合成生物学.ppt
《合成生物学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《合成生物学.ppt（77页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
合成生物学Syntheticbiology（概念、原理、应用）,36亿年前，一个微小的生命细胞在地球的荒野中诞生，它自我复制，它的后代们继续复制自我，就这样，随着遗传基因一代代变异，延续数十亿代。
今天，每个生物体每个人、植物、动物和微生物都能从第一个细胞找到自己的起源。
迄今为止，地球的生物大家族是我们在宇宙发现的唯一存在的一种生命。
生命1.0版本,生物大家族中的新成员,不过现在，将会有一些新成员加入到这个生物大家族。
在过去这些年里，科学家一直在尝试从零开始制造全新的生命形式用化学物质造出合成（脱氧核糖核酸），由合成基因，再由基因形成基因组，最终在实验室造出全新生物体的分子系统，而这种生物体在自然界从未出现过。
这些向“造物主”的垄断地位发起挑战的人包括工程师、计算机学家、物理学家和化学家。
他们以有别于传统生物学家的视角看待生命，并在2003年开创了一个全新的研究领域合成生物学。
由DNA重组技术到合成生物学,理念：
为细胞编写“基因软件”自然演化的有机体（即生物学家所谓的“生命10版本”）的基因组图谱正在以前所未有的速度被绘制完成，而其中的遗传密码也将被逐渐解开。
合成生物学家认为，他们可以利用这些已知信息来设计、打造新生命形式。
在过去，遗传工程一直拘囿于对已有的遗传密码进行简单修补改造，比如从一种细菌中提取一个基因，然后植入玉米或猪的染色体。
而合成生物学所要打造的生命种类是全新的它不是任何一个原始母细胞的后裔，也没有哪个物种是它的祖先。
其实在本质上，这是一个逆自然的过程。
合成生物学,如果说1953年双螺旋分子结构的发现让分子生物学家意识到，基因与细胞的关系就像计算机的软件和硬件，那么合成生物学正在做的就是设计新“软件”、开发新“硬件”。
生物资源研究的三个层次,物种资源基因资源,1828年，德国化学家Wohler人工合成了存在于生物体内的一种有机物质-尿素，从而打破了“生命”与“非生命”之间的物质壁垒。
1960，我国科学家首次合成了具有生物活性的蛋白质-胰岛素。
当人类进入基因组和后基因组的二十一世纪的今天，科学家正在为人工合成生命而努力。
有活性的X174噬菌体（5386个bp）和脊髓灰质炎（7500个bp）已被科学家先后合成。
Mycoplasmalaboratorium人工生命（以人工设计为主导）,合成生物学,DNA重组技术,物种生物学,转基因生物,一亿种:
140万种（占1.4%）,人工合成脊髓灰白质炎病毒cDNA,美国纽约大学Wimmer实验室于2002年报道了化学合成脊髓灰白质炎病毒cDNA，并用RNA聚合酶将它转成有感染活力的病毒RNA。
开辟了利用已知基因组序列，不需要天然模板，从化合物单体合成感染性病毒的先河。
Wimmer从装配平均长度为69bp的寡核苷酸入手，结合了化学合成与无细胞体系的从头合成，用了3年时间完成了这个划时代的工作。
Venter实验室发展了合成基因组,X-174噬菌体基因是单链环状DNA，是历史上第一个被纯化的DNA分子，也是第一个被测序的DNA分子。
X-174噬菌体对动植物无害，是合适的合成研究对象。
美国Venter实验室发展了合成基因组的工作，该实验室只用两周就合成了X-174噬菌体基因（5,386bp）。
Venter实验室的技术改进主要有：
（1）用凝胶来提纯寡核苷酸以减少污染；
（2）严格控制退火连接温度来防止与不正确的序列发生连接；（3）采用聚合酶循环装置来装配连结产物。
合成生物学国际会议,2004年6月在美国麻省理工学院举行了第一届合成生物学国际会议。
会上除讨论了科学与技术问题外，还讨论了合成生物学当前与将来的生物学风险，有关伦理学问题，以及知识产权问题。
随着这个领域的发展，对于合成生物学的安全性的考虑愈来愈多。
现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。
合成生物学开辟了设计生命的前景,一方面有可能合成模仿生命物质特点的人工化学系统；另一方面也可能重新设计微生物如Keasling实验室向大肠杆菌中导入青蒿与酵母的基因，使大肠杆菌能在调节下合成青蒿素，从而显示了有效而价廉的治疗疟疾的前景合成生物学今后将能生成自然界不存在的新的微生物。
应用示例,Schultz实验室研究向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添入新组份，使之能通过基因生成非天然的氨基酸，结果取得了成功。
但是要在真核细胞做到这一点还有难度。
2003年，Schultz实验室报道了一种向酵母加入非天然氨基酸密码子的方法，成功地向蛋白质中导入了5种氨基酸。
