现代生命科学与生物技术合成生物学

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1、合成生物学,化学化工学院 黄磊,现代生命科学与生物技术,硕士研究生公共课程,第4章合成生物学,4.1 概述 4.2 生物元器件 4.3 DNA的合成与元器件装配 4.4 合成生物的功能实现,4.1 概述, 4.1.1 合成生物学的概念 4.1.2 合成生物学的发展 4.1.3 合成生物学的应用,4.1.1 合成生物学的概念, 包括人类在内的700多种生物的基因组已经被测序，在分子水平上研究基因的结构和功能成为现实 合成生物学（synthetic biology）是基于生命系统的工程技术，旨在设计、构建自然界不存在的生命或使已存在生命具有新功能 合成生物学研究如何设计和构建人工生命，依靠人工开发

2、的基因密码，按照预定的方式运行生命,相关背景,合成生物学是继人类基因组计划研究之后，生物领域的又一热门学科，是整体系统论生物学思潮在工程学领域的再现 合成生物学是生物发展到一定阶段随之工程化的必然趋势 科学家希望能够设计新生物体来满足一些特殊需要: 让细菌吃进纤维素废物，排泄出石油 把“生物砖”类比于半导体工业中的半导体元件，组装这些元件，让细胞干我们想让它干的事情 采用基因工程方法将生物细胞“组装”成实用的机器或技术,合成生物学与计算机工程的层次比较,4.1.2 合成生物学的发展, 合成生物学是按照需要设计制造出具有不同性状的基因，再将这些基因集成到细胞中，形成具有特殊功能的人造生命 191

3、1年7月8日，柳叶刀出现“合成生物学” 一词 2000年以后，这一学科迅速发展，大量科学家将注意力转向该领域 2004年MIT出版的Technology Review，将合成生物学评为“将改变世界的十大新技术”之一,合成生物学国际会议, 2004年6月：美国MIT，第1届，SB 1.0 2005年5月：美国UC-Berkeley，第2届，SB 2.0 2007年6月：瑞士，第3届，SB 3.0 2008年10月：香港，第4届，SB 4.0 2008年5月，北京香山“合成生物学学术研讨 会”合成生物学下一代的生物技术,合成生物学的标志性进展, 长片段DNA合成技术：2004年 染色体移植技术：2

4、007年 染色体组装技术：2008年1月，美国克雷格文特研 究所人工全合成生殖支原体细菌完整染色体（已知的自然界中基因组最小的生物体：485个基因，58万个核苷酸；人类：10万个基因，30亿碱基对） “很多技术曾被视为对上帝的挑战，但恐怕没有一个 像合成生物学一样，要面对直接的谴责”，自然 杂志2007年写道：“上帝第一次有了对手”达尔文式的自然进化世界将被人造世界所取代,合成生物学为很多领域的研究提供新视角, 生物学家：重建不同层次的研究对象，由此加深对生命活动和生命过程的理解 化学家：创造新分子化合物 物理学家：发现自然状态下分子的活动行为 工程技术科学家：进行药物、生物材料和生物能源等工

5、程设计与简单、低廉、高效的制造，满足人类和社会发展的需要,合成生物学与系统生物学, 合成生物学的出现与系统生物学（systems biology）的发展密不可分；都遵从系统论，对生物系统的整体功能进行研究 系统生物学将在基因、蛋白质、代谢物等多维分子水平获得大量的细胞行为知识和建立生物网络，为合成生物学提供理论和模型 合成生物学可为系统生物学的定量分析提供模式生物,合成生物学与生物信息学、化学, 基因组测序是遗传信息阅读和解码的过程，合成生物学是测序的逆过程 合成生物学对生物信息学（bioinformatics）提出了更大的挑战，其设计和优化需要新的算法进行模拟和测试 合成生物的过程是以原料核

