合成生物学与基因回路

关于合成生物学与基因回路第1页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三一.什么是合成生物学SyntheticBiology第2页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三何时出现合成生物学这一名字？●Science杂志最早于1911年33卷有两篇文章出现“syntheticbiology”（合成生物学）一词。●Lancet杂志最早于1911年7月8日有一篇文章出现“syntheticbiology”（合成生物学）一词。●在1980年第一次以“基因外科术：合成生物学的开始”为题出现在德文刊物上。●2000年以后，“合成生物学”一词在学术刊物及互联网上逐渐大量出现第3页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三NatureBiotechnology,27(12),2009

FocusonSyntheticBiologyThelatestiterationofgeneticengineeringofferstheprospectofthedesignandconstructionofnewlifeformsfrombiologicalparts,devicesandsystems.基因工程的最新研究成果提供了通过生物元件、装置和系统设计和组装新生命形式的前景第4页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三NatureReviews,10(6),2009第5页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三

●维基百科：合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统，使其能够处理信息、操作化合物、制造材料、生产能源、提供食物、保持和增强人类的健康和改善我们的环境。

/wiki/Synthetic_biology

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简单地说，合成生物学是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题。

第6页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三合成生物学的定义SyntheticBiologyis：A)thedesignandconstructionofnewbiologicalparts,devices,andsystems,andB)there-designofexisting,naturalbiologicalsystemsforusefulpurposes.

/第7页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三1998200020022004200620082000400060008000100000204060801001200网络信息期刊/专利数量Sciru网络信息Scirus检索专利Scopus检索期刊Scirus检索期刊合成生物学领域由Scirus搜索的学术论文数、专利数和网络信息以及由Scopus搜索的学术论文数第8页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三 2004年被美国MIT出版的《TechnologyReview》评为将改变世界的10大新出现的技术之一(10EmergingTechnologiesThatWillChangeYourWorld)。 2009年中科院300多位专家经过一年多研究发布的《创新2050：科技革命与中国的未来》战略研究系列报告中指出：“合成生物学”是可能出现革命性突破的4个基本科学问题之一。合成生物学的发展前景与基础第9页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三DNA是生物的遗传物质第10页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三于1990年正式启动,于2003年4月14日完成了人类基因组全部序列测定人类基因组计划第11页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三ACGT第12页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三为了整理和分析这些序列信息，诞生了一门新兴的交叉学科—

生物信息学(Bioinformatics)

是合成生物学的学科基础之一。它包含了生物信息的获取、处理、存储、分发、分析和解释等在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。第13页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三细胞:奇异绝妙的小工厂第14页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三系统生物学研究细胞对外界环境变化或刺激在各个层次上如何做相应的变更,并建立数学模型对总体应答作出预测.基因组代谢物组蛋白质组转录物组基因组学Genomics代谢物组学Metabolomics蛋白质组学Proteomics转录物组学TranscriptomicsDNAmRNA蛋白质代谢物转录翻译催化反应第15页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三Systemsbiologyasafoundationforgenome-scalesyntheticbiologyChristianLBarrett,TaeYongKim,HyunUkKim,BernhardØPalssonandSangYupLee,CurrentOpinioninBiotechnology2006,17:488–492系统生物学是在基因组层面上合成生物学的基础第16页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三基因组超大量的序列和结构数据重大的生物技术数据积累引起的科学发现

－－第四次科学大发展第17页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三合成生物学发生与发展的学科基础数学物理学工程学生物学计算机科学化学信息学合成生物学生物质能生物医学环境修复精细化学品食品原料生物材料生物传感器生物计算机应用第18页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三合成生物学的发展过程第19页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三1979年H.G.Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因（207bp）；2002年纽约州立大学石溪分校魏玛（E.Wimmer）小组用了3年的时间合成出了脊髓灰质炎病毒（Poliovirus）的全基因组，7500bp。2003年，J.C.Venter

