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1、合成生物学合成生物学与基因回路基因回路Synthetic Biology and Genetic Circuits李孔宁分子生物学馆110室一一. 什么是合成生物学什么是合成生物学Synthetic Biology何时出现合成生物学这一名字？ Science杂志最早于1911年33卷有两篇文章出现“synthetic biology” （合成生物学）一词。 LancetLancet杂志最早于1911年7月8日有一篇文章出现“synthetic biology ” （合成生物学）一词。 在1980年第一次以“基因外科术：合成生物学的开始”为题出现在德文刊物上。 2000年以后，“合成生物学”一词
2、在学术刊物及互联网上逐渐大量出现NatureBiotechnology,27(12),2009Focus on Synthetic BiologyThelatestiterationofgeneticengineeringofferstheprospectofthedesignandconstructionofnewlifeformsfrombiologicalparts,devicesandsystems.基因工程的最新研究成果提供了通过生物元件生物元件、装置装置和系统系统设计和组装新生命形式新生命形式的前景Nature Reviews, 10(6), 2009 维基百科：合成生物学旨在设计
3、和构建工程化的生物系统，使其能够处理信息处理信息、操操作化合物作化合物、制造材料制造材料、生产能源生产能源、提供食提供食物物、保持和增强人类的健康保持和增强人类的健康和改善我们的改善我们的环境环境。 http:/en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_biology 简单地说，合成生物学是通过设计和构建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、健康和环保等问题源、材料、健康和环保等问题。 合成生物学的定义Synthetic Biology is：A) the design and construction of ne
4、wbiologicalparts,devices,andsystems,andB) there-designofexisting,naturalbiologicalsystemsforusefulpurposes. http:/syntheticbiology.org/1998200020022004200620082000400060008000100000204060801001200网络信息期刊/专利数量Sciru网络信息Scirus 检索专利Scopus检索期刊Scirus 检索期刊合成生物学领域由合成生物学领域由Scirus Scirus 搜索的学术论文数、专搜索的学术论文数、专利数
5、和网络信息以及由利数和网络信息以及由Scopus Scopus 搜索的学术论文数搜索的学术论文数2004年 被 美 国 MIT出 版 的 TechnologyReview评为将改变世界的10大新出现的技术之一(10EmergingTechnologiesThatWillChangeYourWorld)。20092009年年中中科科院院300300多多位位专专家家经经过过一一年年多多研研究究发发布布的的创创新新20502050：科科技技革革命命与与中中国国的的未未来来战战略略研研究究系系列列报报告告中中指指出出：“ “合合成成生生物物学学” ”是是可可能能出出现革命性突破的现革命性突破的4 4个
6、基本科学问题之一。个基本科学问题之一。 合成生物学的发展前景与基础合成生物学的发展前景与基础DNA是生物的遗传物质于1990年正式启动,于2003年4月14日完成了人类基因组全部序列测定人类基因组计划A C G T为了整理和分析这些序列信息，诞生了一门新兴的交叉学科生物信息学生物信息学(Bioinformatics)是合成生物学的学科基础之一。它包含了生物信息的获取、处理、存储、分发、分析和解释等在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。细胞:奇异绝妙的小工厂系统生物学研究细胞对外界环境变化或刺激在各个层次上如何做相应的变更, 并建立
7、数学模型对总体应答作出预测.基因组代谢物组蛋白质组转录物组基因组学Genomics代谢物组学Metabolomics蛋白质组学Proteomics转录物组学TranscriptomicsDNAmRNA蛋白质代谢物转录翻译催化反应Systemsbiologyasafoundationforgenome-scalesyntheticbiologyChristian L Barrett, Tae Yong Kim, Hyun Uk Kim, Bernhard Palsson and Sang Yup Lee, Current Opinion in Biotechnology 2006, 17:488
