第八章合成生物学(2)

1、合成生物学合成生物学Synthetic biology(概念、原理、应用概念、原理、应用)马飞马飞人工染色体人工染色体(技术技术)BAC(细菌人工染色体细菌人工染色体)：Bacteria以细菌作为对象，将以细菌作为对象，将DNA片段与质粒重组后转片段与质粒重组后转入细菌中繁殖入细菌中繁殖YAC(酵母人工染色体酵母人工染色体)：Yeast以酵母作为对象以酵母作为对象PAC(噬菌体人工染色体噬菌体人工染色体)：Phagemid以噬菌体作为对象以噬菌体作为对象TAC(可转化的细菌人工染色体可转化的细菌人工染色体) MAC(哺乳类人工染色体哺乳类人工染色体)合成生物学应运而生合成生物学应运而生Synt

2、hetic BiologyWhat is Synthetic Biology? Taking an engineering approach to design and applying it to Biology 使用工程策略设计并应用于生物学What is Synthetic Biology?1. Biology2. Chemistry3. Engineering4. Re-WritingBiologistsChemistsEngineers“Re-Writers”“The code is 3.6 billion years old. Its time for a re-write.” -

3、Tom KnightBiology“Test models by building them”合成生物学合成生物学 指人们将指人们将“基因基因”连接成网络，让细胞来连接成网络，让细胞来完成设计人员设想的各种任务。完成设计人员设想的各种任务。 例如把网络同简单的细胞相结合，可提高生物例如把网络同简单的细胞相结合，可提高生物传感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的传感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置。位置。 再如向网络加入人体细胞，可以制成用于器官再如向网络加入人体细胞，可以制成用于器官移植的完整器官。移植的完整器官。人工合成脊髓灰白质炎病毒人工合成脊髓灰白质炎病毒cDNA 美国纽约大学美

4、国纽约大学Wimmer 实验室于实验室于2002年报年报道了化学合成道了化学合成 脊髓灰白质炎病毒脊髓灰白质炎病毒cDNA，并用并用RNA聚合酶将它转聚合酶将它转 成有感染活力的病成有感染活力的病毒毒RNA。 开辟了利用已知基因组序列，不需要天然模板，开辟了利用已知基因组序列，不需要天然模板，从化合物单体合成感染性病毒的先河。从化合物单体合成感染性病毒的先河。 Wimmer从装配平均长度为从装配平均长度为69 bp的寡核苷的寡核苷酸入手，结合了化学合成与无细胞体系的酸入手，结合了化学合成与无细胞体系的从头合成，用了从头合成，用了3 年时间完成了这个划时代年时间完成了这个划时代的工作。的工作。V

5、enter 实验室发展了合成基因组实验室发展了合成基因组 X-174 噬菌体基因是单链环状噬菌体基因是单链环状 DNA，是历史上第一个被纯，是历史上第一个被纯化的化的DNA 分子，也是第一个被测序的分子，也是第一个被测序的DNA分子。分子。 X- 174 噬菌体对动植物无害，是合适的合成研究对象。噬菌体对动植物无害，是合适的合成研究对象。 美国美国Venter 实验室发展了合成基因组的工作，实验室发展了合成基因组的工作， 该实验室只用该实验室只用两周就合成了两周就合成了 X-174 噬菌体基因噬菌体基因 (5,386bp) 。 Venter实验室的技术改进主要有：实验室的技术改进主要有： (1

6、)用凝胶来提纯寡核苷酸以减少污染；用凝胶来提纯寡核苷酸以减少污染； (2) 严格控制退火连接温度来防止与不正确的序列发生连严格控制退火连接温度来防止与不正确的序列发生连 接；接； (3)采用聚合酶循环装置来装配连结产物。采用聚合酶循环装置来装配连结产物。合成生物学国际会议合成生物学国际会议 2004 年年6 月在美国麻省理工学院举行了第一届月在美国麻省理工学院举行了第一届 合成生物合成生物学国际会议。学国际会议。 会上除讨论了科学与技术问会上除讨论了科学与技术问 题外，还讨论了合成生物学题外，还讨论了合成生物学当前与将来的生物学风险，有关伦理学问题，以及知识产当前与将来的生物学风险，有关伦理学

