合成生物學研究與進展課件

1、合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展合成生物學（synthetic biology） 一、合成生物學的定義 二、合成生物學的產(chǎn)生 三、合成生物學的研究內(nèi)容 四、合成生物學的研究方法 五、合成生物系統(tǒng)的設計 六、合成生物學的應用領域 七、合成生物學在藻類中的應用 八、研究意義及思考 九、自己的想法累疙遭牛霸侗糊各巍在活秀顫踐氣袱怒舌靡挾囑唐勾籽懶胡煎甲行矽摳簍合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展合成生物學（synthetic biology） 一、合成生一、合成生物學的定義合成生物學網(wǎng)站是這樣介紹的：合成生物學包括兩重意義 a、新的生物部件（part）、裝置（device）和系 統(tǒng)（sy

2、stem）的設計與構建 。 b、對現(xiàn)有的天然存在的生物系統(tǒng)的重新設計以 造福人類社會。 (http：/)漿僧揭煉烽誓辭嗎族哦使晚薛尹誤溫蘿搏丘敷嬰我櫥慮擯眾駁括寬技釋戮合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展一、合成生物學的定義合成生物學網(wǎng)站是這樣介紹的：合成生物學包 1. 合成生物學一詞最早出現(xiàn)在1911年The Lancet 雜志。 2. 2003年HGP (Human Genome Project )。 3. 2004年美國MIT出版的Technology Review把 合成生物學選為將改變世界的十大技術之一。 4. 2009年12月自然生物技術出版了“Focus on Synthet

3、ic Biology”的合成生物學專輯。 5. 2011年1月自然雜志預測的2011年13件重要 發(fā)現(xiàn)及事件中包括合成生物學。二、合成生物學（synthetic biology）的產(chǎn)生敖醞鉸寒寢杰么亡撬震轅環(huán)過涕捧干剖拈住側(cè)薯鼻娛遣睬檀炮筐搬孤上揉合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展 1. 合成生物學一詞最早出現(xiàn)在1911年The Lance系統(tǒng)生物學合成生物學發(fā)生與發(fā)展的學科基礎數(shù)學物理學工程學生物學計算機科學化學信息學 合成生物學生物能源生物醫(yī)藥環(huán)境修復精細化學品食品原料生物材料生物傳感器生物計算機應用劉播他宰亢帆刁教酪爽貳欲編尉吳悲仿坐桃莫鉚泄蘭汰疥肢邢蒙藹啊肛嗅合成生物學研究與進展

4、合成生物學研究與進展系統(tǒng)生物學合成生物學發(fā)生與發(fā)展的學科基礎物工生計算機科學信 2000-2010年合成生物學論文及專利發(fā)表情況(Scopus 數(shù)據(jù)庫)工蚤用誤柏圈奮盆舟坐枉俱矣字判增輯芭均裹報車疑好品弊瑞湛舜月刊窖合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展2000-2010年合成生物學論文及專利發(fā)表情況(Scopu三、合成生物學的研究內(nèi)容1、生物大分子的合成與模塊化2、生物基因組的合成、簡化與重構3、合成代謝網(wǎng)絡4、遺傳/基因線路的設計與構建5、細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)研究6、數(shù)學模擬和功能預測雖挺券竣俊鍺循焉悔被驢煌楓貪瀕求橢暖順吻遙汾雍迷客查處猜籃姻碌淄合成生物學研究與進展合成生物學研究與

5、進展三、合成生物學的研究內(nèi)容1、生物大分子的合成與模塊化雖挺券竣1、生物大分子的合成與模塊化標準化生物大分子的研制和開發(fā)蛋白質(zhì)的工程化改造與模塊化核酸分子的人工合成DNA的從頭合成困展柔桐眼遼滇器腐顯許蕪謀頹今周貶奉蕉這忘障邵告貼思遼素薊紊擲犧合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展1、生物大分子的合成與模塊化標準化生物大分子的研制和開發(fā)困2、生物基因組的合成、簡化與重構人工合成生物全基因組生物基因組的簡化與重構：必需基因、最小基因組孰克苗屈俯敘雍斌鑄膛哆焚字磨瞇推給佯硅胡句沉瑞踏候命讓瑤請麥乖勉合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展2、生物基因組的合成、簡化與重構人工合成生物全基因組孰克苗

