引起的科學(xué)發(fā)現(xiàn)

－－第四次科學(xué)大發(fā)展第17頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(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)計算機科學(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)精細化學(xué)品食品原料生物材料生物傳感器生物計算機應(yīng)用第18頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)的發(fā)展過程第19頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三1979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天時間從頭合成了噬菌體PhiX174（5386bp）基因組。2004年，人工合成了1918年造成全世界上千萬人死亡的“西班牙流感病毒”。2008年J.C.Venter小組又合成了Mycoplasmagenitalium生殖道支原體基因組（582790kb），這是迄今為止人類在合成生物過程中走得最遠的一步。J.C.Venter小組

的另外一項工作卻獲得了成功：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)果仍能正常“工作”。人工合成生物全基因組第20頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)的研究內(nèi)容合成代謝網(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。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/基因線路的設(shè)計與構(gòu)建

1961年F.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的調(diào)控概念，被認為是分子生物學(xué)發(fā)展的第二個里程碑。細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)研究基于細胞間交流的細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)的開發(fā)，主要是研究細胞群體間的同步基因表達、信號交流、異步功能配合等。數(shù)學(xué)模擬和功能預(yù)測第21頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三二.合成生物學(xué)的研究方法

基因回路（GeneticCircuits）設(shè)計

第22頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)領(lǐng)域三大目標：一、有別于以往拆解生命體的方式，它是通過合成來理解生命。二、將遺傳工程所使用的元件標準化，使其能與現(xiàn)有系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)造出更多、功能更復(fù)雜的系統(tǒng)。三、將電子工程領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計理論應(yīng)用到生物系統(tǒng)，重組DNA基因工程，產(chǎn)生真正可由程序控制的生物，設(shè)計生物計算機。第23頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三基因回路設(shè)計流程建立DNA元件庫根據(jù)設(shè)計目標決定基因回路結(jié)構(gòu)調(diào)用庫元件模型利用計算機仿真軟件確認輸出及功能正確？建立集成生物回路（IC）檢測基因回路性能穩(wěn)定可靠？建立集成生物回路（IC）成功建立穩(wěn)定可調(diào)控的基因回路第24頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三基因回路設(shè)計流程第25頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三特定的信使RNA（mRNA）的分子的濃度代表一個邏輯信號。左圖，輸入的mRNA是缺失，則細胞轉(zhuǎn)錄基因輸出mRNA。右圖，輸入的mRNA存在，細胞把此mRNA翻譯成輸入蛋白，此蛋白與基因上的啟動子相結(jié)合，阻止細胞合成mRNA輸出。生物化學(xué)反相器-非門（NOT）第26頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三利用原核生物基因調(diào)控模組模擬電子工程邏輯門。上方圖示列出調(diào)控啟動子活性的因子。RNAP：RNA聚合酶，TF：轉(zhuǎn)錄因子。(Silva-RochaanddeLorenzo,FEBSLetters582(2008)1237–1244)第27頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三Bio-Informatics要做的事LookingatlifeasaninformationsystemDNAasadatabase（數(shù)據(jù)庫）RNAasadecisionnetwork（決定網(wǎng)絡(luò)）ProteinsandgenesasruntimeDLLs（運行時間動態(tài)鏈接庫）ModelinggeneregulatorynetworksSimulatinglifeasacomputerprogramUsingsilicontovalidatebiologicalmodels第28頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三GoalofDigitalCells（數(shù)字細胞）SimulateaGeneRegulatoryNetworkGoalofe-cell,CellML,andSBMLprojectsTestmicroarraydataforbiologicalmodelRunexpressiondatathroughGRNfunctionsCreatebiologicalcellswithnewfunctionsSpliceinpromoterstocontrolexpression

Createoscillatingnetworksusingoperons拼接啟動子來控制表達利用操縱子創(chuàng)建振蕩網(wǎng)絡(luò)第29頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三DigitalCellComponents

數(shù)字細胞元件Bio-logicgatesInverters,oscillatorsCreatinggenomiccircuitryPromoters,operonsandgenesMultigenicoscillatingsolutionsRonWeissisthepioneerinthefield/~rweiss/

