合成生物学省公开课一等奖全国示范课微课金奖

合成生物学

简介1/47内容1.合成生物学概念2.研究方式和工具3.

合成生物学研究方向2/47合成生物学(syntheticbiology)

基于系统生物学遗传工程和工程方法人工生物系统研究，从基因片段、DNA分子、基因调控网络与信号传导路径到细胞人工设计与合成，类似于当代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域，合成生物学、计算生物学与化学生物学一同组成系统生物技术方法基础。3/47目标在于设计和创造新生物组件和体系，对现有生物体系进行重新设计。从基本生物组件构建复杂人工生命体系，对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。合成生物学包含工程学理念，任何一个生命体系能够看作是含有不一样功效生物零件有序组合。4/47标准化抽象化复杂系统去偶合DrewEndy(MIT)

合成生物学工程化三标准：2.研究方式和工具5/47标准化

从可更换部件库，快速构建多组分体系，包含建立生物学功效、试验检测条件及系统做出等通用、便捷标准。不一样部件间要进行标准化来实现“即插即用”性能。6/47MIT成立了标准生物部件登记处，数据库搜集了3200个标准化生物学部件。

7/47StandardAssembly8/47

抽象化：将生物功效单元划分为不一样层次。

DNA、RNA、蛋白质、代谢物相互作用系统9/47

将一个复杂问题分解成若干可操作独立简单问题。复杂系统去偶合10/47

标准生物部件含有特定生物学功效基因编码元件

开启子、调控因子、核糖体结合位点、编码序列、终止子11/4712/47将这些器件逐层设计构建组合成含有特定功效生物系统。生物部件part器件device系统system模块module13/47合成生物学研究方向1、创建新基因调控模块和线路

各种蛋白质、DNA、RNA相互作用形成复杂表示调控网络。经过构建非天然基因调控模块设计构建细胞生命活动分子网络。用途：调整基因表示和蛋白质功效。14/471）基因拨动开关e.g.E.coli汇报基因诱导物A阻遏物A开启子B开启子A阻遏物B诱导物B15/47经过加入不一样诱导物实现开关在两个稳定态之间转换。状态转换含有滞后性，含有记忆功效。16/472）基因振荡器FT1激活它本身和FT2；FT2过量，会抑制FT117/47生命体代谢路径重新构建微生物载体生产外源蛋白，当前人类利用E.coli生产1000各种人类蛋白。18/47代谢路径改造----调整关键组件优化路径

不一样生物学路径提取出来优化整合到宿主细胞合成目标化学物质19/47

1.

生物质能和乙醇发酵微生物E.Coli乙醇代谢重组菌：含有五碳糖和六碳糖代谢酶系混合酸发酵乙醇耐受能力低绿色植物和海洋藻类合成有机物（生物质）约2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗10倍。

20/47可用于发酵生产乙醇部分微生物及其主要底物21/47酵母乙醇代谢工程

酿酒酵母是工业上生产乙醇优良菌株，与细菌相比含有较高乙醇耐受力，对纤维素水解液中抑制物有较高抗性。缺点

酿酒酵母缺乏木糖转化为木酮糖所需酶，因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。对其菌种改造包括木糖跨膜运输、吸收利用、磷酸戊糖路径、糖酵解及胞内氧化还原状态维持等多个方面。22/47酵母木糖代谢工程23/47

大肠杆菌乙醇代谢工程EMP24/47主要优势大肠杆菌能够利用非常广泛碳源，其中包含六碳糖(葡萄糖，果糖)和五碳糖(木糖，阿拉伯糖)以及糖酸等物质，这一特征使得大肠杆菌能利用木质纤维素降解产生各种糖类，同时又因为大肠杆菌遗传背景清楚，所以在原核微生物乙醇代谢工程以及木质纤维素高效利用中含有主要研究价值。

大肠杆菌乙醇代谢工程25/47大肠杆菌乙醇代谢工程中存在问题1.大肠杆菌乙醇耐受能力低2.乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中表示研究不够充分3.竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效转化成乙醇26/472.

青蒿酸合成线路设计构建中药青篙中提取有过氧基团倍半萜内酯药品。Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成路径转入大肠杆菌中，改造获E.coli

青蒿酸产量300mg/L。27/47

因为在生物合成抗疟疾药品突出成就,Keasling被美国“发觉”杂志评选为

年度最有影响科学家。该项目已经取得比尔-梅林达盖茨基金会4300万美元资助,进行深入试验室研究、中试、临床试验等后续工作。28/473.

代谢路径快速进化基因突变改造代谢路径生产目标化合物29/47Church

对20种番茄红素合成相关基因进行突变；将突变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升5倍基因。30/474.

利用合成生物学生产新能源

Kaslling利用13个可逆酶促反应组合起来创建一条非天然催化路径。

淀粉+水H231/47最小基因组与合成生物学合成生物学最终目标：

合成独立可遗传人工生命体

32/47人工生命基本要素含有膜系统能进行新陈代谢含有自己基因33/47研究最简化生命两种方法从下而上：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。34/471.人工构建合成生命体

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

35/47三个步骤：合成、组装和移植合成：蕈状支原体基因组是一条大片段DNA分子，序列是A、T、G、C四种脱氧核糖核苷酸排列组合。经过试验确定维持其生命周期最小基因组，并加上4个“水印基因”作为标识。用计算机准确计算需要合成DNA分子序列，并用化学方法合成A、T、G、C碱基，并使其按所要求序列延伸。这是它被称为“人造生命”或者“化学合成”关键。Venter用化学方法合成了一千多个约1kbDNA片段，作为这次组装基本材料。Venter试验36/47组装：因为合成生物学技术上局限，不能直接合成上万碱基正确DNA大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒酵母和大肠杆菌帮助，把1KbDNA分子有序准确连成超出1000kb片段。移植：

Venter等把这个合成基因组移植到不含限制性酶切系统山羊支原体中，基因组能使用后者酶系统进行自我复制，经过多代繁殖后，长成菌落已经纯粹由蕈状支原体组成。丝状支原体37/47《用化学合成基因组构建一个细菌细胞》38/472.最小基因组构建

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

改造后菌株电穿孔效率、基因表示都有改变。39/47最小基因组优点选择性保留所需代谢路径和功效；成为合成基因网络理想容器；为插入模块提升最简单无干扰环境。40/47理想细胞底盘应具备条件长久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表示能够经过调整合成路径抑制与生产无关合成路径41/4715.3.4构建多细胞体系多细胞体系是建立在群体细胞效应研究基础上，多细胞包括细胞间通信体系。

群体效应：微生物经过本身产生一个化学信号来感受群体浓度，从而表现出某种特殊行为。42/47细菌QS系统作用细菌依据特定信号分子浓度能够监测周围环境中本身或其它细菌数量改变，当信号到达一定浓度阈值时，能开启菌体中相关基因表示来适应环境中改变。43/47枯草芽胞杆菌利用QS系统对细胞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。

44/4715.4

展望

年合成生物学被美国