第八章合成生物学

第一页，共五十二页，编辑于2023年，星期一内容1.合成生物学的发展历史及概念2.研究方式和工具3.

合成生物学的研究方向4.展望第二页，共五十二页，编辑于2023年，星期一15.1合成生物学的发展史及概念（1）合成生物学的发展史1978年Skallka在对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。第三页，共五十二页，编辑于2023年，星期一20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。第四页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

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。

第五页，共五十二页，编辑于2023年，星期一（2）合成生物学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。第六页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

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。

第七页，共五十二页，编辑于2023年，星期一15.2合成生物学的研究方法和工具（1）合成生物学的研究方法工程领域中所有的单元部件都具有独立功能，可以互换，容易进行模块化的组合，即从零件到器件再到系统。

第八页，共五十二页，编辑于2023年，星期一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。第九页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

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。第十页，共五十二页，编辑于2023年，星期一标准化抽象化复杂系统去偶合DrewEndy(MIT)

合成生物学工程化三原则：第十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期一标准化

从可更换的部件库，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。第十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期一2003MIT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。

第十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期一第十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期一第十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立的简单问题。复杂系统去偶合第十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

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第十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期一（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器件device系统system模块module第十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

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、终止子第十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期一第二十页，共五十二页，编辑于2023年，星期一15.3

合成生物学的研究方向15.3.1

创建新的基因调控模块和线路

各种蛋白质、DNA、RNA的相互作用形成复杂的表达调控网络。通过构建非天然的基因调控模块设计构建细胞生命活动的分子网络。用途：调节基因表达和蛋白质功能。第二十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期一基因线路第二十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期一1）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第二十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

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。第二十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期一2）基因振荡器FT1激活它本身和FT2；FT2过量，会抑制FT1第二十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期一3）大肠杆菌成像系统

将细菌改造成感光胶片，像素1平方米1亿像素分辨率。第二十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

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。lacZompC

promoter

PCBBlackPCBPCB第二十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期一15.3.2

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。第二十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期一代谢途径改造----调节核心组件优化途径

不同的生物学途径提取出来优化整合到宿主细胞合成目标化学物质第二十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期一1.

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。

第三十页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

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。第三十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期一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，改造获得E.coli

青蒿酸的产量300mg/L。第三十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期一困难：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。第三十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就,Keasling被美国“发现”杂志评选为2006年度最有影响的科学家。该项目已经获得比尔-梅林达盖茨基金会4300万美元的资助,进行进一步的实验室研究、中试、临床实验等后续工作。第三十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期一2.

代谢途径的快速进化基因突变改造代谢途径生产目标化合物第三十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期一Church

对20种番茄红素合成有关的基因进行突变；将突变的90个DNA片段，转入大肠杆菌；

3天内产生了150亿基因突变体；从中筛选到使番茄红素产量提高5倍的基因。第三十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期一3.

利用合成生物学生产新能源

Kaslling利用13个可逆的酶促反应组合起来创建一条非天然的催化路径。

淀粉+水H2第三十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期一15.3.3

最小基因组与合成生物学合成生物学最终目标：

合成独立的可遗传的人工生命体

第三十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期一人工生命的基本要素具有膜系统能进行新陈代谢具有自己的基因第三十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期一研究最简化生命的两种方法从下而上：从核苷酸合成新生命体。从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。第四十页，共五十二页，编辑于2023年，星期一1.人工构建合成生命体

2002年Wimmer小组脊髓灰质炎病毒的合成Venter合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组

第四十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期一不同物种间基因组的移植

将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。

丝状支原体第四十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期一2.最小基因组的构建

Blattnerj小组删除大肠杆菌基因组的15%（高达82Kb）,细菌仍保持了良好的生存状态。

改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。第四十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期一电穿孔第四十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期一

Endy小组用12kb人工合成的DNA取代野生T7基因组中的11kb的非必须DNA构建新的生命体。

第四十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期一最小基因组优点选择性的保留所需的代谢途径和功能；成为合成基因网络理想的容器；为插入模块提供最简单无干扰的环境。第四十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期一理想的细胞底盘应具备的条件长期培养中保持基因稳定能够在低营养培养基中生长以降低成本同时协调多基因的表达能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径第四十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期一15.3.4构建多细胞体系多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。

群体效应：微生物通过自身产生的一种化学信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的行为。第四十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期一细菌QS系统作用细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境中的变化。第四十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期一枯草芽胞杆菌利用QS系统对细胞的发育进行调控当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展；营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。

第五十页，共五十二页，编辑于2023年，星期一15.4