第30頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三To電子回路的工程設(shè)計基礎(chǔ)第31頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三基因回路（GeneticCircuits）設(shè)計第32頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三編程并控制細胞行為的第一步是建立一個精心設(shè)計的元件庫，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，與電子邏輯門的輸入和輸出的電信號（H/1或L/0）相對應(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)控模式上的數(shù)字細胞元件（生物邏輯門）模型-基因回路元件設(shè)計第33頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三

在細胞內(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，并最終調(diào)節(jié)其他蛋白表達。這些調(diào)控活動，可以用數(shù)字邏輯功能及模擬信號處理來實現(xiàn)。

任何基因轉(zhuǎn)錄翻譯成蛋白質(zhì)的首要條件是：RNAp(RNApolymerase,RNA聚合酶)與基因上游區(qū)域的啟動子結(jié)合，啟動轉(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不能與啟動子結(jié)合，后面的過程就不能進行。第34頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三1.非門或反相器（NOT）生物學(xué)過程：B阻遏因子，當它存在時，B搶占了RNAp與啟動子結(jié)合的位點。因此阻礙了基因P進行轉(zhuǎn)錄表達。電學(xué)過程：B為輸入信號，當其輸入量高時，輸出為低；反之亦然。輸入與輸出反相，也稱反相器。第35頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三1.非門或反相器（NOT）左圖表示當無mRNA輸入時，啟動子未被抑制時，基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，有mRNA輸出；右圖表示當有mRNA輸入時，在細胞中轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)與啟動子區(qū)域的基因結(jié)合，抑制了基因的表達，無mRNA輸出。此處輸入的mRNA的缺失或存在決定了下游mRNA是否輸出。第36頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三2.緩沖器門（AmplifierorBuffer）生物學(xué)過程：A為轉(zhuǎn)錄因子，可以調(diào)控基因P使其進行轉(zhuǎn)錄表達。電學(xué)過程：A為輸入信號，只有當其輸入量滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達的閾值時，輸出信號才為高。A與P同相。第37頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三3.與門（AND）生物學(xué)過程：１）Ａ、Ｂ兩個均為轉(zhuǎn)錄因子２）Ａ為轉(zhuǎn)錄因子，Ｂ為激活因子；以上兩種情況都要求只有當Ａ、Ｂ都同時存在時，才能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達。第38頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三3.與門（AND）電學(xué)過程：Ａ、Ｂ為兩個不同的輸入信號，只有當ＡＢ的輸入量同時滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達的閾值時，才會使輸出信號高表達（輸出信號表示基因Ｐ的表達量）。第39頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三3.與門（AND）已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）：1）Tropel,D.andVanDerMeer,J.R.(2004)Bacterialtranscriptionalregulatorsfordegradationpathwaysofaromaticcompounds.Microbiol.Mol.Biol.Rev.68,474–500.2）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA100,5136–5141.第40頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三4.或門（OR）生物學(xué)過程：Ａ和Ｂ都是基因Ｐ的轉(zhuǎn)錄因子，當Ａ和Ｂ其中一個存在時，或者兩者同時存在時都能啟動基因Ｐ轉(zhuǎn)錄表達。即僅當ＡＢ兩者都不存在時，轉(zhuǎn)錄才無法進行。第41頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三4.或門（OR）電學(xué)過程：Ａ和B是兩個不同的輸入信號，當A、B其中一個的輸入量滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達的閾值時，或者兩者同時滿足所要求的閾值時，輸出信號表現(xiàn)為高表達。第42頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三4.