中药活性成分的异源生产

1、第四节中药活性成分的异源生产内 容1. 中药生物合成概述2.中药生物合成研究策略及关键技术3. 合成生物研究异源生产中药活性成分（1） 合成生物学定义 合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科。 目的在于设计和创造新的生物组件和体系，对现有的生物体系进行重新设计。从基本的生物组件构建复杂的人工生命体系，对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。1. 中药生物合成概述合成生物学是一项将生命系统工程化的技术 合成生物包含的内容 基因合成构建人工生命体 基于现有的天然生物组件，设计构建有新功能的生物体系。 Personalized MedicinePhysical enhancemen

2、t: 义肢的使用Enhancing Evolution: 使人聪明的药Bionic man 生化人 Better, stronger, fasteriGEM（International Genetically Engineered Machine）竞赛，在美国麻省工学院（MIT）收集每年参赛者贡献的生物元器件，建立了标准生物元件库（Registry of Standard Biological Parts）()。经过10年的收集，该文库的元器件以BBa为字头，容量已达到约2万个。2017年最终获得金奖的我国本科高校队伍1. 中药生物合成概述（2）合成生物学的发展史1978年 Skallka在对

3、限制性内切核酸酶的评论中第一次预言了合成生物学的诞生。1980年 Hobom引入了合成生物学的的名词来描述基因重组技术。DNA合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应用，为合成生物学奠定基础。20世纪提出的概念 用现有的有机化学和生物化学的合成能力设计非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥功能。通过合成的方法来理解自然的生命体系，构建创造新的人工生命体。 美国基因组学先驱克莱格凡特，在他位于马里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期15年的研究项目中，已成功制造出全球首个“合成细胞”，一种称为丝状支原体的细菌。2.中药生物合成研究策略及关键技术（1）合成生物学的研究方法 工程领域中所有的单元部

4、件都具有独立功能，可以互换，容易进行模块化得组合，即从零件到器件再到系统。 合成生物学包含工程学的理念，任何一个生命体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。 2004年，美国就成功在一位半身不遂的男性患者大脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑里的意志力就可以操作电脑，能发送电子邮件。 未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑控制手臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部分控制的假肢。标准化抽象化复杂系统去偶合Drew Endy (MIT) 合成生物学工程化三原则： Endy created the comic book Adventures in Synthetic Biology to h

5、elp explain his work to students and other scientists. 标准化 从可更的换部件库，快速构建多组分体系，包括建立生物学功能、试验的检测条件及系统做出等通用、便捷的标准。 不同部件间要进行标准化来实现“即插即用”的性能。 2003 MIT成立了标准生物部件登记处，数据库收集了3200个标准化生物学部件。 将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立的简单问题。 复杂系统去偶合 抽象化：将生物功能单元划分为不同层次。DNA、RNA、蛋白质、代谢物相互作用系统（2）合成生物学的组成工具 将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功能的生物系统。生物部件part

6、器件device系统system模块module 标准生物部件 具有特定生物学功能的基因编码元件 启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序列、终止子基因（生物）元件：具有某种特定的生物学功能的DNA，是设计和合成生物的基本单位。基础生物元件：启动子、终止子、转座子、RBS.核心生物元件:功能基因（3）基因元件的克隆基因元件的图形编码-制图复制子 启动子 阻遏子 诱导子 终止子 RBS 功能基因 MCS 抗性 生物部件：由一个或多个基因元件组成最简单的能行使催化功能的生物部件是完整的编码酶基因表达盒。启动区功能基因终止区合成生物学生物元器件生物模块是一组细胞内区域化的生物部件，由内在功能联系在一

