合成生物學

簡介合成生物學課件第1頁1/47內(nèi)容1.合成生物學概念2.研究方式和工具3.

合成生物學研究方向合成生物學課件第2頁2/47合成生物學(syntheticbiology)

基于系統(tǒng)生物學遺傳工程和工程方法人工生物系統(tǒng)研究，從基因片段、DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡與信號傳導路徑到細胞人工設計與合成，類似于當代集成型建筑工程，將工程學原理與方法應用于遺傳工程與細胞工程等生物技術領域，合成生物學、計算生物學與化學生物學一同組成系統(tǒng)生物技術方法基礎。合成生物學課件第3頁3/47目標在于設計和創(chuàng)造新生物組件和體系，對現(xiàn)有生物體系進行重新設計。從基本生物組件構建復雜人工生命體系，對整個生命過程進行重新設計、改造、構建。合成生物學包含工程學理念，任何一個生命體系能夠看作是含有不一樣功效生物零件有序組合。合成生物學課件第4頁4/47標準化抽象化復雜系統(tǒng)去偶合DrewEndy(MIT)

合成生物學工程化三標準：2.研究方式和工具合成生物學課件第5頁5/47標準化

從可更換部件庫，快速構建多組分體系，包含建立生物學功效、試驗檢測條件及系統(tǒng)做出等通用、便捷標準。不一樣部件間要進行標準化來實現(xiàn)“即插即用”性能。合成生物學課件第6頁6/47MIT成立了標準生物部件登記處，數(shù)據(jù)庫搜集了3200個標準化生物學部件。

合成生物學課件第7頁7/47StandardAssembly合成生物學課件第8頁8/47

抽象化：將生物功效單元劃分為不一樣層次。

DNA、RNA、蛋白質、代謝物相互作用系統(tǒng)合成生物學課件第9頁9/47

將一個復雜問題分解成若干可操作獨立簡單問題。復雜系統(tǒng)去偶合合成生物學課件第10頁10/47

標準生物部件含有特定生物學功效基因編碼元件

開啟子、調(diào)控因子、核糖體結合位點、編碼序列、終止子合成生物學課件第11頁11/47合成生物學課件第12頁12/47將這些器件逐層設計構建組合成含有特定功效生物系統(tǒng)。生物部件part器件device系統(tǒng)system模塊module合成生物學課件第13頁13/47合成生物學研究方向1、創(chuàng)建新基因調(diào)控模塊和線路

各種蛋白質、DNA、RNA相互作用形成復雜表示調(diào)控網(wǎng)絡。經(jīng)過構建非天然基因調(diào)控模塊設計構建細胞生命活動分子網(wǎng)絡。用途：調(diào)整基因表示和蛋白質功效。合成生物學課件第14頁14/471）基因撥動開關e.g.E.coli匯報基因誘導物A阻遏物A開啟子B開啟子A阻遏物B誘導物B合成生物學課件第15頁15/47經(jīng)過加入不一樣誘導物實現(xiàn)開關在兩個穩(wěn)定態(tài)之間轉換。狀態(tài)轉換含有滯后性，含有記憶功效。合成生物學課件第16頁16/472）基因振蕩器FT1激活它本身和FT2；FT2過量，會抑制FT1合成生物學課件第17頁17/47生命體代謝路徑重新構建微生物載體生產(chǎn)外源蛋白，當前人類利用E.coli生產(chǎn)1000各種人類蛋白。合成生物學課件第18頁18/47代謝路徑改造----調(diào)整關鍵組件優(yōu)化路徑

不一樣生物學路徑提取出來優(yōu)化整合到宿主細胞合成目標化學物質合成生物學課件第19頁19/47

1.

生物質能和乙醇發(fā)酵微生物E.Coli乙醇代謝重組菌：含有五碳糖和六碳糖代謝酶系混合酸發(fā)酵乙醇耐受能力低綠色植物和海洋藻類合成有機物（生物質）約2200億噸，相當于人類當前每年全部能耗10倍。

合成生物學課件第20頁20/47可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇部分微生物及其主要底物合成生物學課件第21頁21/47酵母乙醇代謝工程

釀酒酵母是工業(yè)上生產(chǎn)乙醇優(yōu)良菌株，與細菌相比含有較高乙醇耐受力，對纖維素水解液中抑制物有較高抗性。缺點

釀酒酵母缺乏木糖轉化為木酮糖所需酶，因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。對其菌種改造包含木糖跨膜運輸、吸收利用、磷酸戊糖路徑、糖酵解及胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)維持等多個方面。合成生物學課件第22頁22/47酵母木糖代謝工程合成生物學課件第23頁23/47

大腸桿菌乙醇代謝工程EMP合成生物學課件第24頁24/47主要優(yōu)勢大腸桿菌能夠利用非常廣泛碳源，其中包含六碳糖(葡萄糖，果糖)和五碳糖(木糖，阿拉伯糖)以及糖酸等物質，這一特征使得大腸桿菌能利用木質纖維素降解產(chǎn)生各種糖類，同時又因為大腸桿菌遺傳背景清楚，所以在原核微生物乙醇代謝工程以及木質纖維素高效利用中含有主要研究價值。

大腸桿菌乙醇代謝工程合成生物學課件第25頁25/47大腸桿菌乙醇代謝工程中存在問題1.大腸桿菌乙醇耐受能力低2.乙醇脫氫酶和丙酮酸脫羧酶在大腸桿菌中表示研究不夠充分3.競爭性代謝支路使得一部分碳源不能有效轉化成乙醇合成生物學課件第26頁26/472.