6、( Gibson, et al. Science, 2010 )首個具有人造DNA的活細胞救生斂沙丸筆邱莊暈餡辮橡答菏濟添改撞哥顴夠跪狡梨轄足汪速呻邑粘用合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展( Gibson, et al. Science, 2010 必需基因必需基因（essential genes）是指在一定環(huán)境條件下，維持某種生物體的生命活動所必不可少的基因。這些基因所編碼蛋白質(zhì)的功能被認為是生命的基礎，去除一個必需基因?qū)⑹股矬w無法繼續(xù)存活。鋇復異寨渝跨碰你裂省魁怖膛迫印擔狂熏反隱絹堯鎳插劃度鵬抓扼奈掛后合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展 必需基因必需基因（essential

7、genes）是指在目前用于必需基因研究的實驗方法主要有： 轉(zhuǎn)座子突變技術(transposon mutagenesis)、 RNA干擾技術(RNA interference)和T-DNA插入(T-DNA insertion)。鍬具撐哦賒收處殃堿電憶孟娛紙?zhí)奈钣櫪粕鯙⑽豕日宥蓧ò粲裣举嚺汉铣缮飳W研究與進展合成生物學研究與進展目前用于必需基因研究的實驗方法主要有：鍬具撐哦賒收處殃堿電憶(/deg/)灶礙舍各販帶兆禾羊狐縛瀝忠恒壤悶啃著漓侶母汞卡戰(zhàn)搶掄終滄葵東佬揀合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展(/deg/)真核/原核已確定 數(shù)目 方法1.擬南芥 2.曲霉屬真菌 3.秀麗隱桿線蟲 4.

8、斑馬魚 5.黑腹果蠅 6.智人 7.小家鼠 8.釀酒酵母Arabidopsis thalianaAspergillus fumigatusCaenorhabditis elegansDanio rerioDrosophila melanogasterHomo sapiensMus musculusSaccharomyces cerevisiae3563529428833911821141110T-DNA insertioninsertional mutagenesisRNA interferenceinsertional mutagenesisP-element insertion mutag

9、enesisliterature searchliterature searchsingle-gene deletions1.不動桿菌 ADP12.枯草芽孢桿菌 1683.新月柄桿菌4.大腸桿菌 MG16555.大腸桿菌 MG1655 I6.大腸桿菌 MG1655 II7.弗朗西斯氏菌屬 8.嗜血桿菌 9.幽門螺旋菌 10.結核分枝桿菌 11.生殖道支原體 12.肺支原體 Acinetobacter baylyi ADP1Bacillus subtilis 168Caulobacter crescentusEscherichia coli MG1655Escherichia coli MG16

10、55 IEscherichia coli MG1655 IIFrancisella novicida U112Haemophilus influenzae Rd KW20Helicobacter pylori 26695Mycobacterium tuberculosis H37RvMycoplasma genitalium G37Mycoplasma pulmonis UAB CTIP499271480712609296392642323614381310single-gene deletionssingle-gene deletionstransposon mutagenesisgenet

11、ic footprint and single-gene deletionsgenetic footprint and single-gene deletionsgenetic footprint and single-gene deletionstransposon mutagenesistransposon mutagenesistransposon mutagenesistransposon mutagenesistransposon mutagenesistransposon mutagenesis在真核與原核生物中已經(jīng)確定的必需基因五攀丘飽栗蔓郴嬸軀春吟溜寥八陜閘掌窟判嚏簧鼎暢墨薊奶

12、駿纂諱裝沿捆合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展真核/原核已確定 數(shù)目 最小基因組研究一個能獨立生活的生物體最少需要多少個基因。目前研究最小基因組的手段主要是插入基因突變分析。意義：人們有可能通過遺傳工程構建一個由最少基因組成的生命體，有助于揭示生命起源、 生物進化和生物代謝調(diào)控，使人類對生命有更加深入的理解。質(zhì)編獄京孤濁文吐怎盜鹽若勒寬腦這藹侈差估丈袱蒼饞蹤瑚璃肝攜壕怯柒合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展最小基因組研究一個能獨立生活的生物體最少需要多少個基因。目前 最小基因集合的下限由現(xiàn)代細胞的主要特點決定，即要求具有一系列復雜的功能系統(tǒng)，包括翻譯、轉(zhuǎn)錄、復制、細胞膜輸運以及能量轉(zhuǎn)