8、492系统生物学是在基因组层面上合成生物学的基础基因组超大量的序列和结构数据 重大的生物技术数据积累引起的科学发现数据积累引起的科学发现第四次科学大发展第四次科学大发展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合成生物学的发展展过程程1979年H.G.Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因（207bp）；2002年纽约州立大学石溪分校魏玛（E.Wimmer）小组用了3年的时间合成出了脊髓灰质炎病毒（Poliovirus）的全基因组，7500bp。
9、2003年，J.C.Venter研究小组用了14天时间从头合成了噬菌体PhiX174（5386bp）基因组。2004年，人工合成了1918年造成全世界上千万人死亡的“西班牙流感病毒”。2008年J.C.Venter小组又合成了Mycoplasma genitalium生殖道支原体基因组（582790kb），这是迄今为止人类在合成生物过程中走得最远的一步。J.C.Venter小组的另外一项工作却获得了成功：不久前将关系较近的两株支原体中一株的基因组用另外一株的基因组替换，结果仍能正常“工作”。人工合成生物全基因组合成生物学的研究内容合成代谢网络合成代谢网络利用转录和翻译控制单元调控酶的表达以合成
10、或分解代谢物。主要以代谢物浓度作为控制元件的输入信号。例如：利用酿酒酵母和大肠杆菌合成抗疟疾药物青蒿素的前体物质。遗传遗传/基因线路的设计与构建基因线路的设计与构建1961年F.Jacob和J.Monod提出的乳糖操纵子模型第一次明确提出了基因表达的调控概念，被认为是分子生物学发展的第二个里程碑。细胞群体系统及多细胞系统研究细胞群体系统及多细胞系统研究基于细胞间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。数学模拟和功能预测数学模拟和功能预测二二. 合成生物学的研究方法合成生物学的研究方法基因回路（基因回路（Genetic Circuits
11、）设计）设计合成生物学领域三大目标：合成生物学领域三大目标：一、有别于以往拆解生命体的方式，它是一、有别于以往拆解生命体的方式，它是通过合成来理解生命。通过合成来理解生命。二、将遗传工程所使用的元件标准化，使二、将遗传工程所使用的元件标准化，使其能与现有系统相结合，创造出其能与现有系统相结合，创造出多、功多、功能能复杂的系统。复杂的系统。三、将电子工程领域的系统设计三、将电子工程领域的系统设计论应用论应用到生物系统，重组到生物系统，重组DNA基因工程，产生真基因工程，产生真正可由程序控制的生物，设计生物计算机。正可由程序控制的生物，设计生物计算机。基基因因回回路路设设计计流流程程建立建立DNA
12、元件库元件库根据设计目标根据设计目标决定基因回路决定基因回路结构结构调用库元调用库元件模型件模型利用计算机仿利用计算机仿真软件确认输真软件确认输出及功能正确出及功能正确？建立集成生建立集成生物回路物回路（IC）检测基因回路检测基因回路性能稳定可靠性能稳定可靠？建立集成生物建立集成生物回路（回路（IC）成功建立稳定可成功建立稳定可调控的基因回路调控的基因回路基基因因回回路路设设计计流流程程特定的信使RNA（mRNA）的分子的浓度代表一个逻辑信号。左图，输入的mRNA是缺失，则细胞转录基因输出mRNA。右图，输入的mRNA存在，细胞把此mRNA翻译成输入蛋白，此蛋白与基因上的启动子相结合，阻止细胞
13、合成mRNA输出。生物化学反相器-非门（NOT）用原核生物基因调用原核生物基因调控模组模拟电子工程控模组模拟电子工程逻辑门逻辑门。上方图示出调控启动子活性的因子。RNAP：RNA 聚合酶，TF：转录因子。 (Silva-Rocha and de Lorenzo, FEBS Letters 582 (2008) 12371244)Bio-Informatics要做的事要做的事Looking at life as an information systemDNA as a database（数据库）（数据库）RNA as a decision network（决定网络）（决定网络）Proteins
14、 and genes as runtime DLLs（运行（运行时间动态链接库）时间动态链接库）Modeling gene regulatory networksSimulating life as a computer programUsing silicon to validate biological modelsGoal of Digital Cells（数字细胞数字细胞）Simulate a Gene Regulatory NetworkGoal of e-cell, CellML, and SBML projectsTest microarray data for biologic
15、al modelRun expression data through GRN functionsCreate biological cells with new functionsSplice in promoters to control expression Create oscillating networks using operons拼接启动子来控制表达拼接启动子来控制表达利用操纵子创建振荡网络利用操纵子创建振荡网络Digital Cell Components数字细胞元件数字细胞元件Bio-logic gatesInverters, oscillatorsCreating gen