青蒿酸合成線路設計構建中藥青篙中提取有過氧基團倍半萜內(nèi)酯藥品。Keasling利用合成生物學，將大腸桿菌改造成青蒿酸工廠。將甲羥戊酸合成路徑轉入大腸桿菌中，改造獲E.coli

青蒿酸產(chǎn)量300mg/L。合成生物學課件第27頁27/47

因為在生物合成抗瘧疾藥品突出成就,Keasling被美國“發(fā)覺”雜志評選為

年度最有影響科學家。該項目已經(jīng)取得比爾-梅林達蓋茨基金會4300萬美元資助,進行深入試驗室研究、中試、臨床試驗等后續(xù)工作。合成生物學課件第28頁28/473.

代謝路徑快速進化基因突變改造代謝路徑生產(chǎn)目標化合物合成生物學課件第29頁29/47Church

對20種番茄紅素合成相關基因進行突變；將突變90個DNA片段，轉入大腸桿菌；

3天內(nèi)產(chǎn)生了150億基因突變體；從中篩選到使番茄紅素產(chǎn)量提升5倍基因。合成生物學課件第30頁30/474.

利用合成生物學生產(chǎn)新能源

Kaslling利用13個可逆酶促反應組合起來創(chuàng)建一條非天然催化路徑。

淀粉+水H2合成生物學課件第31頁31/47最小基因組與合成生物學合成生物學最終目標：

合成獨立可遺傳人工生命體

合成生物學課件第32頁32/47人工生命基本要素含有膜系統(tǒng)能進行新陳代謝含有自己基因合成生物學課件第33頁33/47研究最簡化生命兩種方法從下而上：從核苷酸合成新生命體。從上而下：從基因組中剔除非必要基因組。合成生物學課件第34頁34/471.人工構建合成生命體

年Wimmer小組脊髓灰質炎病毒合成Venter合成噬菌體基因組和生殖道支原體基因組

合成生物學課件第35頁35/47三個步驟：合成、組裝和移植合成：蕈狀支原體基因組是一條大片段DNA分子，序列是A、T、G、C四種脫氧核糖核苷酸排列組合。經(jīng)過試驗確定維持其生命周期最小基因組，并加上4個“水印基因”作為標識。用計算機準確計算需要合成DNA分子序列，并用化學方法合成A、T、G、C堿基，并使其按所要求序列延伸。這是它被稱為“人造生命”或者“化學合成”關鍵。Venter用化學方法合成了一千多個約1kbDNA片段，作為這次組裝基本材料。Venter試驗合成生物學課件第36頁36/47組裝：因為合成生物學技術上局限，不能直接合成上萬堿基正確DNA大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒酵母和大腸桿菌幫助，把1KbDNA分子有序準確連成超出1000kb片段。移植：

Venter等把這個合成基因組移植到不含限制性酶切系統(tǒng)山羊支原體中，基因組能使用后者酶系統(tǒng)進行自我復制，經(jīng)過多代繁殖后，長成菌落已經(jīng)純粹由蕈狀支原體組成。絲狀支原體合成生物學課件第37頁37/47《用化學合成基因組構建一個細菌細胞》合成生物學課件第38頁38/472.最小基因組構建

Blattnerj小組刪除大腸桿菌基因組15%（高達82Kb）,細菌仍保持了良好生存狀態(tài)。

改造后菌株電穿孔效率、基因表示都有改變。合成生物學課件第39頁39/47最小基因組優(yōu)點選擇性保留所需代謝路徑和功效；成為合成基因網(wǎng)絡理想容器；為插入模塊提升最簡單無干擾環(huán)境。合成生物學課件第40頁40/47理想細胞底盤應具備條件長久培養(yǎng)中保持基因穩(wěn)定能夠在低營養(yǎng)培養(yǎng)基中生長以降低成本同時協(xié)調(diào)多基因表示能夠經(jīng)過調(diào)整合成路徑抑制與生產(chǎn)無關合成路徑合成生物學課件第41頁41/4715.3.4構建多細胞體系多細胞體系是建立在群體細胞效應研究基礎上，多細胞包含細胞間通信體系。

群體效應：微生物經(jīng)過本身產(chǎn)生一個化學信號來感受群體濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊行為。合成生物學課件第42頁42/47細菌QS系統(tǒng)作用細菌依據(jù)特定信號分子濃度能夠監(jiān)測周圍環(huán)境中本身或其它細菌數(shù)量改變，當信號抵達一定濃度閾值時，能開啟菌體中相關基因表示來適應環(huán)境中改變。合成生物學課件第43頁43/47枯草芽胞桿菌利用QS系統(tǒng)對細胞發(fā)育進行調(diào)控當營養(yǎng)豐富、菌體稀少時向感受態(tài)方向發(fā)展；營養(yǎng)貧乏菌體密度高時向芽胞方向發(fā)展。

合成生物學課件第44頁44/4715.4

展望

年合成生物學被美國MIT出版《