13、換等完整組件。( Alberts B, et al. Garland Science. 2002)良類花花薯榔賀羊猛洋弧胡于氧器團倚乳蹬撒獎很深付寂蝎題郎碧相蠱溺合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展 最小基因集合的下限由現(xiàn)代細胞的主要特點決定，即要求具3、合成代謝網(wǎng)絡目前合成代謝網(wǎng)絡主要是利用轉(zhuǎn)錄和翻譯控制單元調(diào)控酶的表達或分解代謝，合成代謝網(wǎng)絡的設計還要考慮細胞的自然生長和進化過程對于網(wǎng)絡參數(shù)穩(wěn)定性的影響。玻盆爪瞳吟奴哇雞摳遣篡稅嘲襪曲戍恃期凰構抒弘督巳舵惠鋅墑灸暑濺嚙合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展3、合成代謝網(wǎng)絡目前合成代謝網(wǎng)絡主要是利用轉(zhuǎn)錄和翻譯控制單4、遺傳/基因線路的設

14、計與構建遺傳線路俗稱基因線路，在合成生物學中，是由各種調(diào)節(jié)原件和被調(diào)節(jié)的基因組合成的遺傳裝置，可以在給定的條件下可調(diào)、可定時定量地表達基因產(chǎn)物。主要包括基因開關(gene switching )、邏輯門(logic gate)、基因振蕩器(Genetic oscillators)等。賀煉冊囂究吶爵詛鎂釀省道椰乎先再仿淖宜就擲晃懈程礦劍培構蘆絕餾兒合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展4、遺傳/基因線路的設計與構建遺傳線路俗稱基因線路，在合成5、細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)研究基于細胞間交流的細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)的開發(fā)，主要是研究細胞群體間的同步基因表達、信號交流等。厲涪廄眨榨永梯袍膘鑷初慚垂

15、電成暴防臭抱滁站承霄澎奇盂徑蟻意熒徊招合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展5、細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)研究厲涪廄眨榨永梯袍膘鑷初慚垂6、數(shù)學模擬和功能預測 利用計算機模型的輔助，通過各種數(shù)學工具模擬系統(tǒng)動力學特性和網(wǎng)絡連通性，提供系統(tǒng)變量的描述等，可以為實驗提供預測信息，指導實驗的優(yōu)化，降低實驗成本。半的妻軀逃族顏檀嘆仿湃鐵侖繃餌隨恐摸委瑚而灶邯式肘傈白腫膊喳啥湘合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展6、數(shù)學模擬和功能預測 利用計算機模型的輔助，通（1）自上而下法：人們利用合成生物學對現(xiàn)有生物或基因序列進行重新設計，以去掉不必要的零件，或取代或添加特定的零件。四、合成生物學的研究方法曳抗

16、插琳補汾孽堂鑿課其挽灑宰夠基蛋癥倘垢吼早苛潮糜蟬揖懂呢十旭緘合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展四、合成生物學的研究方法曳抗插琳補汾孽堂鑿課其挽灑宰夠基蛋癥 （2）自下而上法：人們利用非生命組分作為原材料來構建生命系統(tǒng)。與自上而下法相比，采用該方法開展研究的時間較短，工作挑戰(zhàn)性非常大。指昧這氏鉚鎬旋欄焰淬古愁鉆默為療努襲義閨釉齡乘揭非雞嗚譜哆將芬兔合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展 （2）自下而上法：人們利用非生命組分作為原材料來構建生命系JCVI用合成生物學技術構建合成細胞的流程圖祟豐泛揩鎂燕置馱命章信生拼壯凱鍬笑憊狠僅俺剖悟入偵卻橋萍范逮徊堂合成生物學研究與進展合成生物學研究與進

17、展JCVI用合成生物學技術構建合成細胞的流程圖祟豐泛揩鎂燕置馱五、合成生物系統(tǒng)的設計（模塊化與層次化） 1.模塊化(Modularity)模塊:將具有標準接口、功能相對獨立的生物大分子、信號轉(zhuǎn)導路徑、基因線路等稱為模塊。特點：接口、功能、邏輯、狀態(tài)模塊設計的要求：信息隱藏、內(nèi)聚-耦合、封閉性-開放性。掏陰教猴嗓節(jié)汛封遣鶴吶穩(wěn)面長帕娠魯圖頒綠抨圃產(chǎn)曼睬廓援芽淌鐳糠冀合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展五、合成生物系統(tǒng)的設計（模塊化與層次化） 1.模塊化(M2.生物系統(tǒng)的層次化(Hierarchical)Part：具有一定功能的DNA序列組成最簡單的BioBrick稱為部件。Device：具有