16、omic circuitryPromoters, operons and genesMultigenic oscillating solutionsRon Weiss is the pioneer in the fieldhttp:/www.princeton.edu/rweiss/ To电子回路的工程设计基础电子回路的工程设计基础基因回路（基因回路（Genetic Circuits）设计）设计 编程并控制细胞行为的第一步是建立一个精心设计的元件库，作为更复杂的生物系统的基石。在构建具有一定的遗传功能的逻辑门时，与电子逻辑门的输入和输出的电信号（H/1或L/0）相对应的是特定DNA与蛋白质结合
17、以及它们诱导物分子的浓度高（H，1）或低（L，0）。 建立在原核生物调控模式上的建立在原核生物调控模式上的数字细胞元件（生物数字细胞元件（生物逻辑门逻辑门）模型）模型- -基因回路元件设计基因回路元件设计在细胞内，这些分子与其它蛋白质相互作用，绑定特定的DNA结合位点，并最终调节其他蛋白表达。这些调控活动，可以用数字逻辑功能及模拟信号处理来实现。任何基因转录翻译成蛋白质的首要条件是：RNAp(RNA polymerase, RNA聚合酶)与基因上游区域的启动子结合，启动转录，随后RNAp将基因转录为信使RNA(mRNA)，然后mRNA被翻译成蛋白质。若RNAp不能与启动子结合，后面的过程就不能
18、进行。1. 1. 非门或反相器（非门或反相器（NOT）生物学过程：B阻遏因子，当它存在时，B抢占了RNAp与启动子结合的位点。因此阻碍了基因P进行转录表达。电学过程：B为输入信号，当其输入量高时，输出为低；反之亦然。输入与输出反相，也称反相器反相器。1. 1. 非门或反相器（非门或反相器（NOT）左图表示当无左图表示当无mRNA输入时，启动子未被抑制时，基因输入时，启动子未被抑制时，基因转录出转录出mRNA，有，有mRNA输出；右图表示当有输出；右图表示当有mRNA输入时，在细胞中转录成蛋白质，蛋白质与启动子区域输入时，在细胞中转录成蛋白质，蛋白质与启动子区域的基因结合，抑制了基因的表达，无的
19、基因结合，抑制了基因的表达，无mRNA 输出。此输出。此处输入的处输入的mRNA的缺失或存在决定了下游的缺失或存在决定了下游mRNA是否是否输出。输出。2. 2. 缓冲器门（缓冲器门（Amplifier or Buffer）生物学过程：A为转录因子，可以调控基因P使其进行转录表达。电学过程：A为输入信号，只有当其输入量满足能启动基因P转录表达的阈值时，输出信号才为高。A与P同相。3. 3. 与门（与门（AND）生物学过程：）、两个均为转录因子）为转录因子，为激活因子；以上两种情况都要求只有当、都同时存在时，才能启动基因P转录表达。3. 3. 与门（与门（AND）电学过程：、为两个不同的输入信号
20、，只有当的输入量同时满足能启动基因P转录表达的阈值时，才会使输出信号高表达（输出信号表示基因的表达量）。3. 3. 与门（与门（AND）已发现或证实的例子（参考文献）：1）Tropel, D. and Van Der Meer, J.R. (2004) Bacterial transcriptional regulators for degradation pathways of aromatic compounds.Microbiol. Mol. Biol. Rev. 68, 474500.2）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On
21、schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA100, 51365141.4. 4. 或门（或门（OR）生物学过程：和都是基因的转录因子，当和其中一个存在时，或者两者同时存在时都能启动基因转录表达。即仅当两者都不存在时，转录才无法进行。4. 4. 或门（或门（OR）电学过程：和B是两个不同的输入信号，当A 、B其中一个的输入量满足能启动基因P转录表达的阈值时，或者两者同时满足所要求的阈值时，输出信号表现为高表达。4. 4. 或门（或门（OR）已发现或证实的例子（参考文献）：1）Buchler, N
22、.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，100, 51365141.2）Fernandez, S., Shingler, V. and De Lorenzo, V. (1994) Crossregulation by XylR and DmpR activators of Pseudomonas putida suggests that transcriptional control of biodegradat
23、ive operonsevolves independently of catabolic genes. J. Bacteriol. 176, 50525058.5. 5. 与非门（与非门（NAND）生物学过程：A与B都是抑制基因P转录表达的因子，称为阻遏因子。仅当A与B同时存在时，基因P才不能正常的进行转录表达。因为此时A与B“抢占”了RNAp与启动子的结合位点，阻碍了转录的启动。5. 5. 与非门（与非门（NAND）电学过程：A 、B为两个不同的输入信号，仅当两者的输入量同时满足能启动基因P转录表达的阈值时，才使得输出信号为低表达。可以将NAND门电路拆分为AND和NOT的组合。5. 5.
