第八章合成生物學(xué)

第一頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一內(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.展望第二頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一15.1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1978年Skallka在對(duì)限制性內(nèi)切核酸酶的評(píng)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(lái)描述基因重組技術(shù)。DNA合成測(cè)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)。第三頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一20世紀(jì)提出的概念用現(xiàn)有的有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)的合成能力設(shè)計(jì)非天然的分子，使這些分子在生命體系中發(fā)揮功能。通過(guò)合成的方法來(lái)理解自然的生命體系，構(gòu)建創(chuàng)造新的人工生命體。第四頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

美國(guó)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(shí)驗(yàn)室，科研人員在其為期15年的研究項(xiàng)目中，已成功制造出全球首個(gè)“合成細(xì)胞”，一種稱為絲狀支原體的細(xì)菌。

第五頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（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(jì)剛剛出現(xiàn)的一個(gè)分支學(xué)科。

目的在于設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新的生物組件和體系，對(duì)現(xiàn)有的生物體系進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。從基本的生物組件構(gòu)建復(fù)雜的人工生命體系，對(duì)整個(gè)生命過(guò)程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建。第六頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

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(jì)構(gòu)建有新功能的生物體系。

第七頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一15.2合成生物學(xué)的研究方法和工具（1）合成生物學(xué)的研究方法工程領(lǐng)域中所有的單元部件都具有獨(dú)立功能，可以互換，容易進(jìn)行模塊化的組合，即從零件到器件再到系統(tǒng)。

第八頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一合成生物學(xué)包含工程學(xué)的理念，任何一個(gè)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。第九頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

2004年，美國(guó)就成功在一位半身不遂的男性患者大腦中植入了一個(gè)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(lái)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。現(xiàn)在就已經(jīng)出現(xiàn)了可以部分控制的假肢。第十頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一標(biāo)準(zhǔn)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：第十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一標(biāo)準(zhǔn)化

從可更換的部件庫(kù)，快速構(gòu)建多組分體系，包括建立生物學(xué)功能、試驗(yàn)的檢測(cè)條件及系統(tǒng)做出通用、便捷的標(biāo)準(zhǔn)。不同部件間要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)“即插即用”的性能。第十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一2003MIT成立了標(biāo)準(zhǔn)生物部件登記處，數(shù)據(jù)庫(kù)收集了3200個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化生物學(xué)部件。

第十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一第十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一第十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解成若干可操作的獨(dú)立的簡(jiǎn)單問(wèn)題。復(fù)雜系統(tǒng)去偶合第十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

抽象化：將生物功能單元?jiǎng)澐譃椴煌瑢哟巍?/p>

DNA、RNA、蛋白質(zhì)、代謝物相互作用系統(tǒng)第十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（2）合成生物學(xué)的組成工具將這些器件逐級(jí)設(shè)計(jì)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第十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

標(biāo)準(zhǔn)生物部件具有特定生物學(xué)功能的基因編碼元件

啟動(dòng)子、調(diào)控因子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)、編碼序列、終止子第十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一第二十頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一15.3

合成生物學(xué)的研究方向15.3.1

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(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)構(gòu)建非天然的基因調(diào)控模塊設(shè)計(jì)構(gòu)建細(xì)胞生命活動(dòng)的分子網(wǎng)絡(luò)。用途：調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)功能。第二十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一基因線路第二十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一1）基因撥動(dòng)開(kāi)關(guān)e.g.E.coli報(bào)告基因誘導(dǎo)物A阻遏物A啟動(dòng)子B啟動(dòng)子A阻遏物B誘導(dǎo)物B第二十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

通過(guò)加入不同的誘導(dǎo)物實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)在兩個(gè)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。第二十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）基因振蕩器FT1激活它本身和FT2；FT2過(guò)量，會(huì)抑制FT1第二十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一3）大腸桿菌成像系統(tǒng)

將細(xì)菌改造成感光膠片，像素1平方米1億像素分辨率。第二十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

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第二十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一15.3.2

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。第二十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一代謝途徑改造----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(lái)優(yōu)化整合到宿主細(xì)胞合成目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)第二十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.

