系統(tǒng)生物學(xué)的原理及應(yīng)用課件

系統(tǒng)生物催化的原理及應(yīng)用歐陽平凱南京工業(yè)大學(xué)2005.08.13現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)面臨重大的挑戰(zhàn)以石油等化石資源為源頭的化學(xué)工業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)在于化石資源日益枯竭化石資源的市場價(jià)格上漲迅速，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的原料成本猛增光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)循環(huán)目前世界化石資源消耗＜僅需使用小于10%生物質(zhì)循環(huán)，即可替代化石資源950億噸

C／年65億噸

C／年現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)面臨的機(jī)遇

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)資源的生產(chǎn)不斷提高例如乙烯的生產(chǎn)石化路線：以1噸原油加工0.6噸乙烯計(jì)算6430元原料＝1噸乙烯＋副產(chǎn)品生物路線：以5噸玉米加工1噸乙烯計(jì)算6000元原料＝1噸乙烯＋副產(chǎn)品生物催化與轉(zhuǎn)化已成為

發(fā)達(dá)國家的重要科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略新的生物催化劑是21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的化學(xué)加工業(yè)的必需工具。2020年，通過生物催化技術(shù)，使化學(xué)加工業(yè)的原料、水資源、能量的消耗各降低30％，污染物的排放和擴(kuò)散也減少30％。20世紀(jì)80年代20世紀(jì)90年代21世紀(jì)生物醫(yī)藥

轉(zhuǎn)基因植物

生物催化生物技術(shù)的三次浪潮存在的問題自發(fā)、分散、Case-by-case的研究模式（周期平均20年），效率低、周期長品種繁多的大量的酶，催化體系矛盾？傳統(tǒng)模式工業(yè)化需要

傳統(tǒng)研究方式與工業(yè)化需要的矛盾問題分析一些重要而急需的人工轉(zhuǎn)化體系還沒有合適的菌種和酶。(酶活太低）構(gòu)建快速高效的生物催化劑的改造方法？難點(diǎn)與周期太長生物催化劑改造的方法學(xué)基礎(chǔ)理論問題新來源基因與酶!可提高酶活數(shù)倍～數(shù)萬倍提高酶活5～30％，十分困難問題分析微生物與酶不適應(yīng)工業(yè)環(huán)境產(chǎn)品濃度低，分離成本高建立高效率的高濃度生物催化反應(yīng)體系!？應(yīng)用的成本問題生物催化劑適應(yīng)性原理生物系統(tǒng)催化的理論和方法系統(tǒng)生物催化的基礎(chǔ)理論問題必須從生物催化體系的全局進(jìn)行研究應(yīng)用系統(tǒng)生物學(xué)原理

研究生物催化反應(yīng)體系生物催化劑微生物-來源分子設(shè)計(jì)-改造環(huán)境生物反應(yīng)系統(tǒng)適應(yīng)性NoYes高效生物轉(zhuǎn)化過程介質(zhì)工程系統(tǒng)生物學(xué)方法系統(tǒng)生物學(xué)

——面向系統(tǒng)的生物學(xué)研究系統(tǒng)生物學(xué)從系統(tǒng)水平來理解生物學(xué)系統(tǒng)，利用一系列的原理與方法學(xué)來研究分子行為與系統(tǒng)特性與功能的關(guān)系，通過計(jì)算生物學(xué)來定量闡明和預(yù)測生物的功能、表型和行為。1948年，控制論之父NorbertWiener提出生物系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以用同樣的科學(xué)方法進(jìn)行研究20世紀(jì)60年代生物化學(xué)系統(tǒng)理論（BST）

20世紀(jì)70年代謝控制理論（MCT）21世紀(jì)的系統(tǒng)生物學(xué)穩(wěn)態(tài)或擬穩(wěn)態(tài)理論、模型的數(shù)據(jù)不充分分子生物學(xué)、基因組測序以及高通量測量技術(shù)的進(jìn)展，使生物信息系統(tǒng)（BIS）的建立成為可能人類基因組計(jì)劃和各種組學(xué)技術(shù)把生物學(xué)帶入系統(tǒng)科學(xué)的時(shí)代近幾十年來發(fā)展最為迅速的生物科學(xué)21世紀(jì)的生物學(xué)分子水平，系統(tǒng)生物學(xué)的基礎(chǔ)整合性的大科學(xué)分子生物學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)

系統(tǒng)生物學(xué)與分子生物學(xué)分子生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)還原主義將生物學(xué)還原到分子水平