6、酸的高速合成为基础的， 需要高效、低成本的化学合成技术提供支持 目前常规化学方法合成一个碱基核苷酸的商业化价格是2元左右，新方法有望降低成本,合成生物学与基因工程, 都以基因为操作对象，都需要核酸酶和连接酶作为剪切和组装的工具，都需要载体来承载基因，进行扩大繁殖和保存 基因工程技术只能在较小的范围内对已经存在的生命进行改造 合成生物学能够将分解的数个功能模块高并行合成并构建代谢电路，最终得到具有复杂功能的新生命 合成生物学研究将降低关键技术成本，解决基因操作的经济性问题，在工程领域得到广泛应用, 美国麻省理工学院的Tom Knight一语道破了基因工程的困境：“由于缺乏标准化的DNA序列组合技

7、术，使得每一次DNA组合反应既是解决研究题材的工具，本身也是一项实验” 生物工程使用的方法和零件如果能够标准化，就能建立相容组件的设计库。观念与制造分开后，生物工程学家才有余力去构思更复杂的装置，利用更有效的工具（电脑辅助设计）来控制系统的复杂度,4.1.3 合成生物学的应用, 合成生物学的目的是工程应用而非科学研究， 它吸引了更多的工程专家、信息专家共同研究 合成生物学的核心观念是，认为生命的所有零 件都能由化学方法来合成制造，进而通过工程化方式组装成实用的生命 合成生物学的研究和实验仍然处在初级阶段,合成生物学的应用领域, 生物医药领域：改造细胞，生产新型药物；重新设计更有效、更安全的生物

8、治疗方法 生物能源与新材料领域：重新设计生物质路线图，获 取太阳能、清洁燃料和新能源，可降解塑料、碳纳米管等材料 环境领域：设计和合成新功能微生物，用于清除水污染、清除垃圾、处理核废料等 智能计算机与生物传感领域：生物机体的实时检测， 细胞机器人在动脉中检测并清除导致血栓的动脉粥样 硬化物质，探测化学和生物危险物和爆炸物的生物警报器,4.2 生物元器件, 4.2.1 合成生物的单元 4.2.2 合成生物的设计与优化,4.2.1 合成生物的单元基因元件与生物砖, 基因（生物）元件（genetic element）：是具有某种特定的生物学功能的DNA或RNA，是设计和合成生物的基本单位 特性：信号

9、接受和输入功能，信号发送和产物输出功能， 调节信息流、代谢和生物合成的功能，和其他元件相互作用，具有特定的工作环境 可以是功能元件：编码1个/组生化反应酶功能基因/基因簇 也可以是界面调控元件：包括功能基因转录、蛋白质翻译 与修饰、功能酶反应等的调控基因，如复制子、启动子、 阻遏子、诱导子、转录因子、核糖体结合位点、转录终止子、翻译终止密码、酶切位点、选择标记等,部分基因元件及其对应的的图示,生物部件,生物部件（biological part）是由一个或多个 基因元件组成，最简单的能行使催化功能的生 物部件，是完整的编码酶基因表达盒,生物砖,生物砖（biobrick）是标准化的基因元件，是具有

10、可连接性末端（前后缀）的基因元件 前后缀分别是两个核酸限制性酶切位点，该末端只能用于元件之间的连接 前缀之后依次是测序引物、启动子、核糖体结合 位点、功能基因、翻译终止密码、转录终止子,4.2.1 合成生物的单元生物模块与基因电路,生物模块（biological module）是一组细胞内区域化的生物器件（biological device），它们由内在功能联系在一起，执行特定的复杂功能 细胞内模块往往是具有特定功能的途径，如代谢途径、信号转导途径、调控途径等 模块可以由生物砖通过某种逻辑关系构建而成，但功能必须完全清楚,与电子科学中的电路类似，在合成生物学中，不同功能的生物砖 联接后，能像电

11、路一样运行，形象地称为基因电路（genetic circuit）,代谢途径模块可由代谢电路来执行，调控途径可由调控电路来完成 基因电路可清楚地图示生物模块的物理结构和生物功能 基因电路特点是：具有定量特性，有确定的应答阈值及明确的反应边界，生物砖容易被除去、替换、更改；还可实现非自然的功能,4.2.2 合成生物的设计与优化,针对复杂生物系统，合成生物学设计的工程策略： 标准化：是确立基本生物元件的方法、对生物功能的定义和特征描述；从系统生物学的角度，对基因组序列进行分门别类有助于定义生物功能 解耦联：是把复杂问题简单化的过程，把复杂系统解分成具有独立功能的简单组分，把设计和装配分开， 以便完成