或門（OR）已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）：1）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA，100,5136–5141.2）Fernandez,S.,Shingler,V.andDeLorenzo,V.(1994)CrossregulationbyXylRandDmpRactivatorsofPseudomonasputidasuggeststhattranscriptionalcontrolofbiodegradativeoperonsevolvesindependentlyofcatabolicgenes.J.Bacteriol.176,5052–5058.第43頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三5.與非門（NAND）生物學(xué)過程：A與B都是抑制基因P轉(zhuǎn)錄表達的因子，稱為阻遏因子。僅當A與B同時存在時，基因P才不能正常的進行轉(zhuǎn)錄表達。因為此時A與B“搶占”了RNAp與啟動子的結(jié)合位點，阻礙了轉(zhuǎn)錄的啟動。第44頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三5.與非門（NAND）電學(xué)過程：A、B為兩個不同的輸入信號，僅當兩者的輸入量同時滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達的閾值時，才使得輸出信號為低表達。可以將NAND門電路拆分為AND和NOT的組合。第45頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三5.與非門（NAND）已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）：1）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA，100,5136–51412）Escolar,L.,Perez-Martin,J.anddeLorenzo,V.(1999)Openingtheironbox:transcriptionalmetalloregulationbytheFurprotein.J.Bacteriol.181,6223–6229.3）Bertoni,G.,Marques,S.anddeLorenzo,V.(1998)Activationofthetoluene-responsiveregulatorXylRcausesatranscriptionalswitchbetweensigma-54andsigma-70promotersatthedivergentPr/PsregionoftheTOLplasmid.Mol.Microbiol.27,651–659.4）Bertoni,G.,Perez-Martin,J.anddeLorenzo,V.(1997)GeneticevidenceofseparaterepressorandactivatoractivitiesoftheXylRregulatoroftheTOLplasmid,pWW0,ofPseudomonasputida.Mol.Microbiol.23,1221–1227第46頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三6.非與門（ANDN）生物學(xué)過程：A為轉(zhuǎn)錄的激活因子，能使基因轉(zhuǎn)錄表達；B為阻遏因子，當Ｂ存在時，Ｂ就會搶占啟動子結(jié)合位點，使RNAp不能與啟動子結(jié)合，因此不能啟動基因Ｐ進行轉(zhuǎn)錄表達。因此只有當Ａ存在并且Ｂ不存在時，基因轉(zhuǎn)錄表達才能正常進行。第47頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三6.非與門（ANDN）電學(xué)過程：只有當信號Ａ滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達的閾值（以下簡稱為“Ａ高表達”），并且信號Ｂ低于該閾值時（簡稱為“低表達”），輸出才會高表達。第48頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三6.非與門（ANDN）已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）：Hermsen,R.,Tans,S.andtenWolde,P.R.(2006)Transcriptionalregulationbycompetingtranscriptionfactormodules.PLoSComput.Biol.2,e164.第49頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三7.或非門（NOR）生物學(xué)過程：Ａ、Ｂ均為阻礙轉(zhuǎn)錄表達的阻遏因子。兩者都阻礙了RNAp與啟動子的結(jié)合。因此，只有當兩者都不存在時，基因Ｐ的轉(zhuǎn)錄表達才能進行。第50頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三7.或非門（NOR）電學(xué)過程：只有當信號Ａ與Ｂ都低表達時，輸出才會高表達。第51頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三8.非或門（ORN）生物學(xué)過程：B是阻遏因子，A是能夠降解B的蛋白質(zhì)。當只有B存在時，B與啟動子結(jié)合，阻礙了RNAp與啟動子結(jié)合，因此使基因P不能正常進行轉(zhuǎn)錄表達。當A存在時，即使B也同時存在，但是A能降解B，使B的活性降低，使B不能與啟動子結(jié)合或結(jié)合性減弱，因此使基因P能進行轉(zhuǎn)錄表達。第52頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三8.