24、 与非门（与非门（NAND）已发现或证实的例子（参考文献）：1）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，100, 513651412）Escolar, L., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1999) Opening the iron box: transcriptional metalloregulation by the Fur protein.
25、 J. Bacteriol. 181, 62236229.3）Bertoni, G., Marques, S. and de Lorenzo, V. (1998) Activation of the toluene-responsive regulator XylR causes a transcriptional switch between sigma-54 and sigma-70 promoters at the divergent Pr/Ps region of the TOL plasmid. Mol. Microbiol. 27, 651659.4）Bertoni, G., Pe
26、rez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1997) Genetic evidence of separate repressor and activator activities of the XylR regulator of the TOL plasmid, pWW0, of Pseudomonas putida. Mol. Microbiol. 23, 122112276. 6. 非与门（非与门（ANDN）生物学过程：A为转录的激活因子，能使基因转录表达；B为阻遏因子，当存在时，就会抢占启动子结合位点，使RNAp不能与启动子结合，因此不能启动基因进行转录表达
27、。因此只有当存在并且不存在时，基因转录表达才能正常进行。6. 6. 非与门（非与门（ANDN）电学过程：只有当信号满足能启动基因P转录表达的阈值（以下简称为“高表达”），并且信号低于该阈值时（简称为“低表达”），输出才会高表达。6. 6. 非与门（非与门（ANDN）已发现或证实的例子（参考文献）：Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcriptional regulation by competing transcription factor modules. PLoS Comput. Biol. 2, e164.7. 7.
28、 或非门（或非门（NOR）生物学过程：、均为阻碍转录表达的阻遏因子。两者都阻碍了RNAp与启动子的结合。因此，只有当两者都不存在时，基因的转录表达才能进行。7. 7. 或非门（或非门（NOR）电学过程：只有当信号与都低表达时，输出才会高表达。8. 8. 非或门（非或门（ORN）生物学过程：B是阻遏因子，A是能够降解B的蛋白质。当只有B存在时，B与启动子结合，阻碍了RNAp与启动子结合，因此使基因P不能正常进行转录表达。当A存在时，即使B也同时存在，但是A能降解B，使B的活性降低，使B不能与启动子结合或结合性减弱，因此使基因P能进行转录表达。8. 8. 非或门（非或门（ORN）电学过程：A与B都
29、是入信号，当只有B高表达并且A低表达时，输出为低。其余三种情况均为高表达。8. 8. 非或门（非或门（ORN）已发现或证实的例子（参考文献）：Erill, I., Campoy, S. and Barbe, J. (2007) Aeons of distress: an evolutionary perspective on the bacterial SOS response. FEMS Microbiol. Rev. 31, 637656.9. 9. 异或门（异或门（XOR）生物学过程生物学过程：基因：基因P能沿着能沿着DNA从两个方向进行转录表达。从两个方向进行转录表达。转录因子转录因子
30、A使基因沿着左端进行转录表达，转录因子使基因沿着左端进行转录表达，转录因子B使基使基因沿着右端进行转录表达。但是当两者同时存在时，因沿着右端进行转录表达。但是当两者同时存在时，A会抢会抢占占B的的RNAp与启动子结合的位点（或者说是与启动子结合的位点（或者说是B会抢占会抢占A的的RNAp与启动子结合的位点），使得基因与启动子结合的位点），使得基因P不能沿着不能沿着DNA进行转录。因此，当且仅当进行转录。因此，当且仅当A 、B其中一个存在时，基因其中一个存在时，基因P才能进行正常的转录表达。才能进行正常的转录表达。9. 9. 异或门（异或门（XOR）电学过程：当且仅当输入信号A、B其中一个存在，
31、并且它的表达量高时，才能使输出表达高。此时，我们可以将XOR门看成是两个ANDN门的组合。9. 9. 异或门（异或门（XOR）已发现或证实的例子（参考文献）：Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141.10. 10. 同或门（同或门（XNOR）生物学过程： 基因P（P）可以沿着DNA向着左右两端进行转录表达。但是沿着P（左端）进行转录，启动子的活性比较弱，需要两个转录因
32、子同时作用才可进行；沿着P方向，转录因子则变成了阻碍RNAp与启动子结合的阻遏因子，因此沿着P方向，当或两者之一存在时，转录过程就会受到抑制。）当两者都不存在时，受抑制，而P没受到阻碍，可以沿着P方向进行转录，所以输出为。）当只有或其中一个转录因子存在时，由于不满足方向条件（需要两者同时存在），而此时这个转录因子阻碍了P方向的与启动子结合，使P方向的转录也不能进行。所以输出为。）当与同时存在时，虽然转录因子阻碍了P方向的与启动子结合，使P方向的转录不能进行，但是此时满足了沿着方向进行转录的条件，所以输出为。10. 10. 同或门（同或门（XNOR）电学过程：只有当、两个输入信号同时高或者同时低
33、时，输出才为高；否则输出为低。可以看做是与可以看做是与XOR与与NOT组成的组成的XOR的相反过程的相反过程。10. 10. 同或门（同或门（XNOR）已发现或证实的例子（参考文献）：）Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcriptional regulation by competing transcription factor modules. PLoS Comput. Biol. 2, e164）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of c
