浅谈合成生物学.doc

浅谈合成生物学The Basic Of Synthetic Biology浅谈合成生物学The Basic Of Synthetic Biology 姓名： 刘志洋 指导老师： 吴敏蓝田学园 工学1117班 刘志洋 3110101731 浅谈合成生物学The Basic Of Synthetic Biology 3110101731刘志洋摘要:合成生物学是从人们长期以来对生命的了解和认识发展而来的，是科学研究经历积累、酝酿和萌发后水到渠成的结果，体现了对生命科学知识从学习了解到自由运用的转变；体现了对生物系统研究从拆解与还原到拼装与整合与转变；体现了对生命的认识从敬畏和膜拜到剖析和创造的转变。本文将从合成生物学研究进展、微生物基因组的合成重构、天然产物的生物合成及合成生物学在酶的定向进化中的应用等方面进行介绍，并展望合成生物学将为生物科学研究带来的巨大变化。关键词：合成生物学，基因，细胞，遗传，分子。Abstract Synthetic biology is from people to life long knowledge and understanding, It is science research experience accumulation, brewing and germination of success will come after the results. Reflecting life science knowledge by learning to understand the free use of transformation. Reflecting biological systems research and reduction to the assembled from disassembled and integration and change. Reflecting life from the understanding of the fear and worship to analyze and create change. In this paper, we will talk about the research progress of synthetic biology. And looking for the great changes synthetic biology will bring us. Key words Synthetic Biology genes cell DNA heredity.7 作者:刘志洋 目前合成生物学研究涵盖范围广泛，对其定义的表述不尽相同：合成生物学领域知名的网站(http：Hsyntheticbiologyorg)这样描述该领域的主要研究内容：“设计和构建新型生物学部件或系统以及对自然界的已有生物系统进行重新设计，并加以应用。”2010 年12 月，美国13位知名专家共同完成了一份名为新的方向的研究报告，专门探讨合成生物学问题，文中将合成生物学的研究目标定位为：“将标准化的工程技术应用于生物学，以此创造出新型或具有特定功能的生命体或生物系统，以满足无尽的需求。”从上述两种表述中，可以提炼出合成生物学的3个重要特征： 基于现有知识和技术进行创新研究； 采用工程化手段； 以应用为目标。 近几年合成生物学由于其他辅助技术的发展，有了翻天覆地飞跃。尤其是在微生物基因组的合成重构、天然产物的生物合成及合成生物学在酶的定向进化的等领域有了长足的进步。1.天然产物的合成（以乙醇的生产为例）近年来，随着我国经济建设飞速发展，对以石油、煤炭为主的能源产品的消耗速度不断加快，需求量不断提高。由于石油、煤炭等属于不可再生的化石能源，其储量锐减已经成为一个全球性的问题。因此，寻求非化石能源产品补充、替代已成共、识，而生物燃料乙醇正是这样一种被人们寄予厚望的能源产品，而且乙醇是目前为止世界上公认最安全、能较大规模供应市场的车用燃料。工业上的乙醇生产主要以酵母菌发酵为主，它所用到的材料是甘蔗、甜菜、玉米、小麦、纤维化物质等。生产过程是先将生物质转化成糖，再将糖发酵得到乙醇，而糖质材料可以直接发酵制取乙醇。一直以来，基于微生物代谢通路的乙醇生物合成被广泛研究。