非或門（ORN）電學(xué)過程：A與B都是入信號，當只有B高表達并且A低表達時，輸出為低。其余三種情況均為高表達。第53頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三8.非或門（ORN）已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）：Erill,I.,Campoy,S.andBarbe,J.(2007)Aeonsofdistress:anevolutionaryperspectiveonthebacterialSOSresponse.FEMSMicrobiol.Rev.31,637–656.第54頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三9.異或門（XOR）生物學(xué)過程：基因P能沿著DNA從兩個方向進行轉(zhuǎn)錄表達。轉(zhuǎn)錄因子A使基因沿著左端進行轉(zhuǎn)錄表達，轉(zhuǎn)錄因子B使基因沿著右端進行轉(zhuǎn)錄表達。但是當兩者同時存在時，A會搶占B的RNAp與啟動子結(jié)合的位點（或者說是B會搶占A的RNAp與啟動子結(jié)合的位點），使得基因P不能沿著DNA進行轉(zhuǎn)錄。因此，當且僅當A、B其中一個存在時，基因P才能進行正常的轉(zhuǎn)錄表達。第55頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三9.異或門（XOR）電學(xué)過程：當且僅當輸入信號A、B其中一個存在，并且它的表達量高時，才能使輸出表達高。此時，我們可以將XOR門看成是兩個ANDN門的組合。第56頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三9.異或門（XOR）已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）：Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA100,5136–5141.第57頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三10.同或門（XNOR）生物學(xué)過程：基因P（P’）可以沿著DNA向著左右兩端進行轉(zhuǎn)錄表達。但是沿著P（左端）進行轉(zhuǎn)錄，啟動子的活性比較弱，需要ＡＢ兩個轉(zhuǎn)錄因子同時作用才可進行；沿著P’方向，轉(zhuǎn)錄因子則變成了阻礙RNAp與啟動子結(jié)合的阻遏因子，因此沿著P’方向，當Ａ或Ｂ兩者之一存在時，轉(zhuǎn)錄過程就會受到抑制。ａ）當兩者都不存在時，Ｐ受抑制，而P’沒受到阻礙，可以沿著P’方向進行轉(zhuǎn)錄，所以輸出為１。ｂ）當只有Ａ或Ｂ其中一個轉(zhuǎn)錄因子存在時，由于不滿足Ｐ方向條件（需要兩者同時存在），而此時這個轉(zhuǎn)錄因子阻礙了P’方向的ＲＮＡｐ與啟動子結(jié)合，使P’方向的轉(zhuǎn)錄也不能進行。所以輸出為０。ｃ）當Ａ與Ｂ同時存在時，雖然轉(zhuǎn)錄因子阻礙了P’方向的ＲＮＡｐ與啟動子結(jié)合，使P’方向的轉(zhuǎn)錄不能進行，但是此時滿足了沿著Ｐ方向進行轉(zhuǎn)錄的條件，所以輸出為１。第58頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三10.同或門（XNOR）電學(xué)過程：只有當Ａ、Ｂ兩個輸入信號同時高或者同時低時，輸出才為高；否則輸出為低?？梢钥醋鍪桥cXOR與NOT組成的XOR的相反過程。第59頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三10.同或門（XNOR）已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）：１）Hermsen,R.,Tans,S.andtenWolde,P.R.(2006)Transcriptionalregulationbycompetingtranscriptionfactormodules.PLoSComput.Biol.2,e164２）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA100,5136–5141.第60頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三11.觸發(fā)器生物學(xué)過程：觸發(fā)器是一個能保持雙穩(wěn)態(tài)的合成基因網(wǎng)絡(luò)。觸發(fā)器包含兩個蛋白R1、R2，分別抑制啟動子P1、P2。兩個誘導(dǎo)劑I1、I2，分別能使抑制蛋白R1、R2無效化，導(dǎo)致P1、P2表達。相當于下面的回路包含兩個互聯(lián)的ORN門。第61頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三12.環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器包含三個蛋白質(zhì)和三個它們對應(yīng)的啟動子，設(shè)定蛋白質(zhì)Px抑制蛋白質(zhì)Py的表達，而蛋白質(zhì)Py抑制蛋白質(zhì)Pz的表達，蛋白質(zhì)Pz抑制蛋白質(zhì)Px的表達。基因網(wǎng)絡(luò)配置對應(yīng)一個環(huán)形振蕩器邏輯電路。第62頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三12.環(huán)形振蕩器在PLtetO-1啟動子的下游標放一個綠色熒光標記的蛋白以便顯示在任何特定細胞中cI的近似濃度。右圖顯示了在一個特定的細胞中熒光強度隨時間的變化，表現(xiàn)為振蕩，圖中的小條描繪細胞的分裂活動。其他細胞的振蕩行為差別很大。第63頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三三.基因回路的設(shè)計成果實例

