1、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. 4. 展 望 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。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。 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。 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
2、从零件到器件再到系统。 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。 标准化抽象化复杂系统去偶合Drew Endy (MIT) 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。 2003 MIT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。 http:/partsregistry.org 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 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
3、、蛋白质、代谢物相互作用相互作用系统系统（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。生物部件生物部件part器件器件device系统系统system模块模块module 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。1） 基因拨动开关 e.g. E. coli 通过加入不同的诱导物实现
4、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。 FT1激活它本身和激活它本身和FT2； FT2过量，会抑制过量，会抑制FT1 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。lac ZompC promoter PCBBlackPCBPCB15.3.2 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。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1. 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
5、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中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物。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 青蒿酸的产量300mg/L。 由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就, Keas ling 被美国“发现”杂志评选为2006 年度最有影响的科学家。
6、 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。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。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 H215.3.3 最小基因组与合成生物学 1. 从下而上：从核苷酸合成新生命体。2. 从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。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 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。 丝状支原体丝状支原体 Blattnerj小 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。理想的细胞底盘应具备的条件 15.4 展望 细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。 该项研究可用来探测地雷位置： 靠近地雷时细菌发绿光； 远离地雷时则发红光。
