第九章-合成生物學(xué)課件

1、合成生物學(xué)中底盤生物的構(gòu)建與功能模塊的集成表達(dá)第九章 合成生物學(xué)背景人類基因組計(jì)劃1990年模式生物基因組計(jì)劃轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)代謝組學(xué)生物信息學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)衍生出產(chǎn)生了交叉學(xué)科合成生物學(xué)兩重意義: ( 1 ) 新的生物零件、組件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建( 2) 對(duì)現(xiàn)有的、天然存在的生物系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)合成生物學(xué)旨在設(shè)計(jì)和構(gòu)建工程化的生物系統(tǒng), 使其能夠處理信息、操作化合物、制造材料、生產(chǎn)能源、提供食物、保持和增強(qiáng)人類的健康和改善我們的環(huán)境。定義：1 基因線路(Genetic circuit )一個(gè)典型的基因線路是基因雙穩(wěn)態(tài)線路 ,由兩個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因與兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)子組成。2 合成基因組生物是大自然

2、億萬(wàn)年進(jìn)化的產(chǎn)物, 但人類利用無(wú)機(jī)物合成生物物質(zhì)甚至生物的努力一直沒(méi)有停止。1979年，美國(guó)化學(xué)家Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因(207bp)。2002年，Wimmer小組合成了有生物活性的脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組(約7400bp)。2003年，Venter小組合成了psiX174噬菌體基因組(約5400bp); 2005年，他們又合成了生殖道支原體基因組(582.790kb) 。3 合成藥物與生物基產(chǎn)品或材料合成抗瘧疾藥物青蒿素。加州大學(xué)伯克利分校的J.Keasling對(duì)來(lái)自細(xì)菌, 酵母與青蒿( 高等真核生物) 多種基因及其代謝途徑的設(shè)計(jì)組裝與精密調(diào)控，使青蒿素前體青蒿酸的生產(chǎn)能力提

3、高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。生產(chǎn)能源物質(zhì)氫Zhang 等人用13 個(gè)已知酶組成一個(gè)新的非天然的催化體系，建立催化途徑, 將淀粉和水在一般條件下產(chǎn)生氫, 并通過(guò)燃料電池產(chǎn)生電能利用合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)生物柴油。佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授Church發(fā)起成立了LS9 可再生石油公司,試制生物柴油燃料, 并已取得了一些進(jìn)展,且獲得了美國(guó)MIT技術(shù)評(píng)論2007 年度的TR35最高獎(jiǎng)中國(guó)能否在這個(gè)嶄新而且重要的領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中站到國(guó)際領(lǐng)先行列？這是我國(guó)政府和科學(xué)界急需認(rèn)真面對(duì)的戰(zhàn)略問(wèn)題！ 搶占合成生物學(xué)理論和應(yīng)用研究制高點(diǎn) 自2005年美國(guó)政府對(duì)合成生物學(xué)相關(guān)研究已投入4.3億美元。美國(guó)政府資助的合成生物學(xué)項(xiàng)目?jī)H2008-20

4、09兩年就達(dá) 40多項(xiàng)；自2005年起歐盟及荷蘭、英國(guó)、德國(guó)已在此領(lǐng)域投入約1.6億美元研究資金。 （威爾遜分析中心） 在亞洲，日本、韓國(guó)、印度、新加坡等國(guó)也在此領(lǐng)域投入研究經(jīng)費(fèi)，例如新加坡最近投入1000萬(wàn)美元用于合成生物學(xué)研究。 2001年美國(guó)能源部GTL計(jì)劃美國(guó)歐盟2004 年美國(guó)技術(shù)評(píng)論將合成生物學(xué)列為將改變世界的十大新技術(shù)之一 2006 年建立SynBERC中心2007 年基因組合成和設(shè)計(jì)之未來(lái)，對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)的影響的研究報(bào)告2008年美國(guó)時(shí)代周刊將“創(chuàng)造生命”列為 年度十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)2005 年歐盟在第6個(gè)研究框架規(guī)劃中發(fā)表合成生物學(xué)將工程應(yīng)用于生物學(xué)的項(xiàng)目報(bào)告2007年歐盟 啟動(dòng)了合成

