化學(xué)合成生物學(xué)化學(xué)合成生物學(xué)1生命是什么？

ErwinSchr?dinger1887~1961物理學(xué)家對量子力學(xué)的研究，應(yīng)用到對分子生物學(xué)的思考。試圖用熱力學(xué)、量子力學(xué)和化學(xué)理論來解釋生命的本性。它是為門外漢寫的通俗作品，然而事實(shí)證明它已成為分子生物誕生和隨后DNA發(fā)現(xiàn)的激勵者和推動者兩個極為重要的結(jié)論：基因中存在一種微型密碼，以及基因遺傳性狀的持久性。生命是什么？ErwinSchr?dinger1882中心法則轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控翻譯水平調(diào)控

DNA

RNA

蛋白質(zhì)

轉(zhuǎn)錄

翻譯

復(fù)制

復(fù)制

逆轉(zhuǎn)錄

調(diào)控調(diào)控

中心法則轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控翻譯水平調(diào)控DNARNA3A)生命體最豐富的六種元素B)生命體遺傳物質(zhì)C)常見氨基酸A)生命體最豐富的六種元素B)生命體遺傳物質(zhì)C)常見氨基酸4Thereareknownknowns;therearethingsweknowweknow.DonaldHenryRumsfeldWealsoknowthereareknownunknowns;thatistosayweknowtherearesomethingswedonotknow.Buttherearealsounknownunknowns–theoneswedon'tknowwedon'tknow.評述伊戰(zhàn)：已知與未知Thereareknownknowns;Donald5破解創(chuàng)造合成生物學(xué)——Biobuilder破解創(chuàng)造合成生物學(xué)——Biobuilder6WaclawSzybalski(1974)通過設(shè)計(jì)組裝自然的基因和蛋白來重塑生命系統(tǒng)，驗(yàn)證基本原理。Adleman(1994)用天然的生物分子組裝非天然的系統(tǒng)（使Ecoli聞起來像香蕉）Lehn(1987)用非天然的分子模擬天然分子的功能-仿生化學(xué)。如果能用不同結(jié)構(gòu)分子復(fù)制生理現(xiàn)象，那證明我們已經(jīng)理解背后的化學(xué)過程。合成生物學(xué)概念的發(fā)展WaclawSzybalski(1974)通過設(shè)計(jì)組裝7合成生物學(xué)A)設(shè)計(jì)和組裝生物組件、設(shè)備或系統(tǒng)B)改造自然界已有的生物系統(tǒng)以獲得新功能“為了理解生命，就有必要從頭開始?！焙铣缮飳W(xué)A)設(shè)計(jì)和組裝生物組件、設(shè)備或系統(tǒng)“為了理解生命8合成生物學(xué)代表性事件1980年：Hobom

提出用它表述基因重組技術(shù)2000年：Kool重新提出用它定義從基因片段、人工堿基DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑到細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成。

Nature報(bào)道了兩篇人工合成基因線路研究成果。2008年：吉布森（Gibson）等人報(bào)道了世界上第一個完

全由人工化學(xué)合成、組裝的58萬個堿基的細(xì)菌

基因組。2010年：在花費(fèi)了40,000,000美元和15年的努力后，吉布森（Gibson）和他的同事們(CraigVenter)

宣布，世界上第一個由純?nèi)斯ず铣蓜?chuàng)造的細(xì)菌物種“Synthia”誕生了。合成生物學(xué)代表性事件1980年：Hobom提出用它表述基因9

Synthia：“合成的細(xì)胞”2007細(xì)菌基因組間的移植2008全化學(xué)合成及組裝支原體基因組2009細(xì)菌基因組導(dǎo)入酵母細(xì)胞拼接修飾2010創(chuàng)造了第一個化學(xué)人工合成的基因組Syhthia合成圖解Synthia：“合成的細(xì)胞”2010

合成生物學(xué)興起的標(biāo)志-專門研究機(jī)構(gòu)2006年2005年2011年創(chuàng)立2010年創(chuàng)立合成生物學(xué)興起的標(biāo)志-專門研究機(jī)構(gòu)2006年2005年2011

