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1、 维基百科全书：合成生物学旨在设计和构建工程维基百科全书：合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统，使其能够处理信息、操作化合物、化的生物系统，使其能够处理信息、操作化合物、制造材料、生产能源、提供食物、保持和增强人制造材料、生产能源、提供食物、保持和增强人类的健康和改善我们的环境。类的健康和改善我们的环境。http:/en.wikipedia.org/Synthetic_biologyhttp:/en.wikipedia.org/Synthetic_biology 简单地说，合成生物学是通过设计和构建自然简单地说，合成生物学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、界中不
2、存在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题。健康和环保等问题。 合成生物学的定义1 1 新的生物零件、组件和系统的设计与建新的生物零件、组件和系统的设计与建造；造；2 2 对现有的、天然的生物系统的重新设计对现有的、天然的生物系统的重新设计基因、基因组和基因组学: 基因基因 ( (Gene) )：遗传功能的单位，是编码蛋：遗传功能的单位，是编码蛋 白质或白质或RNARNA分子的一段分子的一段DNADNA序列序列. . 基因组基因组 ( (Genome，来自，来自Gene + chromosome) ) 所有所有DNADNA分子的总和（分子遗传学定义）分子的总和（分子遗传学定义） 基因
3、组学基因组学 ( (Genomics) )：研究基因组结构与：研究基因组结构与 功能的科学功能的科学 合成生物学发生与发展的学科基础数学物理学工程学生物学计算机科学化学信息学合 成 生 物 学生 物质 能生物医学环境修复精细化学品食品原料生物材料生物传感器生物计算机应用应用应用合成生物学的研究内容生物大分子的合成与模块化生物基因组的合成、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预测123465合成生物学的意义合成生物学的意义加速合成生物系统工程化的进程需要工程化、标准化的策略，将研究人员从日复一日的重复性操作中解脱出来。 验证和深化对于生物现象
4、的理解 p“合成”将是“分析”的必要补充。p成功固然会帮助我们建立合成生物学的基本原则和生物系统的工程化技术；p失败也是人类的理解与自然生物本质间存在鸿沟的直接佐证，并会为我们如何更好的理解和运用源自于自然的技术提供指引。合成生物学区别于现有生物学其他学科的主要特点是“工程化”2004 年Scientific American 杂志发表了题为“合成生命”一文, 以图文并茂的形式阐述了合成生物学的内涵及工程性质2005 年MIT 的Endy发表了“ 工程生物学的基础” 的综述论文, 明确提出工程中常用的“标准化”、“复杂系统解耦”、“概念抽象化”做法, 并清楚地将合成生物学涉及的生物系统分成DN
5、A、零件、装置、系统这样4 个层次2006 年Scientific American 以“ THE BIO FAB GROUP”(生物制造研究组, 包括合成生物学领域的9 位领军人物)为作者, 发表了“工程生命: 组建生物制造”的长篇分析评论性文章, 在正文开始之前用大字突出强调: 从有关工程领域的成功经验中所学到的原理及实践可帮助将生物技术从专门的工艺转化为一个成熟的工业。美国普林斯顿大学电子工程系与分子生物学系的Weiss等发表了题为“合成生物学: 对于一个刚出现学科的新的工程作用”的综述。概括了合成生物学新学科的基本性能以及与其它工程学科相比的独特性; 讨论了从生物装置、模块、细胞到多细
6、胞系统各个层次进行设计和建造工程细胞的方法Panke 等发表了“合成生物学- 将工程置入生物学”的述评, 归纳出合成生物学的研究框架, 特别突出了系统设计与系统加工制造的重要性。对于作为合成生物学支撑技术的加工制造, 包括标准化克隆、从头DNA 合成、提供工程底盘机架( chassis) 等，进行了详细讨论。为了减少生物系统的复杂性,一个选择是减小宿主( 这里比作chassis) 的基因组即构建出“最小基因组”, 以便用于合成生物学研究美国杜克大学生物医学工程系You 的研究组及美国哈佛医学院系统生物学系Silver 的研究组最近分别发表了题为“经由设计的生物学: 细胞组分及特性的还原与合成”
7、及“ 设计生物系统” 的综述, 突出体现了“ 设计”在合成生物学中的重要作用。Barrett 等人评述了系统生物学与合成生物学的关系, 强调指出系统生物学是基因组尺度合成生物学的基础。从化学工程和电子工程得到的借鉴通常人们认为DNA 遗传密码是指挥控制生命的软件( software) , 而细胞膜及细胞内所有的生物机器被认为是生命的硬件( hardware, 在合成生物学中也常称为wetware) 。这种对生命系统软件与硬件的认识可以借助于电子工程( 大规模集成电路技术、电子计算机硬件与软件技术等) 的研究方法、基本技术与工具。就像技术人员现在用标准化的、现成的电子元件组装成计算机一样, 合成
8、生物学工作者预计有一天, 工程师可以将充分表征的生物原件组装成健壮的宿主生物体, 其具有特定的生物功能。美国国家自然科学基金资助的合成生物学工程研究中心( SynBERC) 为此确定出4 个研究开发方面: 零件( parts) 、装置(devices )、底盘机架(chassis ) 和人工实践( human practices)在建造计算机时, 重要的是将全部模块装置( 例如: 母板、盘驱动器、输入输出部件等) 集成到底盘机架内。对于合成生物学来说, 创建一个细胞底盘机架( cellular chassis) 用来安装我们设计的生物零部件是非常重要的。在细胞底盘机架中可以集成来自各个子系统的