12、设计后，能有效装配成整体系统 抽提：是建立元件和模块的层阶，分开和限制各阶层之间的信息交流，隐藏生物信息和管理的复杂性，形成简化的再设计的器件和模块，建立可识别界面的元器件库,生物砖的设计与优化, 生化反应的高度抽提：一个反应对应一个酶，一个酶对应一个基因，即一个生物砖 生物砖功能的运行模式：基因表达调控的操纵子模型，最小包括启动子、核糖体结合位点、生化反应功能基因、终止子；对于复杂的生物元件， 赋予调控序列如增强子、衰减子、扩增子等 生物砖的优化：对功能基因密码子、启动子、核糖体结合位点进行优化，使之适应于宿主中的高表达,基因电路的设计与优化, 生物砖构建基因电路的困难是，把相同功能的不同生

13、物来源的生物砖集成基因电路后，不一定具有功能 基因电路设计与合成中最大挑战是如何优化，使基因电路实现相应的生物功能 优化方法可以是基于数学模拟的理性设计，也可以是生物元件的直接进化,理性设计：生化反应建模 元件进化：改变元件特性，包括碱基突变、改变转录和翻译动力学、操纵子的亲和力、转录因子的共结合活性等， 关键在于对基因电路进化行为的筛选和效果的评价方法 理性设计和直接进化的结合，是基因电路设计和优化的最佳策略,4.3 DNA的合成与元器件装配, 4.3.1 基因定向突变合成技术 4.3.2 核酸的全化学合成 4.3.3 生物砖的合成与基因电路的集成 4.3.4 基因组的合成与装配,PCR把寻

14、找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。,PCR法，又称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成。,PCR反应系统中应包括下列成分 （1）cDNA文库，内含目的基因DNA片段。 （2）两条探针，分别与目的DNA的正链或负链的3末端互补。 （3）DNA聚合酶 通常用Taq DNA聚合酶（高温）,PCR反应分三步完成：,第一步90度高温下，使混合物的DNA片段因变形而成单链。 第二步50度温度下，引物DNA结合在适于配对的DNA片段上。 第三步70度温度下，由合成酶（DNA高温聚合酶）催化，从引物开始合成目的基因DNA。,PCR的

15、三个步骤为一次循环，约需5-10分钟。每经一次循环，所找到的目的基因扩充一倍。经过30次循环，即可扩增109倍，总共只需几个小时。,4.3.1 基因定向突变合成技术, 基因突变是指DNA序列中碱基排列顺序的变 化，包括点突变、易位、倒置、插入、缺失等 合成生物学研究中，采用PCR技术，通过序列 的定向突变，可以实现对原始基因序列优化， 合成新的基因功能、基因转录调控区等，从而 满足生物元件的设计要求 主要包括重叠延伸PCR定点突变合成、大引物 扩增PCR定点突变合成和片段PCR连接合成, 重叠延伸PCR定点突变合成 4种引物，3轮PCR 优点：突变体回收率高，可在任何位点引入突变，快速简便 缺

16、点：错误率高，不能有效扩增大片段 大引物扩增PCR定点突变合成 3种引物，2轮PCR 正反向引物具有显著不同的Tm值 突变效率高，避免了两轮PCR之间的纯化步骤 片段PCR连接合成 多处需要突变 将基因分为等长、重叠的片段，然后PCR扩增性连接,4.3.2 核酸的全化学合成, 大片段核酸的合成非常重要，是实现合成生物的关键技术 大片段核酸的合成，先化学合成寡核苷酸，然后片段 PCR扩增连接合成全长基因 国际上的三家商业化公司，Blue Heron Technology、DNA 2.0和GENEART，提供数千碱基 DNA的合成业务 程序化的微芯片合成DNA是一种非常吸引人的技术，可望取得突破性进展,DNA的化学合成, 基本原理：多步连续反应，固相亚磷酰胺三酯法，方