1、化学合成生物学生命是什么？ Erwin Schrdinger 18871961物理学家对量子力学的研究，应用到对分子生物学的思考。试图用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本性。它是为门外汉写的通俗作品，然而事实证明它已成为分子生物诞生和随后DNA发现的激励者和推动者两个极为重要的结论：基因中存在一种微型密码，以及基因遗传性状的持久性。中 心 法 则转录水平调控转录水平调控翻译水平调控翻译水平调控 DNA RNA 蛋白质 转录 翻译 复制 复制 逆转录 调控调控 A)生命体最丰富的六种元素生命体最丰富的六种元素B)生命体遗传物质生命体遗传物质C)常见氨基酸常见氨基酸There are kno
2、wn knowns; there are things we know we know.Donald Henry RumsfeldWe also know there are known unknowns; that is to say we know there are some things we do not know.But there are also unknown unknowns the ones we dont know we dont know.评述伊战：已知与未知破解创造合成生物学合成生物学BiobuilderWaclaw Szybalski (1974) 通过设计组装自
3、然的基因和蛋白来重塑生命系统，验证基本原理。Adleman (1994) 用天然的生物分子组装非天然的系统（使E coli闻起来像香蕉）Lehn (1987) 用非天然的分子模拟天然分子的功能-仿生化学。如果能用不同结构分子复制生理现象，那证明我们已经理解背后的化学过程。合成生物学概念的发展合成生物学A) 设计和组装生物组件、设备或系统设计和组装生物组件、设备或系统B) 改造自然界已有的生物系统以获得新功能改造自然界已有的生物系统以获得新功能“为了理解生命，就有必要从头开始。为了理解生命，就有必要从头开始。”合成生物学代表性事件19801980年：年：Hobom 提出用它表述基因重组技术提出用
4、它表述基因重组技术20002000年：年：Kool重新提出用它定义从基因片段、人工碱基重新提出用它定义从基因片段、人工碱基 DNA分子、基因调控网络与信号转导路径到细胞分子、基因调控网络与信号转导路径到细胞 的人工设计与合成。的人工设计与合成。 Nature报道了两篇人工合成报道了两篇人工合成 基因线路研究成果。基因线路研究成果。20082008年：年：吉布森（吉布森（Gibson）等人报道了世界上第一个完）等人报道了世界上第一个完 全由人工化学合成、组装的全由人工化学合成、组装的58万个碱基的细菌万个碱基的细菌 基因组基因组。20102010年：年：在花费了在花费了40,000,000美元和
5、美元和15年的努力后，吉年的努力后，吉 布森（布森（Gibson）和他的同事们）和他的同事们(Craig Venter) 宣布，世界上第一个由纯人工合成创造的细菌宣布，世界上第一个由纯人工合成创造的细菌 物种物种“Synthia”诞生了。诞生了。 Synthia：“合成的细胞”2007细菌基因组间的移植细菌基因组间的移植2008全化学合成及组装支原体基因组全化学合成及组装支原体基因组2009细菌基因组导入酵母细胞拼接修饰细菌基因组导入酵母细胞拼接修饰2010创造了第一个化学人工合成的基因组创造了第一个化学人工合成的基因组Syhthia合成图解合成图解 合成生物学兴起的标志-专门研究机构2006
6、年年2005年年2011年创立年创立2010年创立年创立 合成生物学兴起的标志-专门学术期刊2012年创刊年创刊 2012年起收录年起收录2013年创刊年创刊2014年创刊年创刊Focus Issue合成生物学研究内容1.1.用人造的分子去模拟组装自然的生命系统用人造的分子去模拟组装自然的生命系统分子与系统的组装调控分子与系统的组装调控化学合成生物学化学合成生物学对现有生物学定律、原理的验证对现有生物学定律、原理的验证在在基础研究基础研究中具有重要意义中具有重要意义2.2.用自然的分子组装自然界没有的系统用自然的分子组装自然界没有的系统基因操作基因操作基因工程学、代谢工程学基因工程学、代谢工程