7、问题，以及知识产权问题。权问题。 随着这个领域的发展，对于合成生物学的安全性的考虑愈随着这个领域的发展，对于合成生物学的安全性的考虑愈来愈多。来愈多。 现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。合成生物学开辟了设计生命的前景合成生物学开辟了设计生命的前景 一方面有可能合成模仿生命物质特点的人一方面有可能合成模仿生命物质特点的人工化学系统；另一方面也可能重新设计微工化学系统；另一方面也可能重新设计微生物生物 如如Keasling 实验室向大肠杆菌中导入青蒿与酵实验室向大肠杆菌中导入青蒿与酵母的基因，使大肠杆菌能在调节下合成青蒿素，母的基因，使

8、大肠杆菌能在调节下合成青蒿素，从而显示了有效而价廉的治疗疟疾的前景从而显示了有效而价廉的治疗疟疾的前景 合成生物学今后将能生成自然界不存在的新的合成生物学今后将能生成自然界不存在的新的微生物。微生物。应用示例应用示例 Schultz 实验室研究向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添实验室研究向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添入新组份，使之能通过基因生成非天然的氨基酸，结果取入新组份，使之能通过基因生成非天然的氨基酸，结果取得了成功。但是要在真核细胞做到这一点还有难度。得了成功。但是要在真核细胞做到这一点还有难度。 2003年，年，Schultz 实验室报道了一种向酵母加实验室报道了一种向酵母加 入非天

9、然入非天然氨基酸密码子的方法，成功地向蛋白质中导入了氨基酸密码子的方法，成功地向蛋白质中导入了5 种氨基种氨基酸。酸。 目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已有目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已有80多种。多种。 今后将可以直接向蛋白质导入顺磁标记、金属结合、光敏今后将可以直接向蛋白质导入顺磁标记、金属结合、光敏异构化等的氨基酸，促进蛋白质结构与功能的研究。异构化等的氨基酸，促进蛋白质结构与功能的研究。应用示例应用示例 Brenner 提出向细胞提出向细胞DNA中掺入天然不存中掺入天然不存在的碱基来发展人工遗传系统在的碱基来发展人工遗传系统, 支持支持人工人工生命形式生命形式。 合成生物学也将

10、对生命起源，其他生命形合成生物学也将对生命起源，其他生命形式的研究作出贡献。式的研究作出贡献。控制生命控制生命 目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，研制目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，研制不同的基因线路不同的基因线路即特别设计的、相互影响即特别设计的、相互影响的基因。的基因。 波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种“套环开关套环开关”，所选择的细胞功能可随意开关。，所选择的细胞功能可随意开关。 加州大学生物学和物理学教授埃罗维茨等人研究加州大学生物学和物理学教授埃罗维茨等人研究出另外一种线路：出另外一种线路： 当某种特殊蛋白质含量发生变化时

11、，细胞能在发光状当某种特殊蛋白质含量发生变化时，细胞能在发光状态和非发光状态之间转换，起到有机振荡器的作用，态和非发光状态之间转换，起到有机振荡器的作用，打开了利用生物分子进行计算的大门。打开了利用生物分子进行计算的大门。 维斯维斯和加州理工学院化学工程师和加州理工学院化学工程师阿诺尔阿诺尔一一起，采用起，采用“定向进化定向进化”的方法，精细调整的方法，精细调整研制线路，将基因网络插入细胞内，有选研制线路，将基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。择性地促进细胞生长。发展方向发展方向 维斯维斯目前正在研究另外一群称为目前正在研究另外一群称为“规则系统规则系统”的的基因，他希望细菌能估计刺激

12、物的距离，并根据基因，他希望细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。距离的改变做出反应。 该项研究可用来探测地雷位置该项研究可用来探测地雷位置(TNT：生物传感器：生物传感器)。 维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程 促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。 尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领域中重要的进展。域中重要的进展。J. Craig Venter