其中Ingram（美国科学家）等发现运动发酵单胞菌中调控乙醇生成的丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶催化乙醇的产生有着很高的效率，由此他们先运用基因敲除技术将大肠杆菌中自身的相应的酶基因敲除，然后再把发酵单胞菌中，调控乙醇生成的丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶的编码基因以及某种抗生素的抗性基因，采用基因重组技术引入大肠杆菌，之后在特异性的选择性培养基上培养。选择出来的菌株继续大量繁殖。从而培养出大量能够较为高效地产出乙醇(最大产量达到750 molL，占发酵产物的95以上)的重组菌株；而加州大学的Kim等通过化学诱变方法，使酵母菌自身的操纵子发生突变，获得一株能在厌氧条件下生长的产乙醇的酵母菌，突变株发酵木糖的产量达到224 g(细胞*h)，无论是发酵产量还是发酵速率都高于葡萄糖酵，并通过刚才提到的方法转入到大肠杆菌的细胞中在较极端的低氧环境下得到了搞笑的发酵菌;与此同时美籍华人张克春等改造了大肠杆菌的一个基因的三个碱基对的排列进而改变了醇类的生物合成途径，使之能产生高能量密度、低水溶性的长链醇，而之前科学家没有合成天然长链醇的方法。（以上一段部分数据引自北京生物工程研究所相关论文材料）目前这几项新技术已经渡过了实验期，将在未来几年逐步的投入市场进行商品化生产，而这一技术的飞跃是基于合成生物学的发展，而这一新技术也必将为将来能源问题的解决带来一定的突破方向。2.微生物基因组的合成重构我们知道，正常的同一物种之间可以通过基因重组进行基因交流，从而丰富后代的种类，而有些为生物进行二分裂测通过质粒的重组来完成某些基因的交流。而且这一过程都是随机的。没有办法通过自然段而方法在短时间内造出符合人类要求的某些生物特性。而微生物的基因组完成后，加之大片段DNA克隆技术的成熟， 使得人们可以在一个宿主中定向导入巨大的外源基因组片段。例如， 在2005年Itaya等通过大片段的克隆和重组叠加，将整个35 Mb的光合蓝藻集胞藻PCC6803基因组克隆到42 Mb的枯草芽孢杆菌168基因组中，获得了77Mb重组的新基因组。该基因组的结构稳定 但是， 只有在培养枯草芽孢杆菌的培养基上生长。可以预期，随着技术的进步，今后将会定向重构出可以在受体菌中表达来自供体基因组的编码复杂生物性状的基因簇，新的物种将会出现，原有的种属之间的界限将会进一步被打破。（引自中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所合成生物学重点实验室的相关材料）另一方面为了适应一些独特的生态环，如在动物和昆虫体内共生、寄生以及深海极端环境等，微生物基因组常常要丢失非生存所必需的基因、缺失许多代谢途径基因簇、删除重复序列、减少非编码区的序列、增加编码蛋白的基因的密度等， 以实现天然的最小基因组。人体内的生殖道支原体是可以获得纯培养的、具有最小基因组的微生物，也是最早完成测序的几个微生物基因组之一。美国科学家venter等测得它的580kb的基因组有477个蛋白编码区，携带了所有生存的关键基因，包括复制、转录、翻译、蛋白折叠、能量代谢途径等。其中与细菌共生的基因组大小仅约160 kb， 编码蛋白的基因高度紧凑、相互重叠。超过一半的基因编码翻译和氨基酸代谢， 但是一些关键的氨基酸合成途径丢失了。他们用遗传物质替换的方法把已经合成好的基因，转入到已经去除基因的细胞质中成功的合成了世界上第一个人造生命。而这只是个开始，我们可以想象，在未来的某一天当我们对基因的功能及其结构的关系有了进一步的而了解之后，当我们完全破译了生命的奥秘之后，当生命已经不再神奇，那时候运用合成生物学的而相关技术我们通过对微生物基因的重组及操控，会有更大的可能性创造更多对我们更加有用的生物学产品。3.合成生物学的应用前面两篇介绍了合成生物学的某些前沿的技术方法，下面我们要具体的说一下合成生物学在某些领域的具体应用。3.1.在环境保护上的应用学者们正在积极努力地改进和运用人造微生物的特殊能力，期望能更有效地发挥其功能， 从而解决现在及未来可能出现的问题。例如：利用DNA 传感器监测食物腐败情况及土壤的养分含量； 采用人造微生物分泌的生物表面活性剂清除土壤和水体中的污染物，实现可控的生物修复。2010年美国墨西哥湾及其他地区的原油泄露事故，对自然环境造成了恶劣影响。应用合成生物学改造的微生物将能够更有效地控制污染，并保护生态环境。