9、信号以使其有复杂的细胞功能。细胞底盘机架必须为细胞生长及组件工作提供各种组分, 应该有各种标准的连接, 而且足够稳定以便能在工业上应用。大肠杆菌可以认为是一个性能优良的微生物, 可用作一个细胞底盘机架。工程化研究策略自上至下（逆向工程）和自下至上（前/正向工程）。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。自下至上的策略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。关键的工程化概念关键的工程化概念标准化建立生物功能的定义、建立识别生物部件的方法及标准生物部件的注册登记解耦将复杂问题分解成许多相
10、对简单的、可以独立处理的问题，最终整合成具有特定功能的统一整体的过程抽提包括建立装置和模块的层次，允许不同层次间的分离和有限的信息交换、开发重设计的和简化的装置和模块、构建具有统一接口的部件库1.6 合成生物学与相关生物学科与遗传工程的关系 又称基因工程，在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。与生物信息学的关系“信息爆炸知识匮乏” 合成生物学强调生物系统的设计和优化基因工程基因工程合成生物学合成生物学将个别外源基因转移到某生物基因组内，将个别外源基因转移到某生物基因组内，使之能表达有益的蛋白质使之能表
11、达有益的蛋白质从头设计和构建自然界中不存在的人工从头设计和构建自然界中不存在的人工生物体系生物体系较少使用数学工具较少使用数学工具在设计和构建人造生物体系时广泛使用在设计和构建人造生物体系时广泛使用各种数学工具来进行模拟，使得设计和各种数学工具来进行模拟，使得设计和构建的生物体系能正常工作构建的生物体系能正常工作在基因工程的实施过程中由于只转移个在基因工程的实施过程中由于只转移个别外源基因，一般较少或不进行细胞网别外源基因，一般较少或不进行细胞网络分析络分析改变了改变了“转移一个基因，表达一种蛋白转移一个基因，表达一种蛋白质质”的模式，而通常是转移一组基因，的模式，而通常是转移一组基因，因而要
12、在更大规模更多层次上涉及到细因而要在更大规模更多层次上涉及到细胞网络，如代谢网络等胞网络，如代谢网络等与分子生物学和细胞生物学的关系分子生物学 在分子水平上研究生命现象的科学。通过研究生物大分子(核酸、蛋白质)的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质。研究内容包括各种生命过程。比如光合作用、发育的分子机制、神经活动的机理、癌的发生等细胞生物学 以细胞为研究对象，从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水平等三个层次，以动态的观点， 研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的生活史和各种生命活动规律的学科。合成生物学利用分子和细胞生物学的研究成果设计和重新构造新的生物分子、遗传线路乃至具有崭新功
13、能的细胞，并在此基础上验证和检验分子和细胞生物学的理论。合成生物学研究举例“合成生物学合成生物学”20042004年被美国年被美国MITMIT出版的出版的“Technology Technology ReviewReview” 评为将改变世界的评为将改变世界的1010大新出现的技术之一（大新出现的技术之一（10 10 Emerging Technologies That Will Change Your WorldEmerging Technologies That Will Change Your World）。）。短短几年的实践已经证明该预见的正确性。短短几年的实践已经证明该预见的正确性。
14、通过使用自然界提供的简单模块，许多合成生物学研究者在进通过使用自然界提供的简单模块，许多合成生物学研究者在进行两方面的研究：建立有用装置；研究可以取代自然生物系统行两方面的研究：建立有用装置；研究可以取代自然生物系统的人造生物系统。这些进展主要涉及如下几方面：（的人造生物系统。这些进展主要涉及如下几方面：（a a）合成）合成振荡器和开关；（振荡器和开关；（b b）人造细胞细胞相互作用系统；（）人造细胞细胞相互作用系统；（c c）工）工程化的信号转导系统；（程化的信号转导系统；（d d）代谢途径工程代谢途径工程；（；（e e）通过蛋白质）通过蛋白质工程制造的新型生物传感器；（工程制造的新型生物传
15、感器；（f f）最小细胞及合成基因组。）最小细胞及合成基因组。这方面的进展已经有许多专门的综述这方面的进展已经有许多专门的综述 。（1 1）青蒿素的生物合成）青蒿素的生物合成 美国美国UCBUCB化学工程系教授、劳伦斯国家实验室合成生物学化学工程系教授、劳伦斯国家实验室合成生物学中心主任中心主任KeaslingKeasling本科曾获得化学与生物学双学位，后来本科曾获得化学与生物学双学位，后来又获得化学工程博士学位。所以在他从事代谢工程及合成又获得化学工程博士学位。所以在他从事代谢工程及合成生物学的研究中能很好地将化学、生物学、化学工程学相生物学的研究中能很好地将化学、生物学、化学工程学相结合
16、。在他从事抗疟疾药的生物合成研究中，始终把细胞结合。在他从事抗疟疾药的生物合成研究中，始终把细胞当作微生物制药工厂（当作微生物制药工厂（Microbial drug factoriesMicrobial drug factories），进），进行设计、加工、集成、组装、控制。体现在合成生物学技行设计、加工、集成、组装、控制。体现在合成生物学技术上包括术上包括DNADNA的合成、来自细菌、酵母及植物（青蒿的合成、来自细菌、酵母及植物（青蒿Artemisia annuaArtemisia annua）等多种基因及代谢途径的组装、多基）等多种基因及代谢途径的组装、多基因的精密调控等。他们关于抗疟疾药物生物合成的研究成因的精密调控等。他们关于抗疟疾药物生物合成的研究成果先后发表在果先后发表在20032003年年Nature BiotechnologyNature Biotechnology和和20062006年的年的NatureNature上。上。 合成生物学研究举例基因线路的应用举例基因线路的应用举例q什么是基因线路？什么是基因线路？ 一个典型的基因线路是基因双稳态线路，由两个蛋白质编码基因