目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已有80多种。
今后将可以直接向蛋白质导入顺磁标记、金属结合、光敏异构化等的氨基酸，促进蛋白质结构与功能的研究。
应用示例,Brenner提出向细胞DNA中掺入天然不存在的碱基来发展人工遗传系统,支持人工生命形式。
合成生物学也将对生命起源，其他生命形式的研究作出贡献。
控制生命,目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，研制不同的基因线路即特别设计的、相互影响的基因。
波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种“套环开关”，所选择的细胞功能可随意开关。
加州大学生物学和物理学教授埃罗维茨等人研究出另外一种线路：
当某种特殊蛋白质含量发生变化时，细胞能在发光状态和非发光状态之间转换，起到有机振荡器的作用，打开了利用生物分子进行计算的大门。
维斯和加州理工学院化学工程师阿诺尔一起，采用“定向进化”的方法，精细调整研制线路，将基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。
维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。
尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领域中重要的进展。
J.CraigVenter：
基因组替换,成功利用基因组取代技术，将一种细菌改变为另一种与之亲缘关系较为紧密的另一细菌。
这种由J.CraigVenter进行的“移植（transplantation）”技术，有望将合成基因组插入细胞，用于生产合成生命。
用Mycoplasmamycoides的基因组取代与之关系密切的Mycoplasmacapricolum的基因组C.Lartigueetal.Genometransplantationinbacteria:
ChangingonespeciestoanotherScience,June28,2007.,人类历史上第一个人造染色体合成成功,美科学家称“人造生命”技术已被掌握最具争议的美国著名科学家克雷格文特尔宣布，他的研究小组已经合成出人类历史上首个人造染色体，并有可能创造出首个永久性生命形式，以此作为应对疾病和全球变暖的潜在手段。
该研究部分由美国能源部出资，希望藉此研制出新型环保燃料。
由文特尔召集，诺贝尔医学奖获得者汉密尔顿史密斯领导的研究小组在这方面已经进行了5年研究。
文特尔已用化学药品在实验室中研制出一种合成染色体。
文特尔研究小组研制出的这种新型染色体即实验室合成支原体（Mycoplasmalaboratorium），是一种经过简化拼接的生殖支原体（Mycoplasmagenitalium）DNA序列，他们将这种合成支原体移植到活细胞中，使之在细胞中起主控作用，变换成一种新的染色体。
按照实验计划，最终这个染色体将控制这个细胞并变成一个新的生命形式。
这种新单细胞生物体被命名为“合成器”，受381个基因控制，包含56万个碱基对。
这些基因是维持细菌生命所必备的，使它能够摄食和繁殖。
由于新的生物体是在现存生物体上搭建，其繁殖和新陈代谢仍然依赖原来生物体的胞内机制。
从这一角度看，它并非完全意义上的新型生命形式。
但这种给特定基因赋予特定任务的观点已被众多生物学家广泛接受。
“这是人类自然科学史上一次重大进步，显示人类正在从阅读基因密码走向有能力重新编写密码，这将赋予科学家新的能力，从事以前从未做过的研究。
”他希望这项突破有助于发展新能源，应对气候变化造成的负面影响。
如创造出具有特殊功能的新微生物，可被用作替代石油和煤炭的绿色燃料，或用来帮助清除危险化学物质或辐射等；还可用来合成能吸收过多二氧化碳的细菌，为解决气候变暖贡献力量。
然而制造永久生命形式的前景极具争议性，有可能激起道德、伦理等方面的激烈辩论。
加拿大生物伦理学组织ETC团体主任帕特穆尼说，文特尔制造出了“一个基架，在此基架上人们几乎可以制造出任何东西”，“它可以用于研究新型药物，也可以用于对人类产生巨大威胁的生物武器”。
2009：
Venter：
Science,把蕈状支原体的基因组加以改造，使它能够终移植到山羊支原体内，形成了一个新的蕈状支原体细胞。
这也是今年这篇科研论文的雏形，在国外的科学媒体上曾经引发热烈的讨论。
2010年的重要大事：
“人造生命”诞生,JohnCraigVenter搅乱了（生命）科学界,用化学合成的基因组构建一个细菌细胞,Venter的实验http:
/www.science-,实验对象：
蕈状支原体。
支原体是已知的可以自由生活的最小生物,也是最小的原核细胞。
是一种原核微生物,内部结构很简单，基因组仅有一百多万碱基对，远小于真核生物基因组十亿级的碱基数量，这也是Venter选择操作它的原因。