合成生物學(xué)興起的標(biāo)志-專門學(xué)術(shù)期刊2012年創(chuàng)刊2012年起收錄2013年創(chuàng)刊2014年創(chuàng)刊FocusIssue合成生物學(xué)興起的標(biāo)志-專門學(xué)術(shù)期刊2012年創(chuàng)刊201212合成生物學(xué)研究內(nèi)容1.用人造的分子去模擬組裝自然的生命系統(tǒng)分子與系統(tǒng)的組裝調(diào)控→化學(xué)合成生物學(xué)對現(xiàn)有生物學(xué)定律、原理的驗(yàn)證在基礎(chǔ)研究中具有重要意義2.用自然的分子組裝自然界沒有的系統(tǒng)基因操作→基因工程學(xué)、代謝工程學(xué)通過對不同物種來源的部件、系統(tǒng)的組裝，獲得有益的產(chǎn)物積累在應(yīng)用和開發(fā)研究中具有重要意義研究內(nèi)容上各有側(cè)重研究方法上互相借鑒本質(zhì)上界限不甚明顯合成生物學(xué)研究內(nèi)容1.用人造的分子去模擬組裝自然的生命系統(tǒng)分131998年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎，發(fā)現(xiàn)NO在心血管系統(tǒng)中起信號分子作用。2014年諾貝爾化學(xué)獎，發(fā)展了超分辨率熒光顯微技術(shù)?；瘜W(xué)催生眾多新興交叉前沿學(xué)科與生命科學(xué)相關(guān)的諾貝爾化學(xué)獎有24次之多1998年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎，2014年諾貝爾化學(xué)獎，發(fā)展14合成化學(xué)SyntheticChemictry合成生物學(xué)SyntheticBiology化學(xué)合成生物學(xué)ChemicalSyntheticBiology合成化學(xué)與合成生物學(xué)博弈中前行PhilBaranJayKeasling合成化學(xué)合成生物學(xué)化學(xué)合成生物學(xué)合成化學(xué)與合成生物學(xué)博弈中前15化學(xué)合成生物學(xué)——核酸類似物Boli和Eschenmoser等將RNA呋喃糖替換成吡喃糖，并實(shí)現(xiàn)有模板、稀溶液狀態(tài)下的吡喃糖低聚物的聚合反應(yīng)。肽核酸(PeptideNucleicAcid，PNA):一類以多肽骨架取代磷酸骨架的DNA/RNA類似物，能模擬Watson-Crick堿基配對并特異性識別DNA/RNA。鎖核酸(LockedNucleicAcid，LNA):新型的寡核酸衍生物,β-D-呋喃核糖的2’O與4’C位通過縮水作用形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，呋喃糖鎖定在C3’內(nèi)型的N構(gòu)型，形成剛性縮合結(jié)構(gòu)。從頭創(chuàng)造生命，嘗試可替代生物分子化學(xué)合成生物學(xué)——核酸類似物Boli和Eschenmoser16PNALNA2'-OMe抑制miRNA效率+++++++++特異性++++++++++抵抗核酸酶能力+++++++++細(xì)胞毒性-+-儲存溫度4℃(long-lasting)-20℃-20℃PNA/LNA廣泛應(yīng)用于熒光原位雜交FISH中。PNA/LNA-siRNA2'-OMe:對RNA是在2’O的位置進(jìn)行甲基化得到的衍生物。核酸類似物應(yīng)用PNALNA2'-OMe抑制miRNA效率+++++++++17Hirao’sgroupBenner’sgroupRomesberg’sgroup非天然堿基對（UnnaturalBasePair)具有三大挑戰(zhàn)非天然堿基對的設(shè)計(jì)與應(yīng)用人造堿基能否擴(kuò)增遺傳密碼？Hirao’sgroupBenner’sgroupRom18

Benner非天然堿基對ACSSynthBiol.2014Aug19?Benner非天然堿基對p/z在體外能被轉(zhuǎn)錄?不同核酸酶對合成含非天然堿基對的RNA具有特征的降解譜。(T1不能切rZ或rP，而RNaseA能切割rZ而不切rP。提示：Benner非天然堿基對與標(biāo)準(zhǔn)的RNA存在區(qū)別)RNAsequence:5′-HO-GGCAGAGAGGAAGAAG-U-AC-GACAGGCAAGCRNAseT1RNAseABenner非天然堿基對ACSSynthBiol.219?Romesberg非天然堿基對有較好的代謝穩(wěn)定性和出胞能力?LC-MS和測序結(jié)果均證實(shí)細(xì)菌中含有非天然堿基對