研究小组用了14天时间从头合成了噬菌体PhiX174（5386bp）基因组。2004年，人工合成了1918年造成全世界上千万人死亡的“西班牙流感病毒”。2008年J.C.Venter小组又合成了Mycoplasmagenitalium生殖道支原体基因组（582790kb），这是迄今为止人类在合成生物过程中走得最远的一步。J.C.Venter小组

的另外一项工作却获得了成功：不久前将关系较近的两株支原体中一株的基因组用另外一株的基因组替换，结果仍能正常“工作”。人工合成生物全基因组第20页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三合成生物学的研究内容合成代谢网络利用转录和翻译控制单元调控酶的表达以合成或分解代谢物。主要以代谢物浓度作为控制元件的输入信号。例如：利用酿酒酵母和大肠杆菌合成抗疟疾药物青蒿素的前体物质。遗传/基因线路的设计与构建

1961年F.Jacob和J.Monod提出的乳糖操纵子模型第一次明确提出了基因表达的调控概念，被认为是分子生物学发展的第二个里程碑。细胞群体系统及多细胞系统研究基于细胞间交流的细胞群体系统及多细胞系统的开发，主要是研究细胞群体间的同步基因表达、信号交流、异步功能配合等。数学模拟和功能预测第21页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三二.合成生物学的研究方法

基因回路（GeneticCircuits）设计

第22页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三合成生物学领域三大目标：一、有别于以往拆解生命体的方式，它是通过合成来理解生命。二、将遗传工程所使用的元件标准化，使其能与现有系统相结合，创造出更多、功能更复杂的系统。三、将电子工程领域的系统设计理论应用到生物系统，重组DNA基因工程，产生真正可由程序控制的生物，设计生物计算机。第23页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三基因回路设计流程建立DNA元件库根据设计目标决定基因回路结构调用库元件模型利用计算机仿真软件确认输出及功能正确？建立集成生物回路（IC）检测基因回路性能稳定可靠？建立集成生物回路（IC）成功建立稳定可调控的基因回路第24页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三基因回路设计流程第25页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三特定的信使RNA（mRNA）的分子的浓度代表一个逻辑信号。左图，输入的mRNA是缺失，则细胞转录基因输出mRNA。右图，输入的mRNA存在，细胞把此mRNA翻译成输入蛋白，此蛋白与基因上的启动子相结合，阻止细胞合成mRNA输出。生物化学反相器-非门（NOT）第26页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三利用原核生物基因调控模组模拟电子工程逻辑门。上方图示列出调控启动子活性的因子。RNAP：RNA聚合酶，TF：转录因子。(Silva-RochaanddeLorenzo,FEBSLetters582(2008)1237–1244)第27页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三Bio-Informatics要做的事LookingatlifeasaninformationsystemDNAasadatabase（数据库）RNAasadecisionnetwork（决定网络）ProteinsandgenesasruntimeDLLs（运行时间动态链接库）ModelinggeneregulatorynetworksSimulatinglifeasacomputerprogramUsingsilicontovalidatebiologicalmodels第28页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三GoalofDigitalCells（数字细胞）SimulateaGeneRegulatoryNetworkGoalofe-cell,CellML,andSBMLprojectsTestmicroarraydataforbiologicalmodelRunexpressiondatathroughGRNfunctionsCreatebiologicalcellswithnewfunctionsSpliceinpromoterstocontrolexpression

Createoscillatingnetworksusingoperons拼接启动子来控制表达利用操纵子创建振荡网络第29页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三DigitalCellComponents

数字细胞元件Bio-logicgatesInverters,oscillatorsCreatinggenomiccircuitryPromoters,operonsandgenesMultigenicoscillatingsolutionsRonWeissisthepioneerinthefield/~rweiss/

第30页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三To电子回路的工程设计基础第31页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三基因回路（GeneticCircuits）设计第32页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三编程并控制细胞行为的第一步是建立一个精心设计的元件库，作为更复杂的生物系统的基石。在构建具有一定的遗传功能的逻辑门时，与电子逻辑门的输入和输出的电信号（H/1或L/0）相对应的是特定DNA与蛋白质结合以及它们诱导物分子的浓度高（H，1）或低（L，0）。