7、学通过对不同物种来源的部件、系统的组装，通过对不同物种来源的部件、系统的组装，获得有益的产物积累获得有益的产物积累在在应用和开发应用和开发研究中具有重要意义研究中具有重要意义研究内容上各有侧重研究内容上各有侧重研究方法上互相借鉴研究方法上互相借鉴本质上界限不甚明显本质上界限不甚明显1998年诺贝尔生理学及医学奖，年诺贝尔生理学及医学奖，发现发现NO在心血管系统中起信号在心血管系统中起信号分子作用。分子作用。2014年诺贝尔化学奖，发展了超年诺贝尔化学奖，发展了超分辨率荧光显微技术。分辨率荧光显微技术。化学催生众多新兴交叉前沿学科与生命科学相关的诺贝尔化学奖有24次之多合成化学合成化学Synth
8、etic Chemictry合成生物学合成生物学Synthetic Biology化学合成生物学化学合成生物学Chemical Synthetic Biology合成化学与合成生物学博弈中前行Phil BaranJay Keasling化学合成生物学核酸类似物Boli和Eschenmoser等将RNA呋喃糖替换成吡喃糖，并实现有模板、稀溶液状态下的吡喃糖低聚物的聚合反应。肽核酸(Peptide Nucleic Acid，PNA):一类以多肽骨架取代磷酸骨架的DNA/RNA类似物，能模拟Watson-Crick碱基配对并特异性识别DNA/RNA。锁核酸(Locked Nucleic Acid，L
9、NA):新型的寡核酸衍生物 ,-D-呋喃核糖的 2O 与4C位通过缩水作用形成环形结构，呋喃糖锁定在C3内型的N构型，形成刚性缩合结构。从头创造生命，尝试可替代生物分子从头创造生命，尝试可替代生物分子PNALNA2-OMe抑制miRNA效率+特异性+抵抗核酸酶能力+细胞毒性-+-储存温度4(long-lasting)-20-20PNA/LNA广泛应用于荧广泛应用于荧光原位杂交光原位杂交FISH中。中。PNA/LNA-siRNA2-OMe:对对RNA是在是在2O的位置进行甲基化得到的衍生物。的位置进行甲基化得到的衍生物。核酸类似物应用Hiraos groupBenners groupRomesb
10、ergs group非天然碱基对（非天然碱基对（Unnatural Base Pair) 具有三大挑战具有三大挑战非天然碱基对的设计与应用人造碱基能否扩人造碱基能否扩增遗传密码？增遗传密码？ Benner非天然碱基对ACS Synth Biol. 2014 Aug 19 Benner非天然碱基对p/z在体外能被转录 不同核酸酶对合成含非天然碱基对的RNA具有特征的降解谱。(T1不能切rZ或rP，而RNase A 能切割rZ 而不切rP。提示：Benner非天然碱基对与标准的RNA存在区别)RNA sequence: 5-HO-GGC AGA GAG GAA GAA G-U-A C-GA CAG
11、 GCA AGCRNAse T1RNAse A Romesberg非天然碱基对有较好的代谢稳定性和出胞能力 LC-MS和测序结果均证实细菌中含有非天然碱基对 Romesberg非天然碱基对Nature. 2014 May 15;509(7500):385-8LC-MSSequencing诞生了第一个扩展遗传密码的细菌诞生了第一个扩展遗传密码的细菌ACS Chem. Biol., 2014, 9 (5), pp 11041112非天然氨基酸合成和应用解决的关键问题包括： 有识别非天然pSer/pTyr氨酰-tRNA合成酶 非天然氨基酸在胞内的积累Knowdown水解酶蛋白质人工合成研究意义： 回
12、答组成生命的“少数蛋白”为什么以及如何被选择出来 NBP为研究大分子折叠和稳定性的普适规律，复杂系统设计提供模式工具。结晶牛胰岛素一段编码一段编码100个氨基酸，理论上翻译得到个氨基酸，理论上翻译得到20100种蛋白种蛋白多肽的自然化学连接理论多肽的自然化学连接理论（Native Chemical Ligation,NCL)基于肽酰肼连接的多肽合成基于肽酰肼连接的多肽合成Dang B. et al.J Am Chem Soc. 2013 Aug 14;135(32):11911-9. Fang G M et al .Angew Chem Int Ed.2011.50(33):764576491