7、起，执行特定的复杂功能。如代谢途径、信号转导途径、调控途径等。模块：通过某种（逻辑/功能）关系把生物元件连接而成与电子科学中的电路类似，在合成生物学，不同功能的生物砖联接后，能像电路一样运行，形象地称为基因线路（genetic circuit）。按功能分为:代谢线路,调控线路,信号线路等生物模块与基因电路合成生物学生物元器件基因线路1） 基因拨动开关 e.g. E. coli报告基因诱导物A阻遏物A启动子B启动子A阻遏物 B诱导物B 通过加入不同的诱导物实现开关在两个稳定态之 间的转换。状态转换具有滞后性，具有记忆功能。2）基因振荡器 FT1激活它本身和FT2； FT2过量，会抑制FT13）大

8、肠杆菌成像系统 将细菌改造成感光胶片，像素1平方米1亿像素分辨率。 将藻胆青素合成基因(ho1和pcyA)转入大肠杆菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素PCB。lac ZompC promoter PCBBlackPCBPCB自然细胞基因组（庞大）人工细胞细胞网络（松散）genegeneRNAprotein目标产物细胞工厂（低效）细胞网络（紧凑）人工细胞工厂（高效,新功能）RNAprotein目标产物genegene功能模块合成简化解耦ATCG合成生物学的研究思路底盘细胞能源/药物底盘构建重构自然细胞新功能/用途人工合成新生物系统模块设计ABCDEFG抽提Endy D提出了合成生物学设计的

9、工程策略：标准化、解耦联和抽提。标准化：确立基本生物元件的方法、对生物功能的定义和特征描述。解耦联：复杂系统解分成具有独立功能的简单组分。抽提：建立元件和模块的层阶。合成生物的设计与优化合成生物学生物元器件抽提：一个反应对应一个酶，一个酶对应一个基因。功能模式：基因表达调控的操纵子模型。优化：功能基因密码子、启动子、核糖体结合位点。适合于不同宿主表达的生物元件。1、生物元件的设计与优化合成生物学生物砖构建基因电路的困难是，把相同功能的不同生物来源的生物砖集成基因电路后，不一定具有功能。优化方法可以是基于数学模拟的理性设计，也可以是生物元件的直接进化。2.基因电路的设计与优化合成生物学大肠杆菌酵

10、母枯草芽孢杆菌蓝藻链霉菌其他异源宿主（4）地盘细胞的选择与改造工程生物构建的基本过程基因元件设计基因线路合成制药工程生物功能底盘细胞遗传转化底盘细胞设计基因组编辑基因元件合成适配性筛选氨基酸，维生素，抗生素，抗癌药物，聚酮，萜类等多克隆位点（5）代谢途径构建策略BioBrick Assembly（5）代谢途径构建策略Gibson Assembly 体外同源重组拼接法（5）代谢途径构建策略细胞治疗：细胞编程信号转导开关失控细胞纠错基因组工程：合成疫苗最小基因组人工合成生物高通量大规模合成，廉价供应高保真长片段DNA代谢工程：聚酮、萜类、黄酮、生物碱等天然源药物及中间体合成生物学基因线路基因组编辑

11、与合成长DNA合成元件组装合成生物学的研究与应用3. 合成生物研究异源生产中药活性成分生命体代谢途径的重新构建 微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用E. coli生产1000多种人类蛋白。青蒿酸合成线路的设计构建疟疾 典型的疟疾多呈周期性发作，表现为间歇性寒热发作。发作时先有明显的寒战，全身发抖，面色苍白，接着体温迅速上升，达40或更高，面色潮红，全身大汗淋漓，大汗后体温降至正常或正常以下。 经过一段间歇期后，又开始重复上述间歇性定时寒战、高热发作。 每年5亿人感染，100万死亡。目前最有效的是青蒿素，生产周期长、成本昂贵。 中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物。 Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌中，改造获的E. coli 青蒿酸的产量300mg/L。困难：难以预计的复杂性 这一工作几乎是150人一年工作的结果，这些工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能基因组合在一起的运作机制。 由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就, Keas ling 被美国“发现”杂志评选为2006 年度最有影响的科学家。 该