建立在原核生物调控模式上的数字细胞元件（生物逻辑门）模型-基因回路元件设计第33页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三

在细胞内，这些分子与其它蛋白质相互作用，绑定特定的DNA结合位点，并最终调节其他蛋白表达。这些调控活动，可以用数字逻辑功能及模拟信号处理来实现。

任何基因转录翻译成蛋白质的首要条件是：RNAp(RNApolymerase,RNA聚合酶)与基因上游区域的启动子结合，启动转录，随后RNAp将基因转录为信使RNA(mRNA)，然后mRNA被翻译成蛋白质。若RNAp不能与启动子结合，后面的过程就不能进行。第34页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三1.非门或反相器（NOT）生物学过程：B阻遏因子，当它存在时，B抢占了RNAp与启动子结合的位点。因此阻碍了基因P进行转录表达。电学过程：B为输入信号，当其输入量高时，输出为低；反之亦然。输入与输出反相，也称反相器。第35页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三1.非门或反相器（NOT）左图表示当无mRNA输入时，启动子未被抑制时，基因转录出mRNA，有mRNA输出；右图表示当有mRNA输入时，在细胞中转录成蛋白质，蛋白质与启动子区域的基因结合，抑制了基因的表达，无mRNA输出。此处输入的mRNA的缺失或存在决定了下游mRNA是否输出。第36页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三2.缓冲器门（AmplifierorBuffer）生物学过程：A为转录因子，可以调控基因P使其进行转录表达。电学过程：A为输入信号，只有当其输入量满足能启动基因P转录表达的阈值时，输出信号才为高。A与P同相。第37页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三3.与门（AND）生物学过程：１）Ａ、Ｂ两个均为转录因子２）Ａ为转录因子，Ｂ为激活因子；以上两种情况都要求只有当Ａ、Ｂ都同时存在时，才能启动基因P转录表达。第38页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三3.与门（AND）电学过程：Ａ、Ｂ为两个不同的输入信号，只有当ＡＢ的输入量同时满足能启动基因P转录表达的阈值时，才会使输出信号高表达（输出信号表示基因Ｐ的表达量）。第39页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三3.与门（AND）已发现或证实的例子（参考文献）：1）Tropel,D.andVanDerMeer,J.R.(2004)Bacterialtranscriptionalregulatorsfordegradationpathwaysofaromaticcompounds.Microbiol.Mol.Biol.Rev.68,474–500.2）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA100,5136–5141.第40页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三4.或门（OR）生物学过程：Ａ和Ｂ都是基因Ｐ的转录因子，当Ａ和Ｂ其中一个存在时，或者两者同时存在时都能启动基因Ｐ转录表达。即仅当ＡＢ两者都不存在时，转录才无法进行。第41页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三4.或门（OR）电学过程：Ａ和B是两个不同的输入信号，当A、B其中一个的输入量满足能启动基因P转录表达的阈值时，或者两者同时满足所要求的阈值时，输出信号表现为高表达。第42页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三4.或门（OR）已发现或证实的例子（参考文献）：1）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA，100,5136–5141.2）Fernandez,S.,Shingler,V.andDeLorenzo,V.(1994)CrossregulationbyXylRandDmpRactivatorsofPseudomonasputidasuggeststhattranscriptionalcontrolofbiodegradativeoperonsevolvesindependentlyofcatabolicgenes.J.Bacteriol.176,5052–5058.第43页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三5.与非门（NAND）生物学过程：A与B都是抑制基因P转录表达的因子，称为阻遏因子。仅当A与B同时存在时，基因P才不能正常的进行转录表达。因为此时A与B“抢占”了RNAp与启动子的结合位点，阻碍了转录的启动。第44页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三5.与非门（NAND）电学过程：A、B为两个不同的输入信号，仅当两者的输入量同时满足能启动基因P转录表达的阈值时，才使得输出信号为低表达。可以将NAND门电路拆分为AND和NOT的组合。第45页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三5.与非门（NAND）已发现或证实的例子（参考文献）：1）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA，100,5136–51412）Escolar,L.,Perez-Martin,J.anddeLorenzo,V.(1999)Openingtheironbox:transcriptionalmetalloregulationbytheFurprotein.J.Bacteriol.181,6223–6229.3）Bertoni,G.,Marques,S.anddeLorenzo,V.(1998)Activationofthetoluene-responsiveregulatorXylRcausesatranscriptionalswitchbetweensigma-54andsigma-70promotersatthedivergentPr/PsregionoftheTOLplasmid.Mol.Microbiol.27,651–659.4）Bertoni,G.,Perez-Martin,J.anddeLorenzo,V.(1997)GeneticevidenceofseparaterepressorandactivatoractivitiesoftheXylRregulatoroftheTOLplasmid,pWW0,ofPseudomonasputida.Mol.Microbiol.23,1221–1227第46页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三6.