青蒿酸合成線路的設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)40℃或更高，面色潮紅，全身大汗淋漓，大汗后體溫降至正常或正常以下。經(jīng)過(guò)一段間歇期后，又開(kāi)始重復(fù)上述間歇性定時(shí)寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。

第三十頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

每年5億人感染，100萬(wàn)死亡。目前最有效的是青蒿素，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本昂貴。

中藥青篙中提取的有過(guò)氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯藥物。第三十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一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，改造獲得E.coli

青蒿酸的產(chǎn)量300mg/L。第三十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一困難：難以預(yù)計(jì)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(gè)基因的功能、探究這些功能基因組合在一起的運(yùn)作機(jī)制。第三十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

由于在生物合成抗瘧疾藥物的突出成就,Keasling被美國(guó)“發(fā)現(xiàn)”雜志評(píng)選為2006年度最有影響的科學(xué)家。該項(xiàng)目已經(jīng)獲得比爾-梅林達(dá)蓋茨基金會(huì)4300萬(wàn)美元的資助,進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室研究、中試、臨床實(shí)驗(yàn)等后續(xù)工作。第三十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一2.

代謝途徑的快速進(jìn)化基因突變改造代謝途徑生產(chǎn)目標(biāo)化合物第三十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一Church

對(duì)20種番茄紅素合成有關(guān)的基因進(jìn)行突變；將突變的90個(gè)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。第三十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一3.

利用合成生物學(xué)生產(chǎn)新能源

Kaslling利用13個(gè)可逆的酶促反應(yīng)組合起來(lái)創(chuàng)建一條非天然的催化路徑。

淀粉+水H2第三十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一15.3.3

最小基因組與合成生物學(xué)合成生物學(xué)最終目標(biāo)：

合成獨(dú)立的可遺傳的人工生命體

第三十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一人工生命的基本要素具有膜系統(tǒng)能進(jìn)行新陳代謝具有自己的基因第三十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一研究最簡(jiǎn)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。第四十頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一1.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

第四十一頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一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。

絲狀支原體第四十二頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一2.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(dá)82Kb）,細(xì)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(dá)都有改變。第四十三頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一電穿孔第四十四頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

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。

第四十五頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一最小基因組優(yōu)點(diǎn)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；為插入模塊提供最簡(jiǎn)單無(wú)干擾的環(huán)境。第四十六頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一理想的細(xì)胞底盤(pán)應(yīng)具備的條件長(zhǎng)期培養(yǎng)中保持基因穩(wěn)定能夠在低營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中生長(zhǎng)以降低成本同時(shí)協(xié)調(diào)多基因的表達(dá)能夠通過(guò)調(diào)整合成路徑抑制與生產(chǎn)無(wú)關(guān)的合成路徑第四十七頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一15.3.4構(gòu)建多細(xì)胞體系多細(xì)胞體系是建立在群體細(xì)胞效應(yīng)的研究基礎(chǔ)上，多細(xì)胞涉及細(xì)胞間的通信體系。

群體效應(yīng)：微生物通過(guò)自身產(chǎn)生的一種化學(xué)信號(hào)來(lái)感受群體的濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊的行為。第四十八頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一細(xì)菌QS系統(tǒng)作用細(xì)菌根據(jù)特定信號(hào)分子的濃度可以監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境中自身或其它細(xì)菌的數(shù)量變化，當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定的濃度閾值時(shí)，能啟動(dòng)菌體中相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)適應(yīng)環(huán)境中的變化。第四十九頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一枯草芽胞桿菌利用QS系統(tǒng)對(duì)細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)行調(diào)控當(dāng)營(yíng)養(yǎng)豐富、菌體稀少時(shí)向感受態(tài)方向發(fā)展；營(yíng)養(yǎng)貧乏菌體密度高時(shí)向芽胞方向發(fā)展。

第五十頁(yè)，共五十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一15.4