Venter早在1995年就对生殖支原体测序，并致力于研究维持自由生命的最小基因组。
在2008年，Venter的团队合成了长达59万碱基对的生殖支原体基因组。
此后，他们选择生长速度更快的蕈状支原体来做实验。
如果仅仅从技术上来说，Venter做了一个无懈可击的实验，“人造生命”思路和流程都做得无懈可击。
三个步骤：
合成、组装和移植,合成：
蕈状支原体的基因组是一条大片段的DNA分子，序列是A、T、G、C四种脱氧核糖核苷酸的排列组合。
通过实验确定维持其生命周期的最小基因组，并加上4个“水印基因”作为标记。
用计算机精确计算需要合成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”的关键。
Venter用化学方法合成了一千多个约1kb的DNA片段，作为这次组装的基本材料。
组装：
因为合成生物学技术上的局限，不能直接合成上万碱基对的DNA大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒酵母和大肠杆菌的帮助，把1Kb的DNA分子有序准确的连成超过1000kb的片段。
移植：
Venter等把这个合成基因组移植到不含限制性酶切系统的山羊支原体中，基因组能使用后者的酶系统进行自我复制，经过多代繁殖后，长成的菌落已经纯粹由蕈状支原体组成。
Venter：
“创造了一个计算机为父母的生命”,JCVI：
将8个由60个核苷酸组成的DNA片段，首次人工合成实验老鼠的线粒体基因组,使用8个只含有60个核苷酸的DNA片段，让它们同酶和化学试剂的混合物相结合，在50下孵化1小时，5天内合成出了实验鼠的线粒体基因组，得到的基因组能够纠正具有线粒体缺陷的细胞内的异常。
用途：
生物能源、生物除污,Venter下一步的计划就是合成某种海藻基因组，这种新型海藻可以通过光合作用把空气中的二氧化碳转化成汽油或者柴油等清洁能源，从而有效解决目前的气候变化和能源危机。
疫苗、药物、生物能源、生物除污等,全球九大新兴科技展望,合成生物学通用翻译纳米导线拜埃斯氏技术T射线核糖核酸干扰分子疗法大电网的控制微射流光纤个人基因组学,WhatisSyntheticBiology?
syntheticbiology,合成生物学（syntheticbiology）一词最早出现于1911年7月8日著名医学刊物柳叶刀TheLancet.ReviewsandNoticesofBooks.TheLancet,1911.178（4584）:
97-99.发表的一篇书评中。
后来虽然断断续续出现过多次,但在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的一篇长篇论文。
Hobom,B.Genesurgery:
onthethresholdofsyntheticbiology,MedizinischeKlinik,1980,75（24）:
834-841.随着人类基因组计划的完成,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。
合成生物学论文增长情况,合成生物学的定义,加州大学伯克利分校（UCB）的化学工程教授Keasling说:
合成生物学正在用“生物学”进行工程化,就像用“物理学”进行“电子工程”,用“化学”进行“化学工程”一样。
哥伦比亚癌症研究中心、测序及基因组科学中心主任Holt说,合成生物学与传统的重组DNA技术之间的界限仍然是模糊的。
从根本上说,合成生物学正在利用获得的“元件”进行下一层次的工作对细胞进行实际的工程化。
合成生物学的定义,哈佛大学医学院遗传学教授、计算遗传学中心主任Church说,主要的出发点是在把合成生物学与现有的领域（例如基因工程或细胞工程）分离开来。
我们已经在一次涉及一个“零件”或少量“零件”。
合成生物学是利用我们所确信的一些“零件”进行新生物系统的工程。
它在利用从系统生物学（systemsbiology）得出的最好分析去加工制作及检验复杂的生物机器.,合成生物学的定义,明尼苏达大学物理系教授Noireaux说,合成生物学的定义是令人困惑的,在很多方面就像生命的定义一样困惑。
作为一个物理学家,会喜欢建造机器、机器人。
这正是我们试图利用生物分子要做的事情。
这看起来像工程,但也面临许多基础问题。
合成生物学的定义,根据上述情况,我们推荐“合成生物学组织”网站上公布的合成生物学的定义,合成生物学包括两条路线:
1）新的生物零件、组件和系统的设计与建造;2）对现有的、天然的生物系统的重新设计。
这两条路线的目的都是为了造福人类社会。
合成生物学的内容,生物积块（BioBrick）：
包括各种生物分子的合成与模块化、亚细胞模块、生物合成的基因网络、代谢途径和信号转导通路、转运机制等。
积块接口：