非与门（ANDN）生物学过程：A为转录的激活因子，能使基因转录表达；B为阻遏因子，当Ｂ存在时，Ｂ就会抢占启动子结合位点，使RNAp不能与启动子结合，因此不能启动基因Ｐ进行转录表达。因此只有当Ａ存在并且Ｂ不存在时，基因转录表达才能正常进行。第47页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三6.非与门（ANDN）电学过程：只有当信号Ａ满足能启动基因P转录表达的阈值（以下简称为“Ａ高表达”），并且信号Ｂ低于该阈值时（简称为“低表达”），输出才会高表达。第48页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三6.非与门（ANDN）已发现或证实的例子（参考文献）：Hermsen,R.,Tans,S.andtenWolde,P.R.(2006)Transcriptionalregulationbycompetingtranscriptionfactormodules.PLoSComput.Biol.2,e164.第49页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三7.或非门（NOR）生物学过程：Ａ、Ｂ均为阻碍转录表达的阻遏因子。两者都阻碍了RNAp与启动子的结合。因此，只有当两者都不存在时，基因Ｐ的转录表达才能进行。第50页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三7.或非门（NOR）电学过程：只有当信号Ａ与Ｂ都低表达时，输出才会高表达。第51页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三8.非或门（ORN）生物学过程：B是阻遏因子，A是能够降解B的蛋白质。当只有B存在时，B与启动子结合，阻碍了RNAp与启动子结合，因此使基因P不能正常进行转录表达。当A存在时，即使B也同时存在，但是A能降解B，使B的活性降低，使B不能与启动子结合或结合性减弱，因此使基因P能进行转录表达。第52页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三8.非或门（ORN）电学过程：A与B都是入信号，当只有B高表达并且A低表达时，输出为低。其余三种情况均为高表达。第53页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三8.非或门（ORN）已发现或证实的例子（参考文献）：Erill,I.,Campoy,S.andBarbe,J.(2007)Aeonsofdistress:anevolutionaryperspectiveonthebacterialSOSresponse.FEMSMicrobiol.Rev.31,637–656.第54页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三9.异或门（XOR）生物学过程：基因P能沿着DNA从两个方向进行转录表达。转录因子A使基因沿着左端进行转录表达，转录因子B使基因沿着右端进行转录表达。但是当两者同时存在时，A会抢占B的RNAp与启动子结合的位点（或者说是B会抢占A的RNAp与启动子结合的位点），使得基因P不能沿着DNA进行转录。因此，当且仅当A、B其中一个存在时，基因P才能进行正常的转录表达。第55页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三9.异或门（XOR）电学过程：当且仅当输入信号A、B其中一个存在，并且它的表达量高时，才能使输出表达高。此时，我们可以将XOR门看成是两个ANDN门的组合。第56页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三9.异或门（XOR）已发现或证实的例子（参考文献）：Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA100,5136–5141.第57页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三10.同或门（XNOR）生物学过程：基因P（P’）可以沿着DNA向着左右两端进行转录表达。但是沿着P（左端）进行转录，启动子的活性比较弱，需要ＡＢ两个转录因子同时作用才可进行；沿着P’方向，转录因子则变成了阻碍RNAp与启动子结合的阻遏因子，因此沿着P’方向，当Ａ或Ｂ两者之一存在时，转录过程就会受到抑制。ａ）当两者都不存在时，Ｐ受抑制，而P’没受到阻碍，可以沿着P’方向进行转录，所以输出为１。ｂ）当只有Ａ或Ｂ其中一个转录因子存在时，由于不满足Ｐ方向条件（需要两者同时存在），而此时这个转录因子阻碍了P’方向的ＲＮＡｐ与启动子结合，使P’方向的转录也不能进行。所以输出为０。ｃ）当Ａ与Ｂ同时存在时，虽然转录因子阻碍了P’方向的ＲＮＡｐ与启动子结合，使P’方向的转录不能进行，但是此时满足了沿着Ｐ方向进行转录的条件，所以输出为１。第58页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三10.同或门（XNOR）电学过程：只有当Ａ、Ｂ两个输入信号同时高或者同时低时，输出才为高；否则输出为低。可以看做是与XOR与NOT组成的XOR的相反过程。第59页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三10.同或门（XNOR）已发现或证实的例子（参考文献）：１）Hermsen,R.,Tans,S.andtenWolde,P.R.(2006)Transcriptionalregulationbycompetingtranscriptionfactormodules.PLoSComput.Biol.2,e164２）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA100,5136–5141.第60页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三11.触发器生物学过程：触发器是一个能保持双稳态的合成基因网络。触发器包含两个蛋白R1、R2，分别抑制启动子P1、P2。两个诱导剂I1、I2，分别能使抑制蛋白R1、R2无效化，导致P1、P2表达。相当于下面的回路包含两个互联的ORN门。第61页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三12.环形振荡器环形振荡器包含三个蛋白质和三个它们对应的启动子，设定蛋白质Px抑制蛋白质Py的表达，而蛋白质Py抑制蛋白质Pz的表达，蛋白质Pz抑制蛋白质Px的表达。基因网络配置对应一个环形振荡器逻辑电路。第62页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三12.环形振荡器在PLtetO-1启动子的下游标放一个绿色荧光标记的蛋白以便显示在任何特定细胞中cI的近似浓度。右图显示了在一个特定的细胞中荧光强度随时间的变化，表现为振荡，图中的小条描绘细胞的分裂活动。其他细胞的振荡行为差别很大。第63页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三三.基因回路的设计成果实例