34、ombinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA100, 51365141.11. 11. 触发器触发器生物学过程：触发器是一个能保持双稳态的合成基因网络。触发器包含两个蛋白R1、R2，分别抑制启动子P1、P2。两个诱导剂I1、I2，分别能使抑制蛋白R1、R2无效化，导致P1、P2表达。相当于下面的回路包含两个互联的ORN门。12. 12. 环形振荡器环形振荡器环形振荡器包含三个蛋白质和三个它们对应的启动子，设定蛋白质Px抑制蛋白质Py的表达，而蛋白质Py抑制蛋白质Pz的表达，蛋白质Pz抑制蛋白质Px的表达 。基因网络配置
35、对应一个环形振荡器逻辑电路。12. 12. 环形振荡器环形振荡器在PLtetO-1启动子的下游标放一个绿色荧光标记的蛋白以便显示在任何特定细胞中cI的近似浓度。右图显示了在一个特定的细胞中荧光强度随时间的变化，表现为振荡，图中的小条描绘细胞的分裂活动。其他细胞的振荡行为差别很大。三三. 基因回路的设计成果实例基因回路的设计成果实例发表合成生物学较多的刊物及新创刊的刊物PNASNatureScienceMSBNature,20101.由基因编码“与非门”构成其他更复杂的逻辑门；2.基因编码门间的化学连接。基因编码的“或非”门在大肠杆菌（在大肠杆菌（E. Coli)中，中，2个串联的启动子作为输入
36、个串联的启动子作为输入驱动阻遏子的转录。驱动阻遏子的转录。1个菌株形成个菌株形成1个或非门。个或非门。群体感应分子（群体感应分子（quorum molecules）AHL（ Acyl homo-serine lactone ）可以形成门间的可以形成门间的连线。连线。由多个或非门间的相互连接由多个或非门间的相互连接组成各种复杂的逻辑门。组成各种复杂的逻辑门。基因编码的“或非”门PBAD、PTet分别由arabinose (Ara)和anhydrotetracycline (aTc)激活。它门作为或非门的2个输入启动子。YFP（Yellow Fluorescent Protein，黄色荧光蛋白）作
37、为输出基因。流式细胞仪（flow cytometry）测量结果或门CI阻遏基因或非门55E-15E-25E-35E-40其他输入信号：3OC12-HSL激活的PLas启动子也可作为输入。PBAD、PTetPBAD、PLasPTet、PLas不同逻辑门的构成不同逻辑门的构成Gene Regulatory Network基因调控网络基因调控网络Basic GRN Circuit FlowGross anatomy of a minimal gene regulatory network (GRN) embedded in a regulatory network. A regulatory net
38、work can be viewed as a cellular input-output device. http:/doegenomestolife.org/ http:/doegenomestolife.org/Gene regulatory networks interface with cellular processes合成生物学应用BioEnergy.Cellsarebeingengineeredtoconsumeagriculturalproductsandproduceliquidfuels.BritishPetroleumandtheUSDOEgranted$650mill
39、iondollarsforresearchintheSanFranciscoBayArea.DrugProduction.Bacteriaandyeastcanbere-engineeredforthelowcostproductionofdrugs.Examplesincludetheanti-malarialdrugArtemisininandthecholesterol-loweringdrug（降胆固醇药）.Materials.Recombinantcellshavebeenconstructedthatcanbuildchemicalprecursorsfortheproductio
40、nofplasticsandtextiles,suchasBio-PDO（1，3丙二醇）andspidersilk（蛛丝）.Medicine.Cellsarebeingprogrammedfortherapeuticpurposes.BacteriaandT-cellscanberewiredtocirculateinthebodyandidentifyandtreatdiseasedcellsandtissues.（1）美国UCB化学工程系教授、劳伦斯国家实验室合成生物学中心主任Keasling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生物学的研究中
41、能很好地将化学、生物学、化学工程学相结合。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（Microbial drug factories），进行设计、加工、集成、组装、控制。体现在合成生物学技术上包括DNA的合成、来自细菌、酵母及植物（青蒿Artemisia annua）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果先后发表在2003年Nature Biotechnology和2006年的Nature上。 合成生物学研究举例Keasling实验室ResearchInterests:代谢工程，系统生物学，合成生物学SyntheticBiol
42、ogyforSyntheticChemistryACSChemicalBiology,2008,3:64-76（合成生物学合成化学青蒿素合成举例）ImportanceofsystemsbiologyinengineeringmicrobesforbiofuelproductionCurrentOpinioninBiotechnology2008,19:228234（系统生物学生物燃料生产）Metabolicengineeringofmicroorganismsforbiofuelsproduction:frombugstosyntheticbiologytofuels（代谢工程：微生物合成生物