如调整和修改输入-输出过程、调整不同亚细胞组件间的层次化相互作用等使模块具有可拆装性。
开放平台：
优化生物或非生物载体，达到提高工程系统效率、降低其维护成本和要求、提供某种特殊的“敏感性”及对环境的兼容性等目的。
调控和通讯系统：
包括生物部件的反馈、前馈机制以及行为和通讯方式的模块化。
数学模拟：
各种功能模块的逻辑结构与仿真、预测算法和相应软件等。
1.生物大分子的合成与模块化,蛋白质的工程化改造与模块化核酸分子的人工合成,蛋白质的工程化改造与模块化,需要开发模块化、标准化的人工蛋白模块。
标准化的人工蛋白模块可以通过蛋白的自身结构域锌指结构重新组合来巧妙地实。
人工突变是构建具有崭新功能的蛋白质或活性酶的最常用方法。
利用信号蛋白能够在蛋白质-蛋白质相互作用水平进行功能重编程的特性，通过蛋白模块的构建和改造还可以对信号通路进行构造和改变。
锌指结构,蛋白质与DNA特异序列结合区域,核酸分子的人工合成,随着人类基因组计划的胜利完成,一些基本技术,例如基因组测序和DNA从头合成速率,已取得里程碑性的突破。
如图2所示,基因组测序速率过去10年增加了500倍以上,而测序成本下降了3个数量级以上。
据预测,新的测序技术将使人的基因组测序成本降低到1000美元。
DNA合成速率过去10年增加了700倍以上,每年都在翻番。
更为重要的是利用可编程的DNA微芯片,实现了精确的多通道基因合成,从而可在短时间合成大的DNA片段,而且错误率很低,组装一个14.6kb的DNA只有两个错误,这就导致DNA的合成成本大大降低。
CommercialDNASynthesisCompanies,DataSource:
RobCarlson,UofW,Seattle,BioneerSouthKorea,CinnagenTehran,Iran,TakaraBiosciencesDalian,China,InqabaBiotecPretoria,SouthAfrica,FermentasVilnius,Lithuania,BioS&T,AlphaDNA,BiocorpMontreal,Canada,GENEARTRegensberg,Germany,MWGBangalore,India,ZelinskyInstituteMoscow,Russia,ScinoPharmShan-hua,Taiwan,GenosphereParis,France,BiolegioMalden,Netherlands,AmbionAustin,Texas,BiosearchNovato,California,Bio-SynthesisLewisville,Texas,ChemgenesWilmington,Mass.,BioSpringFrankfurtamMain,Germany,BiosourceCamarillo,CA,DharmaconLafaette,Co.,CyberGeneABNovum,Sweden,CortecDNAKingston,Ontario,CA,EurogentecBelgium,U.K.,DNATechnologyAarhus,Denmark,GenemedSynthesisS.SanFrancisco,CA,DNA2.0MenloPark,CA,MetabionMunich,Germany,MicrosynthBalgach,Switzerland,JapanBioServicesJapan,BlueHeronBiotechnologyBothell,WA,GeneworksAdelaide,Australia,ImperialBio-MedicChandigarh,India,BioserveBiotechnologiesHyderabad,India,GenelinkHawthorne,NY.,DNASynthesis（Caruthersmethod）,ErrorRate:
1%0.9950=0.60300secondsperstep,Microarrayoligonucleotidesynthesis,2生物基因组的人工合成、简化与重构,2002年，脊髓灰质炎病毒（Poliobirus）的全基因组（7500bp）2003年，J.C.Venter的研究小组合成了噬菌体X174基因组（5386bp）；2005年美国研究人员人工合成了1918年造成了全世界上千万人死亡的“西班牙流感病毒”；2008年，Venter小组又合成了生殖道支原体（Mycolasmagenitalium）基因组（582790kb），这是第一个人工合成的原核生物基因组；2008年12月，Becker等设计并合成了重组的蝙蝠SARS样冠状病毒；2010年5月，Venter小组又人工合成了蕈状支原体基因组，实现了第一个具有人造基因组的活细胞；同年10月，该小组等使用8个只含有60个核苷酸的DNA片段，在5天内合成出了实验鼠的线粒体基因组，得到的基因组能够纠正具有线粒体缺陷的细胞内的异常,Venter小组实验鼠的线粒体基因组合成方法示意图,“最小基因组”和“必需基因组”,现已对14种原核生物和7种真核生物基因组进行了实验，鉴别出1万余个必需基因，存放在必需基因数据库DEG5.2中，如生殖道支原体（Mycoplasmagenitalium）有386个必需基因、大肠杆菌的最小基因组目前已经确定的有151个基因等。
