第八章合成生物学

第八章合成生物学15、1合成生物学得发展史及概念(1)合成生物学得发展史1978年Skallka在对限制性内切核酸酶得评论中第一次预言了合成生物学得诞生。1980年Hobom引入了合成生物学得得名词来描述基因重组技术。DNA合成测序技术得发展和工程学在生物体系得应用,为合成生物学奠定基础。20世纪提出得概念用现有得有机化学和生物化学得合成能力设计非天然得分子,使这些分子在生命体系中发挥功能。通过合成得方法来理解自然得生命体系,构建创造新得人工生命体。美国基因组学先驱克莱格·凡特,在她位于马里兰州和加州得实验室,科研人员在其为期15年得研究项目中,已成功制造出全球首个“合成细胞”,一种称为丝状支原体得细菌。

(2)合成生物学合成生物学学就是生物科学在二十一世纪刚刚出现得一个分支学科。

目得在于设计和创造新得生物组件和体系,对现有得生物体系进行重新设计。从基本得生物组件构建复杂得人工生命体系,对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。

合成生物包含得内容

基因合成

构建人工生命体基于现有得天然生物组件,设计构建有新功能得生物体系。

15、2合成生物学得研究方法和工具(1)合成生物学得研究方法工程领域中所有得单元部件都具有独立功能,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得理念,任何一个生命体系可以看作就是具有不同功能得生物零件得有序组合。9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流

2004年,美国就成功在一位半身不遂得男性患者大脑中植入了一个电脑芯片,患者仅凭大脑里得意志力就可以操作电脑,能发送电子邮件。未来在芯片得帮助下,人们可以直接用大脑控制手臂和腿得假肢。现在就已经出现了可以部分控制得假肢。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:标准化从可更换得部件库,快速构建多组分体系,包括建立生物学功能、试验得检测条件及系统做出通用、便捷得标准。不同部件间要进行标准化来实现“即插即用”得性能。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。

将一个复杂得问题分解成若干可操作得独立得简单问题。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)合成生物学得组成工具将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功能得生物系统。生物部件part器件device系统system模块module

标准生物部件具有特定生物学功能得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15、3

合成生物学得研究方向15、3、1

创建新得基因调控模块和线路

各种蛋白质、DNA、RNA得相互作用形成复杂得表达调控网络。通过构建非天然得基因调控模块设计构建细胞生命活动得分子网络。用途:调节基因表达和蛋白质功能。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通过加入不同得诱导物实现开关在两个稳定态之间得转换。状态转换具有滞后性,具有记忆功能。2)基因振荡器FT1激活她本身和FT2;FT2过量,会抑制FT13)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。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得藻胆青素PCB。lacZompC

promoter

PCBBlackPCBPCB15、3、2

生命体代谢途径得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。代谢途径改造----调节核心组件优化途径不同得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1、

青蒿酸合成线路得设计构建疟疾典型得疟疾多呈周期性发作,表现为间歇性寒热发作。发作时先有明显得寒战,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。目前最有效得就是青蒿素,生产周期长、成本昂贵。

中药青篙中提取得有过氧基团得倍半萜内酯药物。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,改造获得E、coli

青蒿酸得产量300mg/L。困难:难以预计得复杂性这一工作几乎就是150人一年工作得结果,这些工作包括,探究每个基因得功能、探究这些功能基因组合在一起得运作机制。

由于在生物合成抗疟疾药物得突出成就,Keasling被美国“发现”杂志评选为2006年度最有影响得科学家。该项目已经获得比尔-梅林达盖茨基金会4300万美元得资助,进行进一步得实验室研究、中试、临床实验等后续工作。2、

代谢途径得快速进化基因突变改造代谢途径生产目标化合物Church

对20种番茄红素合成有关得基因进行突变;将突变得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倍得基因。3、

利用合成生物学生产新能源Kaslling利用13个可逆得酶促反应组合起来创建一条非天然得催化路径。

淀粉+水H215、3、3

最小基因组与合成生物学合成生物学最终目标:

合成独立得可遗传得人工生命体

人工生命得基本要素具有膜系统能进行新陈代谢具有自己得基因研究最简化生命得两种方法从下而上: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。1、人工构建合成生命体

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

不同物种间基因组得移植

将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。

丝状支原体2、最小基因组得构建

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

改造后菌株得电穿孔效率、基因表达都有改变。电穿孔

Endy小组用12kb人工合成得DNA取代野生T7基因组中得11kb得非必须DNA构建新得生命体。

最小基因组优点选择性得保留所需得代谢途径和功能;成为合成基因网络理想得容器;为插入模块提供最简单无干扰得环境。理想得细胞底盘应具备得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得表达能够通过调整合成路径抑制与生产无关得合成路径15、3、4构建多细胞体系多细胞体系就是建立在群体细胞效应得研究基础上,多细胞涉及细胞间得通信体系。

群体效应:微生物通过自身产生得一种化学信号