13、965年年1994年年2011年年极小细胞（Minimal cell mimicry）合成合成cell-like系统示意图系统示意图独立组分有序的化学系统组分（如脂质）的合成生长和分裂Nature Chemistry 3, 755756 (2011)解决关键问题：寻找维持生命最简单的组分解决关键问题：寻找维持生命最简单的组分Artemisia annua代谢工程 青蒿素的生物合成Nature. 2006 Apr 13;440(7086):940-3紫杉醇的生物合成Science. Oct 1, 2010; 330(6000): 7074.E.coli的异戊烯焦磷酸的上游模块的异戊烯焦磷酸的上游
14、模块异源的下游萜类化合物形成功能模块异源的下游萜类化合物形成功能模块 多变量模块化的代谢途径工程方法：调整模块中基因元件表达水平，减少中间抑制物的累积，使紫衫二烯的产量提高15000倍。Shota A et al.Nature.2008(451), 86-89生物燃料支链高级醇的生物合成 非发酵合成：通过改造E.coli氨基酸合成代谢途径，以葡萄糖为原料生成酮酸中间体，并最终转化合成了1-丁醇以及其他形式的高级醇。Lan E I , and Liao J C PNAS 2012;109:6018-6023CoA依赖的1-丁醇的生物合成EC, E. coli;RE,R. eutropha; CA
15、, C. acetobutylicum; AC, A. caviae; TD, T. denticola;CS, C. saccharoperbutylacetonicum N1-4; CL190, Streptomyces sp. strain CL190 通过蓝细菌的光合作用生成ATP，ATP消耗克服热力学壁垒，驱动乙酰COA至乙酰乙酰辅酶A的转化，这是最关键的一步。进一步整合不同来源的催化酶，最终实现光合催化1-丁醇的合成。虾青素三种结构工程番茄第一代表型从单细胞藻类小球藻克隆虾青素合成基因，解决了在植物中积累的关键问题，获得高产虾青素的工程番茄新品种。吃番茄保健。Huang J.C,e
16、t al.Metabolic Engineering.2013.02.005我国代表性进展产油酵母的遗传改造Growth on Hygromycin plates 建立了产油酵母的遗传操作建立了产油酵母的遗传操作平台，为利用其特殊的生产性平台，为利用其特殊的生产性能，构建新的生物合成体系提能，构建新的生物合成体系提供了技术支撑，供了技术支撑，实现水相发酵实现水相发酵。Lin XP, et al. FEMS Yeast Res. 2014, 14, 547人工辅酶适配的生命系统糖NAD(P)HNXDH依赖型途径NXD核酸途径NAD(P)H脂肪酸途径NAD(P)H异戊烯途径NAD(P)H氨基酸途径
17、NAD(P)H糖酵解/三羧酸循环还原物还原物氧化产物氧化产物 还原力还原力NAD(P)H连接胞内物质代谢和能量代谢，并连接胞内物质代谢和能量代谢，并广泛参与其他生物学过程。广泛参与其他生物学过程。问题：如何途径选择性传递还原力问题：如何途径选择性传递还原力? (选择性传递还原力对控选择性传递还原力对控制物质代谢，突破生物合成的效率瓶颈具有决定性意义制物质代谢，突破生物合成的效率瓶颈具有决定性意义)对策对策：创建正交氧化还原体系（创建正交氧化还原体系（“NXDH”+新酶新酶）Cell出版社刊物出版社刊物: Trends in Biotechnology 2013, 31(1), 5260“Cop
18、ing with complexity in metabolic engineering”. orthogonal metabolism will have to operate independently of cofactor regeneration by the host cell. We have already seen the first studies addressing this issue 49 . 正交代谢途径必须独立于正交代谢途径必须独立于宿主内源的辅酶再生体系。宿主内源的辅酶再生体系。我们已经看到我们已经看到解决该难题解决该难题的首例研究的首例研究 49按照该策略，