第64页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三发表合成生物学较多的刊物及新创刊的刊物PNASNatureScienceMSB第65页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三Nature,2010由基因编码“与非门”构成其他更复杂的逻辑门；基因编码门间的化学连接。第66页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三基因编码的“或非”门在大肠杆菌（E.Coli)中，2个串联的启动子作为输入驱动阻遏子的转录。1个菌株形成1个或非门。群体感应分子（quorummolecules）AHL（

Acylhomo-serinelactone）可以形成门间的连线。由多个或非门间的相互连接组成各种复杂的逻辑门。第67页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三基因编码的“或非”门PBAD、PTet分别由arabinose(Ara)和anhydrotetracycline(aTc)激活。它门作为或非门的2个输入启动子。YFP（YellowFluorescentProtein，黄色荧光蛋白）作为输出基因。流式细胞仪（flowcytometry）测量结果或门CI阻遏基因或非门55E-15E-25E-35E-40第68页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三其他输入信号：3OC12-HSL激活的PLas启动子也可作为输入。PBAD、PTetPBAD、PLasPTet、PLas第69页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三第70页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三不同逻辑门的构成第71页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三不同逻辑门的构成第72页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三第73页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三第74页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三GeneRegulatoryNetwork

基因调控网络第75页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三BasicGRNCircuitFlowGrossanatomyofaminimalgeneregulatorynetwork(GRN)embeddedinaregulatorynetwork.Aregulatorynetworkcanbeviewedasacellularinput-outputdevice.