43、学生物燃料）CurrentOpinioninBiotechnology2008,19:inpressTheprocessforthemicrobialproductionofartemisinin.Usingsyntheticbiology用合成生物学生产抗疟疾药青蒿素Christina D. SmolkeDivision of Chemistry and Chemical EngineeringCalifornia Institute of TechnologyFoundational advances in RNA engineering applied to control of bio
44、synthesisASyntheticGene-MetabolicOscillatorFung,E.,Wong,W.W.,Suen,J.K.,Bulter,T.,Lee,S.G.andLiao,J.C.(2005)Nature,435,118-122.wedesignedandconstructedasyntheticcircuitinEscherichia coliK12,usingglycolyticfluxtogenerateoscillationthroughthesignallingmetaboliteacetylphosphate.Iftwometabolitepoolsarein
45、terconvertedbytwoenzymesthatareplacedunderthetranscriptionalcontrolofacetylphosphate,thesystemoscillateswhentheglycolyticrateexceedsacriticalvalue.Weusedbifurcationanalysistoidentifytheboundariesofoscillation,andverifiedtheseexperimentally.Thisworkdemonstratesthepossibilityofusingmetabolicfluxasacon
46、trolfactorinsystem-wideoscillation,aswellasthepredictabilityofadenovogenemetaboliccircuitdesignedusingnonlineardynamicanalysis.ResistancetoDiet-InducedObesityinMicewithSyntheticGlyoxylateShuntCellMetabolism,9：525-536,2009UCLA(加州大学洛杉矶分校 )的化学与生物分子工程学教授廖俊智（James Liao）借鉴了合成生物学的的研究策略，发现了一项新的、具有煽动效应的研究结果。
47、他们将细菌和植物中燃烧脂肪的途径植入老鼠的体内。这种基因改变能使动物将脂肪转化成二氧化碳，并且在食用同样的快餐食谱的情况下保持苗条。波士顿大学的合成生物学家詹姆斯考林斯（James Collins）说：“这项研究令我着迷的地方在于，我们可以以一种全新的方法、用合成生物学的方法治疗人类疾病。”当前的基因或蛋白治疗方案主要集中于单个分子，比如说替换一个缺失的分子，如胰岛素，或者在癌症中抑制一个有害蛋白的表达。换个思路，考林斯认为，科学家们可以试着考虑利用工程学的方法，使身体具有原先不具备的功能。 国际遗传机器大赛（internationalGeneticallyEngineeredMachineC
48、ompetition，iGEM）AssemblingBuildingBlocksforNovelFunctionsDNA元件库生物系统基因机器构建组装Synthesis!DNA 2.0DNA 2.0 Inc. is a leading provider for synthetic biology. With our gene synthesis process you can get synthetic DNA that conforms exactly to your needs, quickly and cost effectively. Applications of custom ge
49、ne synthesis include codon optimization for increased protein expression, synthetic biology, gene variants, RNAi trans-complementation and much more. Information vs. ProcessingJust as in a computer, data bits and processing bits are made from the same material, 0 or 1, or A, T, C, G, or U in biology
50、Nature as a ComputerBiological systems like DNA and RNA especially appear to be more than networks of information.RNA itself can be seen as a molecular decision networkE-CellE-Cell System is an object-oriented software suite for modeling, simulation, and analysis of large scale complex systems such
51、as biological cells. Version 3 allows many components driven by multiple algorithms with different timescales to coexistComputer Modeling Metabolic PathwaysBioCyc collection of organism specific metabolic pathway databasescellML is an XML based format for exchanging biological data from genes to pro