此外，其它研究者还将T7噬菌体基因组进行重构，使其更易于细胞底物背景的量化和模拟分析。
3.合成代谢网络,目前，合成代谢网络主要是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。
对于合成代谢网络而言，在异源宿主中均需要确保编码代谢途径的多个基因的协调与平衡。
因此，对代谢网络相关基因及调节元件的合理筛选仍然是一个挑战。
此外，合成代谢途径的设计还必须充分考虑细胞的自然生长和进化过程对于网络参数稳定性的影响。
这,4遗传/基因线路的设计与构建,遗传线路（geneticcircuit），俗称“基因线路”（genecircuit），类似于电磁学中描述电器件关系的“Circuit”方法，用于研究基因受蛋白质、mRNA等物质调控的关系和相应的数学模型。
在合成生物学中，遗传线路是由各种调节原件和被调节的基因组合成的遗传装置（geneticdevice），可以在给定条件下可调、可定时定量地表达基因产物。
人工细胞群体图案系统遗传线路图,目前，根据线路的功能主要可以分为两大类：
逻辑基因线路（模拟各种逻辑关系和数字元件的遗传线路）和功能基因线路（具有特定生物功能的遗传线路）。
5细胞群体系统及多细胞系统研究,基于细胞间的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。
目前，研究者利用人工构造的群体感应机制已经开发出了许多具有崭新功能的细胞群体系统。
例如，利用SOS应急系统和群体感应的双稳开关系统、能够达到高或低细胞浓度的双稳开关系统等。
6数学模拟和功能检测,有效结合实验验证和算法开发，利用实验验证模型和优化模型，通过模型来指导合成生物学实验是行之有效的方法之一。
合成生物学强调“设计”和“重设计”。
大量借助计算机科学、信息科学、数学和物理学原理，利用已有的生物学知识，建立数学模型，对合成生物系统进行模拟和性能分析，指导和优化实验设计，是合成生物学的重要手段。
合成生物学的工程本质,“工程化”是合成生物学的一个显著特点，也是合成生物学区别现有生物学其它学科的主要特征之一。
合成生物学家力图通过工程化方法，将复杂生物系统简化以探索自然生物现象及其应用，并利用基因等元素设计和构建具有崭新功能的合成生物系统。
自上至下（逆向工程）和自下至上（前/正向工程）是合成生物学的过程化研究主要有两种策略。
自上至下策略主要用于分析阶段，试图利用抽提和解耦方法降低自然生物系统的复杂性，将其层层凝练成工程化的标准模块。
自下至上的策略通常是指通过工程化方法，利用标准化模块，由简单到复杂构建具有期望功能的生物系统的方法。
合成生物系统的模块化,为了克服常规基因操作中繁琐的切、连、转、筛等，更加灵活地使用DNA元件，合成生物学家创造性地提出了标准化生物模块生物积块（BioBrick）的概念，并构建了相应的DNA元件文库iGEMRegistry。
除了用标准化的功能模块作为承载功能的硬件外，还需要标准化的系统量化平台和抽象的概念信号作为承载功能的软件。
为此，iGEMRegistry提供了衡量和代表输入输出信号的标准PoPS（RNApolymerasepersecond）和RIPS（ribosomalinitiationspersecond）。
合成生物系统的层次化结构,具有一定功能的DNA序列组成最简单的生物积块，称为生物部件（Part）；不同功能的生物部件按照一定的逻辑和物理连接组成复杂的生物装置（Device）；不同功能的生物装置协同运作组成更加复杂的生物系统（System）；含有多种不同共能的生物系统彼此通讯互相协调组成再复杂些的多细胞或细胞群体生物系统。
在合成生物系统中，这些模块主要利用逻辑拓朴结构中的串联、前馈和反馈等合理组合连接成具有一定功能的遗传线路；同样，遗传线路又可连接成调控网络或生物系统。
合成生物学的意义,加速合成生物系统工程化的进程验证和深化对于生物现象的理解,合成生物学的应用,医药生物环境人类健康能源,微生物砷离子检测示意图,合成生物学大事记,1828年，Wohler利用氰酸铵合成尿素。
1953年，Miller通过放电合成氨基酸，模拟原始地球的有机物发生过程。
1965年9月17日，中国合成了第一个人工合成的蛋白质结晶牛胰岛素。
1968年，Khorana等合成了核苷酸及基因密码子。
1970年，Khorana等首次用化学方法人工合成了有77个核苷酸对的酵母丙氨酸的结构基因。
1972年，Price和Conover等的实验室各自用反向转录酶
升级会员 