13、：基因组替换：基因组替换 成功利用基因组取代技术，将一种细菌改变为另成功利用基因组取代技术，将一种细菌改变为另一种与之亲缘关系较为紧密的另一细菌。这种由一种与之亲缘关系较为紧密的另一细菌。这种由J. Craig Venter 进行的进行的 “移植移植(transplantation)”技术，有望将合成基因组插入细胞，用于生产合技术，有望将合成基因组插入细胞，用于生产合成生命。成生命。 用用Mycoplasma mycoides（蕈状支原体（蕈状支原体 ）的基因组）的基因组取代与之关系密切的取代与之关系密切的 Mycoplasma capricolum(山羊山羊支原体支原体)的基因组的基因组 C

14、. Lartigue et al. Genome transplantation in bacteria: Changing one species to another Science, June 28, 2007.人类历史上第一个人造染色体合成成功人类历史上第一个人造染色体合成成功美科学家称美科学家称“人造生命人造生命”技术已被掌握技术已被掌握最具争议的美国著名科学家克雷格最具争议的美国著名科学家克雷格文特尔宣布，他的研究小组已经文特尔宣布，他的研究小组已经合成出人类历史上首个人造染色体，合成出人类历史上首个人造染色体，并有可能创造出首个永久性生命并有可能创造出首个永久性生命形式，以此作为

15、应对疾病和全球变暖的潜在手段形式，以此作为应对疾病和全球变暖的潜在手段。该研究部分由美国能源部出资，希望藉此研制出新型环保燃料。由文该研究部分由美国能源部出资，希望藉此研制出新型环保燃料。由文特尔召集，诺贝尔医学奖获得者汉密尔顿特尔召集，诺贝尔医学奖获得者汉密尔顿史密斯领导的研究小组在史密斯领导的研究小组在这方面已经进行了这方面已经进行了5年研究。年研究。文特尔已用化学药品在实验室中研制出一种合成染色体。文特尔已用化学药品在实验室中研制出一种合成染色体。文特尔研究小组研制出的这种新型染色体即实验室合成支原体文特尔研究小组研制出的这种新型染色体即实验室合成支原体(Mycoplasma labor

16、atorium)，是一种经过简化拼接的生殖支原体，是一种经过简化拼接的生殖支原体(Mycoplasma genitalium)DNA序列，他们将这种合成支原体移植到序列，他们将这种合成支原体移植到活细胞中，使之在细胞中起主控作用，变换成一种新的染色体。活细胞中，使之在细胞中起主控作用，变换成一种新的染色体。按照实验计划，最终这个染色体将控制这个细胞并变成一个新的生命按照实验计划，最终这个染色体将控制这个细胞并变成一个新的生命形式。形式。这种新单细胞生物体被命名为这种新单细胞生物体被命名为“合成器合成器”，受，受381个基因控制，包含个基因控制，包含56万个碱基对。万个碱基对。这些基因是维持细菌

17、生命所必备的，使它能够摄食和这些基因是维持细菌生命所必备的，使它能够摄食和繁殖。由于新的生物体是在现存生物体上搭建，其繁殖和新陈代谢仍繁殖。由于新的生物体是在现存生物体上搭建，其繁殖和新陈代谢仍然依赖原来生物体的胞内机制。然依赖原来生物体的胞内机制。从这一角度看，它并非完全意义上的新型生命形式。但这种给特定基从这一角度看，它并非完全意义上的新型生命形式。但这种给特定基因赋予特定任务的观点已被众多生物学家广泛接受。因赋予特定任务的观点已被众多生物学家广泛接受。 “这是人类自然科学史上一次重大进步，显示人这是人类自然科学史上一次重大进步，显示人类正在从阅读基因密码走向有能力重新编写密码，类正在从阅

18、读基因密码走向有能力重新编写密码，这将赋予科学家新的能力，从事以前从未做过的这将赋予科学家新的能力，从事以前从未做过的研究。研究。” 他希望这项突破有助于发展新能源，应对气候变化造他希望这项突破有助于发展新能源，应对气候变化造成的负面影响。如创造出具有特殊功能的新微生物，成的负面影响。如创造出具有特殊功能的新微生物，可被用作替代石油和煤炭的绿色燃料，或用来帮助清可被用作替代石油和煤炭的绿色燃料，或用来帮助清除危险化学物质或辐射等；还可用来合成能吸收过多除危险化学物质或辐射等；还可用来合成能吸收过多二氧化碳的细菌，为解决气候变暖贡献力量。二氧化碳的细菌，为解决气候变暖贡献力量。 然而制造永久生命