第64頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)表合成生物學(xué)較多的刊物及新創(chuàng)刊的刊物PNASNatureScienceMSB第65頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三Nature,2010由基因編碼“與非門”構(gòu)成其他更復(fù)雜的邏輯門；基因編碼門間的化學(xué)連接。第66頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三基因編碼的“或非”門在大腸桿菌（E.Coli)中，2個串聯(lián)的啟動子作為輸入驅(qū)動阻遏子的轉(zhuǎn)錄。1個菌株形成1個或非門。群體感應(yīng)分子（quorummolecules）AHL（

Acylhomo-serinelactone）可以形成門間的連線。由多個或非門間的相互連接組成各種復(fù)雜的邏輯門。第67頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三基因編碼的“或非”門PBAD、PTet分別由arabinose(Ara)和anhydrotetracycline(aTc)激活。它門作為或非門的2個輸入啟動子。YFP（YellowFluorescentProtein，黃色熒光蛋白）作為輸出基因。流式細胞儀（flowcytometry）測量結(jié)果或門CI阻遏基因或非門55E-15E-25E-35E-40第68頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三其他輸入信號：3OC12-HSL激活的PLas啟動子也可作為輸入。PBAD、PTetPBAD、PLasPTet、PLas第69頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三第70頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三不同邏輯門的構(gòu)成第71頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三不同邏輯門的構(gòu)成第72頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三第73頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三第74頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三GeneRegulatoryNetwork

基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)第75頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三BasicGRNCircuitFlowGrossanatomyofaminimalgeneregulatorynetwork(GRN)embeddedinaregulatorynetwork.Aregulatorynetworkcanbeviewedasacellularinput-outputdevice.

/

第76頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三/Generegulatorynetworks‘interface’withcellularprocesses第77頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三第78頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)應(yīng)用BioEnergy.Cellsarebeingengineeredtoconsumeagriculturalproductsandproduceliquidfuels.BritishPetroleumandtheUSDOEgranted$650milliondollarsforresearchintheSanFranciscoBayArea.DrugProduction.Bacteriaandyeastcanbere-engineeredforthelowcostproductionofdrugs.Examplesincludetheanti-malarialdrugArtemisininandthecholesterol-loweringdrug（降膽固醇藥）.Materials.Recombinantcellshavebeenconstructedthatcanbuildchemicalprecursorsfortheproductionofplasticsandtextiles,suchasBio-PDO（1，3－丙二醇）andspidersilk（蛛絲）.Medicine.Cellsarebeingprogrammedfortherapeuticpurposes.BacteriaandT-cellscanberewiredtocirculateinthebodyandidentifyandtreatdiseasedcellsandtissues.第79頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三（1）美國UCB化學(xué)工程系教授、勞倫斯國家實驗室合成生物學(xué)中心主任Keasling本科曾獲得化學(xué)與生物學(xué)雙學(xué)位，后來又獲得化學(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，始終把細胞當作微生物制藥工廠（Microbialdrugfactories），進行設(shè)計、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、來自細菌、酵母及植物（青蒿Artemisiaannua）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NatureBiotechnology和2006年的Nature上。合成生物學(xué)研究舉例第80頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三Keasling實驗室

ResearchInterests:代謝工程，系統(tǒng)生物學(xué)，合成生物學(xué)SyntheticBiologyforSyntheticChemistryACSChemicalBiology,2008,3:64-76（合成生物學(xué)－合成化學(xué)－青蒿素合成舉例）ImportanceofsystemsbiologyinengineeringmicrobesforbiofuelproductionCurrentOpinioninBiotechnology2008,19:228–234（系統(tǒng)生物學(xué)－生物燃料生產(chǎn)）Metabolicengineeringofmicroorganismsforbiofuelsproduction:frombugstosyntheticbiologytofuels（代謝工程：微生物－合成生物學(xué)－生物燃料）

CurrentOpinioninBiotechnology2008,19:inpress

第81頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三Theprocessforthemicrobialproductionofartemisinin.Usingsyntheticbiology

用合成生物學(xué)生產(chǎn)抗瘧疾藥青蒿素第82頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三第83頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三ChristinaD.SmolkeDivisionofChemistryandChemicalEngineeringCaliforniaInstituteofTechnologyFoundationaladvancesinRNAengineeringappliedtocontrolofbiosynthesis第84頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三ASyntheticGene-MetabolicOscillator

Fung,E.,Wong,W.W.,Suen,J.K.,Bulter,T.,Lee,S.G.andLiao,J.C.(2005)Nature,435,118-122.