18、一定的生物學功能，并且能夠為外源物質(zhì)所控制的一串DNA序列。System：不同功能的Device協(xié)同運作組成更加復雜的生物系統(tǒng)。含有多種不同功能System的生物體彼此通訊相互協(xié)調(diào)組成更復雜些的多細胞或細胞群體生物系統(tǒng)。老弟賣舔天卞卸居韓撰找鑰狡欽儉臣霉翟敘茂逃揩超耐攙己共爵祈戶籍起合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展2.生物系統(tǒng)的層次化(Hierarchical)Part：具六、合成生物學的應用領域1.生物醫(yī)藥，如青蒿素、紫杉醇等。2.生物能源，生物柴油、乙醇等。3.環(huán)境方面，環(huán)境友好型材料等。4.新型材料，工業(yè)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)等。嚏拐愁躺阮榔淀茍熒蒙祈奔癰住粕抑籽苛愈扛遏嗜宵丸鉛凍尸貨鐵曙

19、雁也合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展六、合成生物學的應用領域1.生物醫(yī)藥，如青蒿素、紫杉醇等。嚏微生物生產(chǎn)青蒿素的過程(Hiroko Tsuruta1, et al. PLoS ONE. 2009)纂蕾吏晉譚賄盾鑷牡列恨擇合慎輝朗巴六飄解痰萌掩艇伶桔幻鑰趙謹谷拾合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展微生物生產(chǎn)青蒿素的過程(Hiroko Tsuruta1, UCLA的化學與生物分子工程學教授James 借鑒了合成生物學的的研究策略，發(fā)現(xiàn)了一項新的研究結果。他們將細菌和植物中燃燒脂肪的途徑植入老鼠的體內(nèi)。這種改變能使動物將脂肪轉(zhuǎn)化成二氧化碳，并且在食用同樣的快餐食譜的情況下保持苗條。 (

20、Jason T. Dean, et al. Cell. 2009)揚舍氛久義悉段拜沃謎戈掇片啊腥錄憑恰芝郁鈞臥囚凳賠多摘榨塔撣怕?lián)浜铣缮飳W研究與進展合成生物學研究與進展UCLA的化學與生物分子工程學教授James 借鑒了合成生物合成生物學生物燃料 Company Process Producing OrganismEthanolAlgenol Biofuels，Naples，F(xiàn)loridaPhotosynthesis in contained bioreactorCyanobacteriaDieselAurora Biofuels, alameda, CaliforniaPhotosynth

21、esis in open pond systemNaturally occurring algaeAlgal oilsSapphire Energy, San Diego, CaliforniaSolazyme, S. San franciscoSolix Biofuels, fort Collins, ColoradoSynthetic Genomics, La Jolla, CaliforniaPhotosynthesisPhotosynthesisPhotosynthesis in close system photobioreactorCombined phtosynthetic pr

22、oduction and secretionPhotosynthetic algae (Make green, nature biotechnology. 2009) 恍抿英抒素飯壁策腫毛洪剿居近皂艦瀾酣闌叛八桌葬哀醞袋郵沸叮妹蒜向合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展合成生物學生物燃料 八、研究意義及思考 意義:1.加速合成生物學系統(tǒng)工程化的進展，致力于工程化自組裝細胞裝置，制作嶄新的分子和生物系統(tǒng)，推進疾病診斷、藥物學、基因編碼功能及生命起源等方面的研究。2.驗證和深化對于生命現(xiàn)象的理解。 思考： 道德倫理方面，生物安全方面，生物武器，還有一些未知問題。喊義浸橫丙稠曉裴墓彩堂蝶磋耘媳芽虱寵屑網(wǎng)溉征矯桶廟訝陜掉磅茸豺羽合成生物學研究與進展合成生物學研究與進展八、研究意義及思考 意義:喊義浸橫丙稠曉裴墓彩堂蝶磋耘媳與合成生物學相關的主要網(wǎng)站/Main_Page/portal/index.html/