19、形式的前景极具争议性，有可然而制造永久生命形式的前景极具争议性，有可能激起道德、伦理等方面的激烈辩论。能激起道德、伦理等方面的激烈辩论。 加拿大生物伦理学组织加拿大生物伦理学组织ETC团体主任帕特团体主任帕特穆尼说，穆尼说，文特尔制造出了文特尔制造出了“一个基架，在此基架上人们几一个基架，在此基架上人们几乎可以制造出任何东西乎可以制造出任何东西”，“它可以用于研究新它可以用于研究新型药物，也可以用于对人类产生巨大威胁的生物型药物，也可以用于对人类产生巨大威胁的生物武器武器”。2009：Venter：Science 把蕈状支原体的基因组加以改造，使它能把蕈状支原体的基因组加以改造，使它能够终移植

20、到山羊支原体内，形成了一个新够终移植到山羊支原体内，形成了一个新的蕈状支原体细胞。的蕈状支原体细胞。 这也是今年这篇科研论文的雏形，在国外这也是今年这篇科研论文的雏形，在国外的科学媒体上曾经引发热烈的讨论。的科学媒体上曾经引发热烈的讨论。2010年的重要大事：年的重要大事： “人造生命人造生命”诞生诞生 John Craig Venter搅乱了搅乱了(生命生命)科学界科学界用化学合成的基因组构建一个细菌细胞用化学合成的基因组构建一个细菌细胞Venter的实验的实验http:/www.science- 实验对象：蕈状支原体。实验对象：蕈状支原体。 支原体是已知的可以自由生活的最小生物支原体是已知

21、的可以自由生活的最小生物,也是最小的原核细胞。也是最小的原核细胞。 是一种原核微生物是一种原核微生物, 内部结构很简单，基因组仅有一百多万碱基对，远小内部结构很简单，基因组仅有一百多万碱基对，远小于真核生物基因组十亿级的碱基数量，这也是于真核生物基因组十亿级的碱基数量，这也是Venter选择操作它的原因。选择操作它的原因。 Venter早在早在1995年就对生殖支原体测序，并致力于研究维持自由生命的年就对生殖支原体测序，并致力于研究维持自由生命的最小基因组。最小基因组。 在在2008年，年，Venter的团队合成了长达的团队合成了长达59万碱基对的生殖支万碱基对的生殖支原体基因组。原体基因组。

22、 此后，他们选择生长速度更快的蕈状支原体来做实验。此后，他们选择生长速度更快的蕈状支原体来做实验。 如果仅仅从技术上来说，如果仅仅从技术上来说，Venter做了一个无懈可击的实验，做了一个无懈可击的实验，“人造生命人造生命”思路和流程都做得无懈可击。思路和流程都做得无懈可击。三个步骤：合成、组装和移植三个步骤：合成、组装和移植 合成合成 ： 蕈状支原体的基因组是一条大片段的蕈状支原体的基因组是一条大片段的DNA分子，序列是分子，序列是A、T、G、C四种脱氧核糖核苷酸的排列组合。四种脱氧核糖核苷酸的排列组合。 通过实验确定维持其生命周期的最小基因组，并加上通过实验确定维持其生命周期的最小基因组，

23、并加上4个个“水印基因水印基因”作为标记。作为标记。 用计算机精确计算需要合成用计算机精确计算需要合成DNA分子序列，并用化学方分子序列，并用化学方法合成法合成A、T、G、C碱基，并使其按所要求序列延伸。碱基，并使其按所要求序列延伸。 这是它被称为这是它被称为“人造生命人造生命”或者或者“化学合成化学合成”的关键。的关键。 Venter用化学方法合成了一千多个约用化学方法合成了一千多个约1kb的的DNA片段，片段，作为这次组装的基本材料。作为这次组装的基本材料。 组装：组装： 因为合成生物学技术上的局限，不能直接合成上万碱因为合成生物学技术上的局限，不能直接合成上万碱基对的基对的DNA大分子，