wedesignedandconstructedasyntheticcircuitinEscherichiacoliK12,usingglycolyticfluxtogenerateoscillationthroughthesignallingmetaboliteacetylphosphate.Iftwometabolitepoolsareinterconvertedbytwoenzymesthatareplacedunderthetranscriptionalcontrolofacetylphosphate,thesystemoscillateswhentheglycolyticrateexceedsacriticalvalue.Weusedbifurcationanalysistoidentifytheboundariesofoscillation,andverifiedtheseexperimentally.Thisworkdemonstratesthepossibilityofusingmetabolicfluxasacontrolfactorinsystem-wideoscillation,aswellasthepredictabilityofadenovogene–metaboliccircuitdesignedusingnonlineardynamicanalysis.第85頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三ResistancetoDiet-InducedObesityinMicewithSyntheticGlyoxylateShunt

CellMetabolism,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（JamesLiao）借鑒了合成生物學(xué)的的研究策略，發(fā)現(xiàn)了一項新的、具有煽動效應(yīng)的研究結(jié)果。他們將細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（JamesCollins）說：“這項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。”當前的基因或蛋白治療方案主要集中于單個分子，比如說替換一個缺失的分子，如胰島素，或者在癌癥中抑制一個有害蛋白的表達。換個思路，考林斯認為，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。第86頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三國際遺傳機器大賽（internationalGeneticallyEngineeredMachineCompetition，

iGEM）AssemblingBuildingBlocksforNovelFunctionsDNA元件庫生物系統(tǒng)基因機器構(gòu)建組裝Synthesis!第87頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三第88頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三DNA2.0DNA2.0Inc.

isaleadingproviderforsyntheticbiology.WithourgenesynthesisprocessyoucangetsyntheticDNAthatconformsexactlytoyourneeds,quicklyandcosteffectively.Applicationsofcustomgenesynthesisincludecodonoptimizationforincreasedproteinexpression,syntheticbiology,genevariants,RNAitrans-complementationandmuchmore.

第89頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三Information

vs.

ProcessingJustasinacomputer,databitsandprocessingbitsaremadefromthesamematerial,0or1,orA,T,C,G,orUinbiology第90頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三NatureasaComputerBiologicalsystemslikeDNAandRNAespeciallyappeartobemorethannetworksofinformation.RNAitselfcanbeseenasamoleculardecisionnetwork第91頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三E-CellE-CellSystemisanobject-orientedsoftwaresuiteformodeling,simulation,andanalysisoflargescalecomplexsystems

suchasbiologicalcells.Version3allowsmanycomponentsdrivenbymultiplealgorithmswithdifferenttimescalestocoexist

第92頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三ComputerModelingMetabolicPathwaysBioCyc–collectionoforganismspecificmetabolicpathwaydatabasescellMLisanXMLbasedformatforexchangingbiologicaldatafromgenestoproteinstometabolism第93頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三DigitalCellsMeet

SyntheticBiologyModelthecircuitValidatethecircuitTinkerwiththecircuitThen…AlterthegenetobuildanewproteinSNPswillgiveyoua‘firstapproach’Seeifthenewproteinis‘welltolerated’第94頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三GeneTherapyGenetherapyusinganAdenovirusvector.Anewgeneisinsertedintoanadenovirusvector,whichisusedtointroducethemodifiedDNAintoahumancell.Ifthetreatmentissuccessful,thenewgenewillmakeafunctionalprotein./wiki/Gene_therapy

第95頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三DNAVaccinesTheultimatemethodtotraintheimmunesystemagainstamultitudeofthreatsInjectaknownsequenceofDNATrickthecellintoexpressingit,thenseeingitasanantigentowardagainst.Usedtofightcancer.第96頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三AnimalModelSystemsMicemakeperfectmodels–astheyare:Cheap(reasonably)Fast/easygrowingVery‘inbred’MouseDNAarraysandthemousegenomearefairlywellknown,characterized第97頁，共109頁，2023年，2月20日，星期三StemCell

Technology

Onceyouhavean‘a(chǎn)lteredgenome’readytotestbeyondasimpleonecellenvironment,youleveragetheabilityofstemcellsto‘massproduce’