/

第76页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三/Generegulatorynetworks‘interface’withcellularprocesses第77页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三第78页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三合成生物学应用BioEnergy.Cellsarebeingengineeredtoconsumeagriculturalproductsandproduceliquidfuels.BritishPetroleumandtheUSDOEgranted$650milliondollarsforresearchintheSanFranciscoBayArea.DrugProduction.Bacteriaandyeastcanbere-engineeredforthelowcostproductionofdrugs.Examplesincludetheanti-malarialdrugArtemisininandthecholesterol-loweringdrug（降胆固醇药）.Materials.Recombinantcellshavebeenconstructedthatcanbuildchemicalprecursorsfortheproductionofplasticsandtextiles,suchasBio-PDO（1，3－丙二醇）andspidersilk（蛛丝）.Medicine.Cellsarebeingprogrammedfortherapeuticpurposes.BacteriaandT-cellscanberewiredtocirculateinthebodyandidentifyandtreatdiseasedcellsandtissues.第79页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三（1）美国UCB化学工程系教授、劳伦斯国家实验室合成生物学中心主任Keasling本科曾获得化学与生物学双学位，后来又获得化学工程博士学位。所以在他从事代谢工程及合成生物学的研究中能很好地将化学、生物学、化学工程学相结合。在他从事抗疟疾药的生物合成研究中，始终把细胞当作微生物制药工厂（Microbialdrugfactories），进行设计、加工、集成、组装、控制。体现在合成生物学技术上包括DNA的合成、来自细菌、酵母及植物（青蒿Artemisiaannua）等多种基因及代谢途径的组装、多基因的精密调控等。他们关于抗疟疾药物生物合成的研究成果先后发表在2003年NatureBiotechnology和2006年的Nature上。合成生物学研究举例第80页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三Keasling实验室

ResearchInterests:代谢工程，系统生物学，合成生物学SyntheticBiologyforSyntheticChemistryACSChemicalBiology,2008,3:64-76（合成生物学－合成化学－青蒿素合成举例）ImportanceofsystemsbiologyinengineeringmicrobesforbiofuelproductionCurrentOpinioninBiotechnology2008,19:228–234（系统生物学－生物燃料生产）Metabolicengineeringofmicroorganismsforbiofuelsproduction:frombugstosyntheticbiologytofuels（代谢工程：微生物－合成生物学－生物燃料）

CurrentOpinioninBiotechnology2008,19:inpress

第81页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三Theprocessforthemicrobialproductionofartemisinin.Usingsyntheticbiology

用合成生物学生产抗疟疾药青蒿素第82页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三第83页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三ChristinaD.SmolkeDivisionofChemistryandChemicalEngineeringCaliforniaInstituteofTechnologyFoundationaladvancesinRNAengineeringappliedtocontrolofbiosynthesis第84页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三ASyntheticGene-MetabolicOscillator

Fung,E.,Wong,W.W.,Suen,J.K.,Bulter,T.,Lee,S.G.andLiao,J.C.(2005)Nature,435,118-122.

wedesignedandconstructedasyntheticcircuitinEscherichiacoliK12,usingglycolyticfluxtogenerateoscillationthroughthesignallingmetaboliteacetylphosphate.Iftwometabolitepoolsareinterconvertedbytwoenzymesthatareplacedunderthetranscriptionalcontrolofacetylphosphate,thesystemoscillateswhentheglycolyticrateexceedsacriticalvalue.Weusedbifurcationanalysistoidentifytheboundariesofoscillation,andverifiedtheseexperimentally.Thisworkdemonstratesthepossibilityofusingmetabolicfluxasacontrolfactorinsystem-wideoscillation,aswellasthepredictabilityofadenovogene–metaboliccircuitdesignedusingnonlineardynamicanalysis.第85页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三ResistancetoDiet-InducedObesityinMicewithSyntheticGlyoxylateShunt