19、改造按照该策略，改造ATP依赖依赖型蛋白也很有希望型蛋白也很有希望Mampel J, Buescher JM, Meurer G, Eck JAngew. Chem. In. Ed. 2013, 39, 12308-12312Org. Lett. 2012, 14 (16), 4142-4145复用组合生物合成(Multiplex Combinatorial Biosynthesis,MCB) 1.以抗霉素产生体系为模型构建双内酯天然产物类似物库2.组合化学的思路应用于生物合成双内酯天然产物类似物在酵母中人工构建的极化网络：利用嵌合信号蛋白工具箱在空间上指导磷脂酰肌醇-3磷酸(PIP3)合成与
20、降解。具有组合模体的环路生成了明确的人造PIP3极化网络，持续近1小时。遗传时序逻辑门元件：构建双稳定的记忆模块，同时构建双抑制启动子NOR模块，通过定向进化整合两个模块，成为一个push-on & push-off开关Mol Syst Biol. 2010; 6: 350.Cell. 2012 Oct 12;151(2):320-32.合成元件与系统化学合成生物学未来在何方？ 化学合成生物学化学合成生物学 合成新生命合成机器让合成一切成为可能！让合成一切成为可能！合成非天然大分子展望 一、发展更多功能性元件，发展足够大的元件库ACS Synth. Biol., 2014, 3 (4), pp
21、 204209ACS Synth. Biol., 2014, 3 (6), pp 410415代谢途径的人工关联实现了两个细胞间的通讯cell-free体系中通过单个蛋白或多肽的合成来设计和筛选合成的操纵子，发展新元件 librarysynthetic operon重点：足够大的重点：足够大的元件库，成功设元件库，成功设计组装并实现个计组装并实现个体调控体调控构建群体效应开关维持细胞密度关键酶的定向改造进化促进产物积累人工构建导入代谢运载蛋白促进代谢分泌减少有毒物的积累展望 二、代谢工程研究更加全面深入重点：利用细胞重点：利用细胞代谢工程实现非代谢工程实现非天然大分子的生天然大分子的生物合成以
22、及产物物合成以及产物的回收的回收抗生素合成工程化，结构多元化抗生素合成工程化，结构多元化天然药物（化学）合成生物学中药现代化中药现代化确定活性成分确定活性成分寻找靶标寻找靶标确定药效确定药效确定活性分子确定活性分子gene合成簇合成簇基因（代谢）工程大规模生产基因（代谢）工程大规模生产合成生物学合成生物学Jay Keasling，美国发现杂志评选为2006年度最有影响的科学家之一，第18届 Heinz Award得主。屠呦呦，2011年获拉斯克-狄贝基临床医学研究奖通过基因或代谢工程将稀缺药材的活性分子大规模成产蛇足石杉Huperzia serrata（Thunb.）Trev.石杉碱甲是来源于
23、蕨类植物可逆性的乙酰胆碱酯酶（AchE）抑制剂，是治疗“老年痴呆症”（Alzheimers disease，AD）的一个有前景的药物。 石杉碱甲Huperzine A，Hup A石杉碱甲化学合成生物学 基因治疗：能转录某癌症关键基因的shRNA的工程菌E.coli感染细胞，在胞内转录释放shRNA从而达到沉默癌基因的目的 抗菌新策略：工程菌识别群体感应分子，启动表达相关酶和抗生素,破坏细菌的生物膜和杀死细菌。ACS Synth. Biol., 2014, 3 (4), pp 228237Warren C. Ruder et al.Science,333,1248 (2011) 展望 三、积极开
24、拓在其他领域的应用化学合成生物学面临的挑战u生命系统复杂性，有着巨大的调控网络生命系统复杂性，有着巨大的调控网络u设计组装的能力远不如合成的能力设计组装的能力远不如合成的能力 换句话说，我们知道如何去合成，但不知合成什么换句话说，我们知道如何去合成，但不知合成什么u带来的利益和风险并存，如转基因问题引起的全民争论带来的利益和风险并存，如转基因问题引起的全民争论人造生命：符合Darwinian进化规律，能自我维持的化学系统。终极挑战终极挑战致谢张先生张先生化学生物学学科战略研究化学生物学学科战略研究著作著作第第10章章 化学合成生物学化学合成生物学杨财广，黄悦，蓝乐夫，蒋华良杨财广，黄悦，蓝乐夫，蒋华良 对遗漏研究工作的贡献者表示歉意对遗漏研究工作的贡献者表示歉意谢谢各位！谢谢各位！