整體主義從系統(tǒng)層次上理解生物系統(tǒng)研究對(duì)象是生物系統(tǒng)的組成部分（個(gè)別基因、個(gè)別蛋白質(zhì)）研究對(duì)象是組成部分的相互作用或部分之間關(guān)系——本質(zhì)上就是信息

側(cè)重從實(shí)驗(yàn)中獲取數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的挖掘（datamining）實(shí)驗(yàn)的深層次成果往往被忽視

獲得深層次成果，理論創(chuàng)新

分子生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)——大科學(xué)工程系統(tǒng)生物學(xué)，是把孤立的在基因水平、蛋白水平的各種相互作用、各種代謝途徑、調(diào)控途徑等融合起來，用以說明生物整體，高通量的組學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成了系統(tǒng)生物學(xué)的大科學(xué)工程。系統(tǒng)生物學(xué)的中心法則？基因組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)系統(tǒng)整合的法則分子生物學(xué)理論分析與實(shí)驗(yàn)篩選的綜合法則環(huán)境調(diào)控代謝組學(xué)生物系統(tǒng)學(xué)行為或生物催化系統(tǒng)的功能

系統(tǒng)生物學(xué)將是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的核心驅(qū)動(dòng)力。LeroyHood，人類基因組計(jì)劃的發(fā)起人之一世界上第一個(gè)系統(tǒng)生物學(xué)研究所InstituteforSystemsBiologyfoundedby

LeroyHoodin1999系統(tǒng)生物學(xué)——全球發(fā)展熱點(diǎn)美國能源部2002年啟動(dòng)了21世紀(jì)系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)成立了系統(tǒng)生物學(xué)研究機(jī)構(gòu)中國科學(xué)院生命科學(xué)研究所與上海交大于2003年聯(lián)合成立了上海系統(tǒng)生物學(xué)研究所德國、日本、韓國、新加坡、菲律賓等國成立了系統(tǒng)生物學(xué)研究機(jī)構(gòu)系統(tǒng)生物學(xué)的技術(shù)平臺(tái)組學(xué)（Omics），基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、相互作用組學(xué)、表型組學(xué)和計(jì)算機(jī)生物學(xué)等產(chǎn)品

基因組學(xué)

轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)CitrateCycle代謝組學(xué)

生化反應(yīng)系統(tǒng)生物學(xué)——整合性的研究方法模型模擬預(yù)測數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)比較建立/修改模型生物學(xué)知識(shí)生物系統(tǒng)系統(tǒng)生物催化的研究模式生物催化體系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)群全局量化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能系統(tǒng)調(diào)控系統(tǒng)生物催化研究內(nèi)容之一：

一種新的生物催化劑的改造方法特定基因序列結(jié)構(gòu)與催化功能信息

定點(diǎn)突變表達(dá)純化結(jié)構(gòu)和活性表征

穩(wěn)定性、適應(yīng)性信息

所需要的生物催化劑

yes循環(huán)分子設(shè)計(jì)

因特網(wǎng)生物信息數(shù)據(jù)庫生物催化劑理性分子設(shè)計(jì)示意圖

特定基因反轉(zhuǎn)錄酶/易錯(cuò)PCR技術(shù)豐富的變種DNA文庫（生物質(zhì)譜）高通量篩選技術(shù)高效生物催化劑循環(huán)正向突變基因生物催化劑快速定向進(jìn)化示意圖穩(wěn)定性活性有機(jī)溶液中的活性不同的底物的利用酸堿度蛋白質(zhì)的表達(dá)親和性專一性理性分子設(shè)計(jì)和定向進(jìn)化的結(jié)合高效人工進(jìn)化酶的構(gòu)效關(guān)系輔酶底物定向進(jìn)化與理性分子設(shè)計(jì)的結(jié)合策略天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶熱穩(wěn)定性改造

實(shí)際應(yīng)用舉例酶與熱穩(wěn)定性有關(guān)功能區(qū)的確定結(jié)構(gòu)分析軟件Rasmol

分析酶的三維結(jié)構(gòu)序列分析軟件ClustalW分析酶的一維結(jié)構(gòu)利用生物信息學(xué)平臺(tái)進(jìn)行蛋白質(zhì)合理設(shè)計(jì)應(yīng)用DeepView（蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測軟件）確立天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶的熱穩(wěn)定性有關(guān)的功能區(qū)域突變基因文庫的建立引入隨機(jī)引物，利用基因工程手段建立突變基因文庫突變基因文庫的篩選采用高通量篩選的技術(shù)平臺(tái)

對(duì)構(gòu)建的突變菌庫進(jìn)行篩選

CompoundLibraryUniqueCompoundinEachWellAssayTargetPlateReaderSameAssayandTargetinEachWel