Romesberg非天然堿基對Nature.2014May15;509(7500):385-8LC-MSSequencing誕生了第一個擴(kuò)展遺傳密碼的細(xì)菌?Romesberg非天然堿基對有較好的代謝穩(wěn)定性和出胞能20ACSChem.Biol.,2014,9(5),pp1104–1112非天然氨基酸合成和應(yīng)用解決的關(guān)鍵問題包括：?有識別非天然pSer/pTyr氨酰-tRNA合成酶?非天然氨基酸在胞內(nèi)的積累→Knowdown水解酶ACSChem.Biol.,2014,9(5),21蛋白質(zhì)人工合成研究意義：?回答組成生命的“少數(shù)蛋白”為什么以及如何被選擇出來?NBP為研究大分子折疊和穩(wěn)定性的普適規(guī)律，復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供模式工具。結(jié)晶牛胰島素一段編碼100個氨基酸，理論上翻譯得到20100種蛋白多肽的自然化學(xué)連接理論（NativeChemicalLigation,NCL)基于肽酰肼連接的多肽合成DangB.etal..JAmChemSoc.2013Aug14;135(32):11911-9.FangGMetal.AngewChemIntEd.2011.50(33):7645–76491965年1994年2011年蛋白質(zhì)人工合成研究意義：結(jié)晶牛胰島素一段編碼100個氨基酸，22極小細(xì)胞（Minimalcellmimicry）合成cell-like系統(tǒng)示意圖獨(dú)立組分→有序的化學(xué)系統(tǒng)→組分（如脂質(zhì)）的合成→生長和分裂NatureChemistry3,755–756(2011)解決關(guān)鍵問題：尋找維持生命最簡單的組分極小細(xì)胞（Minimalcellmimicry）合成ce23Artemisiaannua代謝工程——青蒿素的生物合成Nature.2006Apr13;440(7086):940-3Artemisiaannua代謝工程——青蒿素的生物合成24紫杉醇的生物合成Science.Oct1,2010;330(6000):70–74.E.coli的異戊烯焦磷酸的上游模塊異源的下游萜類化合物形成功能模塊?多變量模塊化的代謝途徑工程方法：調(diào)整模塊中基因元件表達(dá)水平，減少中間抑制物的累積，使紫衫二烯的產(chǎn)量提高15000倍。紫杉醇的生物合成Science.Oct1,2010;25ShotaAetal.Nature.2008(451),86-89生物燃料支鏈高級醇的生物合成?非發(fā)酵合成：通過改造E.coli氨基酸合成代謝途徑，以葡萄糖為原料生成酮酸中間體，并最終轉(zhuǎn)化合成了1-丁醇以及其他形式的高級醇。ShotaAetal.Nature.2008(451)26LanEI,andLiaoJCPNAS2012;109:6018-6023CoA依賴的1-丁醇的生物合成EC,E.coli;RE,R.eutropha;CA,C.acetobutylicum;AC,A.caviae;TD,T.denticola;CS,C.saccharoperbutylacetonicumN1-4;CL190,Streptomycessp.strainCL190?通過藍(lán)細(xì)菌的光合作用生成ATP，ATP消耗克服熱力學(xué)壁壘，驅(qū)動乙酰COA至乙酰乙酰輔酶A的轉(zhuǎn)化，這是最關(guān)鍵的一步。進(jìn)一步整合不同來源的催化酶，最終實(shí)現(xiàn)光合催化1-丁醇的合成。LanEI,andLiaoJCPNAS2027蝦青素三種結(jié)構(gòu)工程番茄第一代表型從單細(xì)胞藻類小球藻克隆蝦青素合成基因，解決了在植物中積累的關(guān)鍵問題，獲得高產(chǎn)蝦青素的工程番茄新品種。吃番茄保健。HuangJ.C,etal.MetabolicEngineering.2013.02.005我國代表性進(jìn)展蝦青素三種結(jié)構(gòu)工程番茄第一代表型從單細(xì)胞藻類小球藻克隆蝦青素28產(chǎn)油酵母的遺傳改造GrowthonHygromycinplates?建立了產(chǎn)油酵母的遺傳操作平臺，為利用其特殊的生產(chǎn)性能，構(gòu)建新的生物合成體系提供了技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)水相發(fā)酵。LinXP,etal.FEMSYeastRes.2014,14,547產(chǎn)油酵母的遺傳改造GrowthonHygromycin29人工輔酶適配的生命系統(tǒng)糖NAD(P)HNXDH依賴型途徑NXD核酸途徑–NAD(P)H脂肪酸途徑–NAD(P)H異戊烯途徑–NAD(P)H氨基酸途徑–NAD(P)H糖酵解/三羧酸循環(huán)還原物氧化產(chǎn)物?還原力NAD(P)H連接胞內(nèi)物質(zhì)代謝和能量代謝，并廣泛參與其他生物學(xué)過程。問題：如何途徑選擇性傳遞還原力?(選擇性傳遞還原力對控制物質(zhì)代謝，突破生物合成的效率瓶頸具有決定性意義)對策：創(chuàng)建正交氧化還原體系（“NXDH”+新酶）人工輔酶適配的生命系統(tǒng)糖NAD(P)HNXDHNXD核酸途徑30Cell出版社刊物:TrendsinBiotechnology2013,31(1),52–60“Copingwithcomplexityinmetabolicengineering”….orthogonalmetabolismwillhavetooperateindependentlyofcofactorregenerationbythehostcell.Wehavealreadyseenthefirststudiesaddressingthisissue

