王勇合成生物学

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1、1,1,中国科学院上海生命科学研究院 中科院合成生物学重点实验室 2011-3-26,1,生 物 技 术 3.0 从系统生物学到合成生物学,王 勇 研究员,Biotechnology Evolution: Fleming (1928), Florey, Chain, Heatley (1940s),Alexander Fleming discovered penicillin by accident in 1928.,Penicillium notatum,It was largely due to the technical ingenuity of one man that enough

2、penicillin was produced for the first hospital tests. That man was Norman Heatley,Cohen and Boyer, 1973 Recombinant human insulin, 1982,First recombinant DNA experiments Human insulin produced in E.coli,Biotechnology 1.0 Research Workflow,1. Concept,2. Collect DNA fragments (PCR, isolation, vendors,

3、 etc),6. Transform,7. Test,3. Bench work,5. Verify DNA,4. Sequence,4,Biotechnology 2.0 Research Workflow,1. Concept,2. Design / debug/ test,4. Design oligos,6. Transform,7. Test,5. Synthesize DNA,3. Run code,5,Biotechnology 3.0？,6,7,Synthetic biology: new engineering rules for an emerging discipline

4、. Mol Syst Biol. 2006;2:2006.0028.,合成生物学： 对系统不同层次的重新设计和装配组合,Devices,Parts,Systems,一是设计和构建新的生物零件、组件和系统； 二是对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造。 合成生物学就是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统，来解决能源、材料、健康和环保等问题。,8,9,合成生物学,2004年合成生物学被美国MIT出版的Technology Review评为“将改变世界的10大新技术之一”。 美国生物经济研究协会2007年发表了题为基因组合成和设计未来：对美国经济的影响的研究报告:合成生物学将比DNA重

5、组技术发展得更快。,10,美国Gates基金会资助他4260万美元继续抗疟研究 英国石油公司和美国能源部分别拨给Keasling所在的UC Berkeley和Lawrence Berkeley国家实验室5亿美元和3.75亿美元从事生物能源研究。,11,美国国家自然科学基金会（NSF）2006年投入2000万美元资助建立合成生物学工程研究中心，由UCB、哈佛大学、 MIT、加州大学旧金山分校(UCSF)等共同组建。 欧盟2007年启动了“合成生物学新的及刚出现的科学技术引导项目”(European Commission project II)。 2008年12月，中科院合成生物学重点实验室成立,

6、Berkeley Center for Synthetic Biology,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

7、，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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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,25,天然产物的合成生物学研究,过去二十年中上市的新药中有61%来自于天然产物 人类已知的天然产物超过100万种，其中具有生物活性的约25万种 仅有少数天然产物的到了应用，如在已知的10000种聚酮类化合物中，

13、仅有不到100种应用于临床,“The discovery of drugs does not always translate to the people who need them, the most because drug production processes can be difficult and costly.” Ahmad S. Khalil & Jams J. Collins Nature reviews Genetics 11,367-379 (May,2010),26,已知的聚酮类化合物超过7000种，但进入药物开发的不足100种 生长特性差 （难培养或不可培养，珍稀植

14、物来源） 培养特性差 （难以大规模培养） 遗传改造难 沉默基因 共生宿主,27,萜类化合物的异源生物合成,Taxol,Candidate hosts for heterologous production,Streptomyces -S. lividans -S. coelicolor -S. fradiae Bacteria - E.coli - B. subtilis -Pseudomonas putida -Myxococcus xanthus Fungi -S. cerevisiae,29,29,萜类化合物五万种,Eleutherobin,Ingenol 3-angelate (PEP

15、005),Marine octocoral, Pseudopterogorgia elisabethae,Euphorbia Peplus,Marine coral Eleutherobia,Pseudopterosins,Active to taxol resistant cancer cells,ginsenoside,Ganoderic acid,30,二萜类化合物紫杉醇,Taxus baccata (Yew Tree),最早由太平洋红豆杉Taxus brevifolia的树皮中分离 广泛用于治疗卵巢癌、乳腺癌、非小细胞肺癌等十几种癌症 NCI称其为过去15年中开发的最好的抗癌药物 20

16、世纪90年代抗肿瘤药的三大成就之一 .,Taxol biosynthetic pathway requires 19 enzymatic steps,IPP:isopentenyl diphosphate DMAPP:dimethylallyl diphosphate GGPP: geranylgeranly diphosphate,32,萜类生物合成的途径,mevalonate,Non-mevalonate,萜类生物合成的前体均为异戊二烯焦磷酸(IPP) IPP在植物细胞质中通过乙酰CoA起始的甲羟戊酸途径(MVA pathway)合成 在植物质体、细菌、蓝细菌中经由丙酮酸起始的非甲羟戊酸途径(non-MVA pathway) 通过后续不同的修饰获得不同的萜类化合物,Isoprenoid pathway optimization by a multivariate-modular approa