24、所以大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒等人巧妙地借助啤酒酵母和大肠杆菌的帮助，把酵母和大肠杆菌的帮助，把1Kb的的DNA分子有序准确分子有序准确的连成超过的连成超过1000kb的片段。的片段。 移植：移植： Venter等把这个合成基因组移植到不含限制性酶切系等把这个合成基因组移植到不含限制性酶切系统的山羊支原体中，基因组能使用后者的酶系统进行统的山羊支原体中，基因组能使用后者的酶系统进行自我复制，经过多代繁殖后，长成的菌落已经纯粹由自我复制，经过多代繁殖后，长成的菌落已经纯粹由蕈状支原体组成。蕈状支原体组成。Venter：“创造了一个计算机创造了一个计算机为父母的生命为父母的生命”J

25、CVI：将：将8个由个由60个核苷酸组成的个核苷酸组成的DNA片段，片段，首次人工合成实验老鼠的线粒体基因组首次人工合成实验老鼠的线粒体基因组 使用使用8个只含有个只含有60个核苷酸的个核苷酸的DNA片段，让片段，让它们同酶和化学试剂的混合物相结合，在它们同酶和化学试剂的混合物相结合，在50下孵化下孵化1小时，小时，5天内合成出了实验鼠天内合成出了实验鼠的线粒体基因组，得到的基因组能够纠正的线粒体基因组，得到的基因组能够纠正具有线粒体缺陷的细胞内的异常。具有线粒体缺陷的细胞内的异常。 用途：生物能源、生物除污用途：生物能源、生物除污 Venter下一步的计划就是合成某种海藻基下一步的计划就是合

26、成某种海藻基因组，这种新型海藻可以通过光合作用把因组，这种新型海藻可以通过光合作用把空气中的二氧化碳转化成汽油或者柴油等空气中的二氧化碳转化成汽油或者柴油等清洁能源，从而有效解决目前的气候变化清洁能源，从而有效解决目前的气候变化和能源危机。和能源危机。 疫苗、药物、生物能源、生物除污等疫苗、药物、生物能源、生物除污等What is Synthetic Biology?从原理角度来看从原理角度来看Synthetic BiologyUndergraduates in Synthetic Bernational Genetically Engineered Machineshttp:/p

27、/registry/index.php/Main_PageLego Assembly for DNA Parts/registry/index.php/Assembly:Standard_assemblySelf-organized Pattern FormationWhat can you make in SB?Arsenic Detector脓毒症砷Lecture overview What weve talked about so far The study of biological systems, from compon

28、ents and interactions to dynamics Overview Our understanding of systems is complete when we can design our own DNA synthesis technologiesModifying life Biotechnology Techniques that use living organisms or parts of organisms to produce a variety of products (from medicines to industrial enzymes) Gen

29、etic Engineering Introduction of genetic changes (add, modify, delete) into an organism to achieve some goal Synthetic Biology Create novel biological functions and tools by modifying or integrating well-characterized biological components (i.e. genes, promoters) into higher order genetic networks S

30、ynthetic Biology History 1970 First gene synthesized from scratch (alanine tRNA) 1978 Nobel prize awarded to Werner Arber, Daniel Nathans and Hamilton Smith for the discovery of restriction enzymes 1978 (Boyer at UCSF) A synthetic version of the human insulin gene was constructed and inserted into t

31、he bacterium E. coli. 1980 Kary Mullis invents PCR 1991 Affymetrix chip-based oligonucleotide synthesis 2003 First iGEM competition, creation of standardized parts libraries at MITBiotechnology 1.0 Research Workflow1. Concept2. Collect DNA fragments (PCR, isolation, vendors, etc)6. Transform7. Test3

32、. Bench work5. Verify DNA4. SequenceDNA synthesis costs are dropping For example the bacteria Mycoplasma genitalium has the smallest genome out of all living cells: 517 genes over 580 kb. Minimal costs of oligo creation (not including error-checking): Mid 1990s: $1/bp = $580,000 Circa 2000: $0.35/bp

33、 = $203,000 2006: $0.11/bp = $63,800 Ambitious prediction of not-too-distant future (Church et al, 2004): $0.00005/bp = $29Synthesis lengths are increasingCommercial DNA Synthesis CompaniesData Source: Rob Carlson, U of W, SeattleBioneerSouth KoreaCinnagenTehran, IranTakara BiosciencesDalian, ChinaI

