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1、合成生物学Synthetic biology,(概念、原理、应用),合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。,合成生物学是指人们将“基因”连接成网络，让细胞来完成设计人员设想的各种任务。,TNT-生物传感器该研究可用来探测地雷位置,由DNA重组技术到合成生物学,理念：为细胞编写“基因软件
2、”自然演化的有机体（即生物学家所谓的“生命1.0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。,生物资源研究的三个层次,物种资源基因资源,人工生命(AL:Artificial life),合成生物学,DNA重组技术,物种生物学,转基因生物,一亿种:
3、140万种(占1.4%),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时代，科学家正在为人工合成生命而努力。有活性的X174噬菌体和脊髓灰质炎已被科学家先后合成。,Mycoplasma laboratorium（实验室合成支原体）,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。这一研究开辟了利用已知基因组序
4、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69 bp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 实验室的合成基因组实验,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 实验室将合成基因组的工作进行了改进，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
5、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。,X174噬菌体合成步骤示意图,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
6、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。,合成生物学带来的控制生命系统,目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，
7、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。,维斯和阿诺尔（加州理工学院化学工程师）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。,埃罗维茨（加州大学生物学和物理学教授）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。,J.Crai
8、g Venter：基因组替换技术,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.Craig Venter 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Mycoplasma mycoides的基因组取代与之关系密切的 Mycoplasma capricolum的基因组C.Lartigue et al.Genome transplantation in bacteria:Changing one species to another Science,June 28,2007.,人类历史上第一个人造染色
9、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。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(Mycoplasma laboratorium)，是一种经过简化拼接的生殖支原体(Mycoplasma genitalium)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。,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5
10、6万个碱基对。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。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。从某种程度上看，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。,2010年的重大科研事件“人造生命”诞生,John Craig Venter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,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
11、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
12、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。,用途：生物能源、生
13、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,合成生物学论文增长情况,合成生物学的内容,生物大分子的合成与模块化生物基因组的人工合成、简化与重构合成代谢网络遗传/基因线路的设计与构建细胞群体系统及多细胞系统研究数学模拟和功能检测,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
14、。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。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
15、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。,Commercial DNA Synthesis Companies,Data Source:Rob Carlson,U of W,Seattle,DNA Synthesis(Caruthers method),Error Rate:1%0.9950=0.60300 seconds per step,Microarray oligonucleotide synthesis,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，的研究小组合成了噬菌
16、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(Mycolasma genitalium)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,V
17、enter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（Mycoplasma genitalium）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
18、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。,4 遗传/基因线路的设计与构建,遗传线路（genetic circuit）俗称“基因线路”(gene circuit），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（genetic device），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
19、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）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
20、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
21、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iGEM Registry。,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，iGEM Registry提供了衡量和代表输入输出信号的标准PoPS（RNA polymerase per second）和RIPS（ribosomal initi
22、ations per second）。,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
23、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合成了家兔和人的珠蛋白基因，这是首次合成真核生物的基因。1973年8月，Khorana等又合成了具有126个核苷酸对的大肠杆
24、菌酪氨酸tRNA基因，但并没有转录功能。1973年11月，Stanley Cohen和Herbert Boyle等精确地把基因或者DNA片段插入其他细胞中，从而建立了重组DNA技术。1977年，美国加州大学的Boyer等用化学方法合成了人生长激素抑制因子的基因。,1979年，Khorana等合成了酪氨酸阻遏tRNA以及酪氨酸tRNA基因。1981年11月20日，中国合成酵母丙氨酸转移核糖核酸。2000年1月，Gardner等在大肠杆菌中构建了基因开关(Toggle switch)，一个合成的双稳态基因调控网络。Elowitz等构建了第一个合成的生物振荡器压缩振荡子(Repressilator)
25、。这两项事件标志着合成生物学作为一项新的领域正式产生。2000年11月，Brenner等设计向细胞DNA中参入天然不存在的碱基的方法来发展人工遗传系统，支持人工生命形式。,2001年，Schultz实验室向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添入新的组分(tRNA/氨酰tRNA合成酶组合)，使之能通过基因生成非天然的氨基酸。2002年8月，Cello等制造了第一个人工合成的病毒脊髓灰质炎病毒。2003年7月，Keasling等在美国劳伦斯伯克利国家实验室设立合成生物学部，并在大肠杆菌中成功地建立了合成青蒿素的网络，使得青蒿素价格降低到原来的1/10。2003年8月，Schultz实验室又发明了一种向酵
26、母中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。,2003年12月，Venter小组合成了噬菌体X174的基因组。2004年6月，第一届合成生物学国际会议在美国麻省理工学院召开。2004年10月，美国、加拿大与日本的学者合作将收集到的1918年西班牙流感病毒的DNA片段进行分析，并据此人工合成了该株流感病毒编码HA和NA蛋白的基因，进而获得了新的流感病毒。该病毒表现出与西班牙亚型流感病毒相近的致病性。2004年12月，Libchaber小组尝试创造了一个模拟人造生物“囊生物反应器”(Vesicle bioreactors)，其组成部分来自不同的生物材料：由蛋清中的脂肪分子和
27、大肠杆菌细胞提取物组成。“囊生物”内的基因可控制合成-溶血素(-hemolysin)。,。,2005年8月，美国旧金山举行了合成生物学会议，讨论了合成生物学在药物开发、细胞编程和生物机器人方面的潜在应用，以及随之而来的生物安全、伦理、法律等问题。2005年11月，美国麻省理工学院的研究人员在大肠杆菌中加入一个合成的传感器激酶，使细菌能对不同光照条件作出应答。2006年，Keasling实验室将多个青蒿素生物合成基因导入酵母菌中产生了青蒿酸，并通过对代谢网络不断改造和优化，使产量实现了数量级水平的提高。2008年2月，Venter小组人工合成了生殖支原体的基因组DNA，这是第一个人工合成的原核生
28、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。,2009年2月，日本东京大学和科学技术振兴机构的Tomohisa Sawada等应用纳米技术合成了只有1对碱基对的世界最短的双链RNA片段和只有3对碱基对的双链DNA片段。2010年1月，美国Cell杂志和英国Nature杂志同时为合成生物学创建10年发表专题社论，并提出合成生物学将面临的挑战。2010年5月，Venter小组人工合成了蕈状支原体基因组，并在山羊支原体细胞中成功复制、翻译并传代，实现了第一个具有人造基因组的活细胞。2010年10月，Venter小组使用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，这是首次人工合成实验老鼠的线粒体基因组。,