5、生物學(xué)引導(dǎo)項(xiàng)目共 18 項(xiàng)2008年英國(guó)將合成生物學(xué)列為優(yōu)先資助的研究領(lǐng)域2009年5月英國(guó)皇家工程院發(fā)表合成生物學(xué)藍(lán)皮書2008年英國(guó)建立國(guó)家合成生物學(xué)與創(chuàng)新研究中心2010年德國(guó)馬普學(xué)會(huì)成立合成生物學(xué)研究所7三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題構(gòu)建底盤微生物基因組最小化設(shè)計(jì)和重構(gòu)原則功能模塊的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與重構(gòu)原理功能模塊之間及與底盤微生物的適配耦聯(lián)機(jī)理11基因組的最小化是探索生物必需基因的重要研究?jī)?nèi)容 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)基因組最小化的底盤生物基因組測(cè)序分子生物學(xué)分析基因刪除系統(tǒng)生物學(xué)分析生物信息分析代謝網(wǎng)絡(luò)分析4科學(xué)問(wèn)題 1：構(gòu)建底盤微生物基因組最小化設(shè)計(jì)和重構(gòu)原則科學(xué)問(wèn)題提煉：如何構(gòu)建底盤生物？構(gòu)建底盤生物的

6、方法（連續(xù)性基因刪除）自上而下ATCG由下至上（從無(wú)到有的全合成）8功能模塊基因組不適配優(yōu)化基因組簡(jiǎn)化微生物底盤微生物（Chassis）簡(jiǎn)化基因組適配功能改善的新模塊基因組的最小化研究3基因組的最小化研究是人工合成生物系統(tǒng)的基礎(chǔ) 合成優(yōu)化的，基因組最小化的底盤生物 合成生物系統(tǒng)功能化模塊gene限制修飾系統(tǒng)乳糖操縱子模型工具gene原料細(xì)胞1細(xì)胞2人工構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)5科學(xué)問(wèn)題提煉：如何構(gòu)建功能模塊？ 從模式微生物中如何選擇功能模塊 如何優(yōu)化人工模塊的功能科學(xué)問(wèn)題2：功能模塊的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與重構(gòu)原理9 如何優(yōu)化人工模塊的插入自然模塊自然模塊自然模塊人工模塊各種模式微生物人工模塊人工模塊科學(xué)問(wèn)題提煉：

7、如何實(shí)現(xiàn)功能模塊和底盤的互配？科學(xué)問(wèn)題3：功能模塊之間及與底盤微生物的適配耦聯(lián)機(jī)理底盤生物固有基因 不同人工模塊通過(guò)表達(dá)的蛋白、代謝物等是否相互影響干擾 不同人工模塊轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制是否一致 人工模塊與底盤生物的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、密碼子使用、蛋白表達(dá)等是否一致“系統(tǒng)優(yōu)化”原則人工模塊10所選重要模式微生物具有重要應(yīng)用價(jià)值大腸桿菌酵母菌芽孢桿菌假單胞菌藍(lán)細(xì)菌 所選模式微生物在環(huán)境、能源和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)解決國(guó)家重大需求具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略性意義。 重大應(yīng)用潛力： Morimoto et al. 2008, DNA research在敲除了20%基因的枯草芽孢桿菌中，異源表達(dá)纖維素酶和蛋白酶的產(chǎn)量分

8、別提高了1.7倍和2.5倍Cong et al. 2008, AEM在敲除了大腸桿菌中的六個(gè)關(guān)鍵基因后，大大減少了細(xì)胞內(nèi)的代謝途徑，實(shí)現(xiàn)葡萄糖和木糖的高效利用并能轉(zhuǎn)化為乙醇6解決科學(xué)問(wèn)題的路線圖ABCDEFG模塊與底盤的適配微生物底盤bac功能模塊關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題六項(xiàng)研究技術(shù)必需基因預(yù)測(cè)大規(guī)?；蚯贸鹘M學(xué)手段解耦多基因連接及整合數(shù)學(xué)建模分析復(fù)合自動(dòng)化重組總體研究目標(biāo)重要模式微生物大腸桿菌芽孢桿菌假單孢菌 藍(lán)細(xì)菌 酵母菌建立較為完整的合成生物學(xué)知識(shí)體系攻克關(guān)鍵技術(shù)路線難題建立合成生物學(xué)“系統(tǒng)優(yōu)化”設(shè)計(jì)的重要原則人工合成全新細(xì)胞16 理論研究的創(chuàng)新：以“系統(tǒng)優(yōu)化”的原則研究功能模塊和宿主細(xì)胞（或底盤細(xì)胞）的優(yōu)化耦