34、nqaba BiotecPretoria, South AfricaFermentasVilnius, LithuaniaBio S&T, Alpha DNA,BiocorpMontreal, CanadaGENEARTRegensberg, GermanyMWGBangalore, IndiaZelinsky InstituteMoscow, RussiaScinoPharmShan-hua, TaiwanGenosphereParis, FranceBiolegioMalden, NetherlandsAmbionAustin, TexasBiosearchNovato, Californ

35、iaBio-SynthesisLewisville, TexasChemgenesWilmington, Mass.BioSpringFrankfurt am Main, GermanyBiosourceCamarillo, CADharmaconLafaette, Co.CyberGene ABNovum, SwedenCortec DNAKingston, Ontario, CAEurogentecBelgium, U.K.DNA TechnologyAarhus, DenmarkGenemed SynthesisS. San Francisco, CADNA 2.0Menlo Park,

36、 CAMetabionMunich, GermanyMicrosynthBalgach, SwitzerlandJapan Bio ServicesJapanBlue Heron BiotechnologyBothell, WAGeneworksAdelaide, AustraliaImperial Bio-MedicChandigarh, IndiaBioserve BiotechnologiesHyderabad, IndiaGenelinkHawthorne, NY.DNA Synthesis (Caruthers method)Error Rate: 1%0.9950 = 0.6030

37、0 seconds per stepMicroarray oligonucleotide synthesisThe power of parallelismChip-based versus linear synthesisOligonucleotides synthesizedSingle-stranded fragments of 50-90nucleotides 3-overlapping next fragment by 17 nucleotides (Tm calculated 52-56)Steps 1 to 5 involve multiple rounds of PCR (he

38、ating to 95, cooling to 56, and PCR at 72).Number of rounds depends on number of fragments. Carried out by PCR machine.Final step of amplification of complete genedriven by use of excess of terminal single-stranded fragmentsPCR-based oligo ligationIn theory, the scale of synthesis is unlimitedBiotec

39、hnology 2.0 Research Workflow 1. Concept2. Design / debug/ test4. Design oligos6. Transform7. Test5. Synthesize DNA3. Run codeWhat are the implications of DNA synthesis capacity + freedom of information?The problem: “Dual Use” Research Dual use research includes life sciences research:qWith legitima

40、te scientific purpose qThat may be misused to pose a biologic threat to public health and/or national security.How easy is it to get this technology?What can we do?Number of IndividualsIndividuals IntenthonorabledishonorableBin Laden Genetics, Inc.DisgruntledResearcherGarage Bio-HackerBasicResearche

41、rRisk spectrumBasic logic circuitsBorrowing from electrical engineeringProtein Expression Basics RNA polymerase binds to promoter RNAP transcribes gene into messenger RNA Ribosome translates messenger RNA into proteinZZ PromoterZ GeneProteinTranscriptionDNATranslationMessenger RNARegulation Through

42、Repression and Induction Repressor proteins can bind to the promoter and block the RNA polymerase from performing transcription The DNA site near the promoter recognized by the repressor is called an operator The target gene can code for another repression protein enabling regulatory cascadesZ Promo

43、ter& OperatorZ GeneR GeneRRR PromoterTranscriptionTranslation DNA BindingLogic Circuits Proteins are the wires/signals Promoters + decay implement the gates Any finite-state digital circuit can be built For example, X or Y ZXYR1ZR1R1XYZ=genegenegeneTranscription-Based Inverter Protein concentrations

44、 are analogous to electrical current BUT proteins do not function in an isolated system and need to be unique0110RRZSimple Inverter Model00.80.81Input Protein ConcentrationOutput Protein ConcentrationROperatorZ GeneZRCooperativity Cooperative DNA binding is where the binding of o

45、ne protein increases the likelihood of a second protein binding Cooperativity adds more non-linearity to the system Increases switching sensitivity Improves robustness to noiseZ Promoter& OperatorZ GeneR GeneRRR PromoterTranscriptionTranslation CooperativeDNA BindingR00.80.81Inpu