52、teins to metabolismDigital Cells MeetSynthetic BiologyModel the circuitValidate the circuitTinker with the circuitThenAlter the gene to build a new proteinSNPs will give you a first approachSee if the new protein is well toleratedGene TherapyGene therapy using an Adenovirus vector. A new gene is ins
53、erted into an adenovirus vector, which is used to introduce the modified DNA into a human cell. If the treatment is successful, the new gene will make a functional protein.http:/en.wikipedia.org/wiki/Gene_therapy DNA VaccinesThe ultimate method to train the immune system against a multitude of threa
54、tsInject a known sequence of DNATrick the cell into expressing it, then seeing it as an antigen to ward against.Used to fight cancer.Animal Model SystemsMice make perfect models as they are:Cheap (reasonably)Fast / easy growingVery inbredMouse DNA arrays and the mouse genome are fairly well known, c
55、haracterizedStem Cell TechnologyOnce you have an altered genome ready to test beyond a simple one cell environment, you leverage the ability of stem cells to mass produce your synthetic biology solutionCell as a NanosystemBilayer outer lipid membraneEnergy apparatusDiffuse metabolomeProteome with si
56、gnaling networkDNA / RNA operating system, nucleosome miRNA control unitsGreen Algae at Work Making H2Algal cell suspension / cellsThylakoid membrane These little critters are very happy just to be working!Proposed Engineered H2 Bacteriumhttp:/gcep.stanford.edu/pdfs/tr_hydrogen_prod_utilization.pdf
57、In Vitro Photo-Production of H2Yellow arrow marks insertion of hydrogenase promoter.Right side data cell optimized for continuous H2 production.Synthetic Biology RoadmapUnderstanding of gene elements and transcriptional control at miRNA levelAbility to model protein structure, and surface potential
58、/ folding / functionAbility to create functional operons and regulated / feedback transcriptional controlStem cell and gene therapy synergismRole of BioinformaticsWhere are genes?What are the regulatory inputs?What are the proteins?Where are post translational modifications?What are the pathways?Wha
59、t are the protein RNA interactions?Can we modulate the operon networks to include precision feedback control?Global Gene ExpressionGene expression tells you how the machine is workingBioinformatics shows you where the control points areReprogramming the CellThe cell is a molecular system where all p
60、arts also participate in an information system.We model that system, and then attempt to alter the internal influences to create different functional outputs.Synthetic ProteinsAll proteins are synthetic peptides = polymersSynthetic ProteinsSynthesisNew polymersBiochemistryStructural studiesStructure / functionFunctional studiesNew propertiesNew applicationsCell structure adapts well to environmentsNature as a NanoToolboxhttp:/www.cse.ucsc.edu/hongwang/ATP_synthase.html