[49].……正交代謝途徑必須獨(dú)立于宿主內(nèi)源的輔酶再生體系。我們已經(jīng)看到解決該難題的首例研究[49]按照該策略，改造ATP–依賴型蛋白也很有希望MampelJ,BuescherJM,MeurerG,EckJCell出版社刊物:TrendsinBiotechno31Angew.Chem.In.Ed.2013,39,12308-12312Org.Lett.

2012,

14

(16),4142-4145復(fù)用組合生物合成(MultiplexCombinatorialBiosynthesis,MCB)1.以抗霉素產(chǎn)生體系為模型構(gòu)建雙內(nèi)酯天然產(chǎn)物類似物庫2.組合化學(xué)的思路應(yīng)用于生物合成雙內(nèi)酯天然產(chǎn)物類似物Angew.Chem.In.Ed.2013,39,32在酵母中人工構(gòu)建的極化網(wǎng)絡(luò)：利用嵌合信號蛋白工具箱在空間上指導(dǎo)磷脂酰肌醇-3磷酸(PIP3)合成與降解。具有組合模體的環(huán)路生成了明確的人造PIP3極化網(wǎng)絡(luò)，持續(xù)近1小時(shí)。遺傳時(shí)序邏輯門元件：構(gòu)建雙穩(wěn)定的記憶模塊，同時(shí)構(gòu)建雙抑制啟動子NOR模塊，通過定向進(jìn)化整合兩個模塊，成為一個push-on&push-off開關(guān)MolSystBiol.2010;6:350.Cell.2012Oct12;151(2):320-32.合成元件與系統(tǒng)在酵母中人工構(gòu)建的極化網(wǎng)絡(luò)：利用嵌合信號蛋白工具箱在空間上指33化學(xué)合成生物學(xué)未來在何方？化學(xué)合成生物學(xué)

合成新生命合成"機(jī)器"讓合成一切成為可能！合成非天然大分子化學(xué)合成生物學(xué)未來在何方？化學(xué)合成生物學(xué)合成新生命合34展望一、發(fā)展更多功能性元件，發(fā)展足夠大的元件庫ACSSynth.Biol.,2014,3(4),pp204–209ACSSynth.Biol.,2014,3(6),pp410–415代謝途徑的人工關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了兩個細(xì)胞間的通訊cell-free體系中通過單個蛋白或多肽的合成來設(shè)計(jì)和篩選合成的操縱子，發(fā)展新元件librarysyntheticoperon重點(diǎn)：足夠大的元件庫，成功設(shè)計(jì)組裝并實(shí)現(xiàn)個體調(diào)控展望一、發(fā)展更多功能性元件，發(fā)展足夠大的元件庫ACSS35構(gòu)建群體效應(yīng)開關(guān)維持細(xì)胞密度關(guān)鍵酶的定向改造進(jìn)化促進(jìn)產(chǎn)物積累人工構(gòu)建導(dǎo)入代謝運(yùn)載蛋白促進(jìn)代謝分泌減少有毒物的積累展望二、代謝工程研究更加全面深入重點(diǎn)：利用細(xì)胞代謝工程實(shí)現(xiàn)非天然大分子的生物合成以及產(chǎn)物的回收抗生素合成工程化，結(jié)構(gòu)多元化構(gòu)建群體效應(yīng)開關(guān)關(guān)鍵酶的定向改造進(jìn)化人工構(gòu)建導(dǎo)入代謝運(yùn)載蛋白36天然藥物（化學(xué)）合成生物學(xué)中藥現(xiàn)代化確定活性成分尋找靶標(biāo)確定藥效確定活性分子gene合成簇基因（代謝）工程大規(guī)模生產(chǎn)合成生物學(xué)JayKeasling，美國《發(fā)現(xiàn)》雜志評選為2006年度最有影響的科學(xué)家之一，第18屆HeinzAward得主。屠呦呦，2011