46、t Protein ConcentrationOutput Protein ConcetrationNo CoopCoopCooperative Inverter ModelRROperatorZ GeneZRBioCircuit Computer-Aided DesignSPICEBioSPICEsteady statedynamicsintercellular BioSPICE: a prototype biocircuit CAD tool simulates protein and chemical concentrations intracellular circuits, inte

47、rcellular communication single cells, small cell aggregatesGenetic Circuit ElementsinputmRNAribosomepromoteroutputmRNAribosomeoperatortranslationtranscriptionRNApRBSRBSA BioSPICE Inverter Simulationinputoutputrepressorpromoter They work in vivo Flip-flop (Gardner & Collins, 2000) Ring oscillator (El

48、owitz & Leibler, 2000) However, cells are very complex environments Current modeling techniques poorly predict behavior“Proof of Concept” Circuitstime (x100 sec)ACBB_S_RA_RB_SAtime (x100 sec)time (x100 sec)RS-Latch (“flip-flop”)Ring oscillatorCellular Logic Summary Current systems are limited to les

49、s than a dozen gates Three inverter ring oscillator (Elowitz, 2000) RS latch (Gardner, 2000) Inter-cell communication (Weiss, 2001) A natural repressor-based logic technology presents serious scalability issues Scavenging natural repressor proteins is time consuming Matching natural repressor protei

50、ns to work together is difficultCellular Logic Summary Sophisticated synthetic biological systems require a scalable cellular logic technology with good cooperativity Zinc-finger proteins can be engineered to create many unique proteins relatively easily Zinc-finger proteins can be fused with dimeri

51、zation domains to increase cooperativity A cellular logic technology of only zinc-finger proteins should hopefully be easier to characterizeSingle Zinc-Finger StructureDNA Three BaseRecognition RegionZinc AtomAlphaHelixTwoBetaSheetsPoly-Finger ZFPsA.C. Jamieson, J.C. Miller, and C.O. Pabo. Drug disc

52、overy with engineered zinc-finger proteins. Nature Reviews Drug Discovery, May 2003Complex systemsQ: But if we dont fully understand all the rules of biology, how can we create anything more than basic systems?A: We can press our limits by modularizing and simplifying as much as possible. Standardiz

53、ation of Components Predictable performance Off-the-shelf Mechanical Engineering (1800s) & the manufacturing revolution (e.g. Henry Ford) Abstraction Insulate relevant characteristics from overwhelming detail Simple components that can be used in combination From Physics to Electrical Engineering (1

54、900s) Decoupling Design & Fabrication Rules insulating design process from details of fabrication Enable parts, device, and system designers to work together VLSI electronics (1970s)Enabling Synthetic BiologyCharacterization Catalog input-output characteristics of existing and new parts/devices Stan

55、dardization Physical connections Functional connections PerformancePoPSINPoPSOUTSB works via three layers of abstractionDevicesPartsSystemsAbstraction in biologyDevicesPartsSystemsBarriers- Technological- Legal- EthicalSynthetic Biology: Intellectual Property Relationship of synthetic biology to int

56、ellectual property law has been largely unexplored. The relevant research space already contains broad patents on foundational technology. Synthetic biology commons? Tools of open source property rights coupled with viral licensingSynthetic Biology: Intellectual Property What is patentable and/or co

57、pyrightable? Broad biological functions Specific sequences Specific uses Sources of uncertainty in synthetic biology as related to IPR definitions What are effects of alternate definitions of what is patentable and copyrightable on: Development of field? Efficiency? Justice? Synthetic Biology: Intel

58、lectual Property Patents on fundamental ideas in synthetic biology Example: A patent on the idea of a biological part: a piece of DNA with specific function that can be combined with another part in a predefined fashion. Such a patent would be impossible to circumvent. It represents a fundamental co

59、ncept that underpins synthetic biology. See Stanford patent on System and method for simulating operation of biochemical systems. United States Patent 5914891 Synthetic Biology: Intellectual Property Patents on fundamental biological functions Example: A patent on a genetically-encoded inverter Such

60、 a patent would be almost impossible to circumvent because it represents a basic biological function that is of use in a range of synthetic biological systems. See US Dept of Health patent on Molecular computing elements, gates and flip-flops. United States Patent 6774222 See Boston University paten