CellMetabolism,9：525-536,2009UCLA(加州大学洛杉矶分校)的化学与生物分子工程学教授廖俊智（JamesLiao）借鉴了合成生物学的的研究策略，发现了一项新的、具有煽动效应的研究结果。他们将细菌和植物中燃烧脂肪的途径植入老鼠的体内。这种基因改变能使动物将脂肪转化成二氧化碳，并且在食用同样的快餐食谱的情况下保持苗条。波士顿大学的合成生物学家詹姆斯•考林斯（JamesCollins）说：“这项研究令我着迷的地方在于，我们可以以一种全新的方法、用合成生物学的方法治疗人类疾病。”当前的基因或蛋白治疗方案主要集中于单个分子，比如说替换一个缺失的分子，如胰岛素，或者在癌症中抑制一个有害蛋白的表达。换个思路，考林斯认为，科学家们可以试着考虑利用工程学的方法，使身体具有原先不具备的功能。第86页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三国际遗传机器大赛（internationalGeneticallyEngineeredMachineCompetition，

iGEM）AssemblingBuildingBlocksforNovelFunctionsDNA元件库生物系统基因机器构建组装Synthesis!第87页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三第88页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三DNA2.0DNA2.0Inc.

isaleadingproviderforsyntheticbiology.WithourgenesynthesisprocessyoucangetsyntheticDNAthatconformsexactlytoyourneeds,quicklyandcosteffectively.Applicationsofcustomgenesynthesisincludecodonoptimizationforincreasedproteinexpression,syntheticbiology,genevariants,RNAitrans-complementationandmuchmore.

第89页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三Information

vs.

ProcessingJustasinacomputer,databitsandprocessingbitsaremadefromthesamematerial,0or1,orA,T,C,G,orUinbiology第90页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三NatureasaComputerBiologicalsystemslikeDNAandRNAespeciallyappeartobemorethannetworksofinformation.RNAitselfcanbeseenasamoleculardecisionnetwork第91页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三E-CellE-CellSystemisanobject-orientedsoftwaresuiteformodeling,simulation,andanalysisoflargescalecomplexsystems

suchasbiologicalcells.Version3allowsmanycomponentsdrivenbymultiplealgorithmswithdifferenttimescalestocoexist

第92页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三ComputerModelingMetabolicPathwaysBioCyc–collectionoforganismspecificmetabolicpathwaydatabasescellMLisanXMLbasedformatforexchangingbiologicaldatafromgenestoproteinstometabolism第93页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三DigitalCellsMeet

SyntheticBiologyModelthecircuitValidatethecircuitTinkerwiththecircuitThen…AlterthegenetobuildanewproteinSNPswillgiveyoua‘firstapproach’Seeifthenewproteinis‘welltolerated’第94页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三GeneTherapyGenetherapyusinganAdenovirusvector.Anewgeneisinsertedintoanadenovirusvector,whichisusedtointroducethemodifiedDNAintoahumancell.Ifthetreatmentissuccessful,thenewgenewillmakeafunctionalprotein./wiki/Gene_therapy

第95页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三DNAVaccinesTheultimatemethodtotraintheimmunesystemagainstamultitudeofthreatsInjectaknownsequenceofDNATrickthecellintoexpressingit,thenseeingitasanantigentowardagainst.Usedtofightcancer.第96页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三AnimalModelSystemsMicemakeperfectmodels–astheyare:Cheap(reasonably)Fast/easygrowingVery‘inbred’MouseDNAarraysandthemousegenomearefairlywellknown,characterized第97页，讲稿共109页，2023年5月2日，星期三StemCell

Technology

Onceyouhavean‘alteredgenome’readytotestbeyondasimpleonecellenvironment,youleveragetheabilityofstemcellsto‘massproduce’