此外，合成生物学技术也已经用于有毒化工产品的生物降解，包括处理工业生产中常用的冷却剂、溶剂、爆炸物以及石油、煤炭及焦油的燃烧残渣等3.2.探索生命的奥秘经过漫长的自然进化，形成了现今我们认识的这个生物世界。不论现有生命模式是否完美，今天的人类都无法重复这一充满偶然事件的过程，抑或重新选择进化道路。但是，当合成生物学武装了人们的好奇心与创造力时，研究的学者们有了更多的思考和尝试，也许围绕生命奥秘的疑团，将在合成生物学的帮助下被一一解开（以下一段引自合成生物学概论）Neumann等设计了新的非天然氨基酸并扩展了遗传密码； 不同研究小组设计了称作“人工扩展的遗传信息系统”，并创造了新型核苷酸；Lee等 ” 创造了xDNA 和yDNA，从而改变了DNA 双螺旋的结构和特点；2008年，通过长期从事细胞膜结构的研究，创造出能自行组装的人工模拟细胞膜结构；2009年的诺贝尔奖获得者Szostak率领研究小组构建了原细胞模型，并探索了这些地球最初的细胞如何与环境进行物质交换； 哈佛大学的Forster和Church开展了多项合成生物学研究，包括合成最小细胞以及从头合成具有生物学功能的人造核糖体；为了研究改造后的。基因组在新细胞中的特征及功能，Endy等对T7噬菌体的基因组进行了重新设计，并用其取代了野生型的基因组；Lartigue等在两种支原体间实现了基因组移植和取代，在此基础上，Gibson等利用从头合成的基因组获得了人造支原体细胞。合成生物学研究在生命科学领域的探索推动了人造生命体研究的快速发展，从另一个方面为我们研究生命的起源提供了一种新的途径。可想而知当我们对生命系统的组成及其相互之间的关系有了更进一步的了解之后，当我们可以自己合成生命时，生命起源问题也许也会更加的清晰了。3.3.合成生物学在医药方面的应用药物研发通过改造生命体的代谢通路来认识和控制生产药物的代谢过程，早已得到广泛应用，采用工程化细菌和细胞生产胰岛素、疫苗等临床药物已有超过30年的历史。与此相比，虽然合成生物学对于药物研发的推动作用还处在初期，但其能够更高效地筛选新药，实现源头创新以及优化制备工艺、降低生产成本等优势正在逐渐显现。生物合成次级代谢产物是极具应用价值的研究之一，可以为药物研发提供丰富资源。相关人员重新设计了生产青蒿素的代谢途径并提高了产能，令抗疟药的研究成果广为人知，在制药业巨头赛诺菲一安万特公司的积极运作下，这一采用合成生物学技术路线研制的药物已经于今年年初上市，其低廉的价格和稳定的供应令无数患者受益。并且构建了体外多酶全合成途径，在两个小时内合成出天然抗生素-肠道菌素， 大大减少了药物的生产环节并缩短了制备周期。此外，合成生物学技术还可用于构建药物筛选相关的分子及细胞模型。3.4制备清洁能源目前，全球都面临着资源短缺和环境污染的双重压力，应用合成生物学技术可以从可再生资源中制备清洁能源，从而减少对于化石燃料的依赖，减少有害物排放，进而缓解由石油资源触发的一系列政治和经济问题。应用合成生物学技术改造的“超级”酵母或细菌通过对生物质进行能量转化”，可以将林业、农业及生活的废料、废水转化为新型的生物能源，并通过提高生物能转化的速度和效率向规模化应用发展。建立、健全以合成生物学技术为基础的可持续发展的生物工业体系，将是缓和能源、环保等领域所面临严峻形势的解决途径之一 ，并将创造新的经济增长点。3.4.1.生物醇类替代能源 美国Amyris公司正在应用合成生物学技术平台，利用酵母制备纤维素乙醇。而生物丁醇产物经过简单纯化甚至可以直接用于传统的汽油发动机，BP 公司与DuPont公司、美国能源部下属的JointBioenergy研究所、美国的Gevo以及LS9公司都在通过改造细菌研制生物丁醇。Atsumi等 研制的大肠杆菌更适用于工业化生产生物丁醇。3.4.2.生物制氢氢是非常理想的燃料。生物制氢是合成生物学工业化应用的又一重要研究项目。采用改造的细菌和藻类实现生物制氢的方案正在研发中。目前最有前景的研究方案是采用合成的酶解通路，通过降解淀粉和水实现高效制氢。此方案不仅仅可以制备氢燃料，将糖类物质视为氢的载体还缓解了存储困难的问题。4.对未来的展望合成生物学在当代生物科技发展中诞生，正在推动人类社会进入一个新的时代。展望未来，由人类设计的各种微生物或其他人工生命，将广泛应用于医疗、环境治疗，能源生产等领域，高效为人类服务。合成生物学对于生命科学、能源与食品、公众健康、经济健康快速发展乃至国家安全都有着重要影响。英国皇家工程院于2009年5月发表的合成生物学蓝皮书中提出：“合成生物