合成生物學專題知識市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

1、第15章合 成 生 物 學第1頁內(nèi) 容1. 合成生物學發(fā)展歷史及概念2. 研究方式和工具3. 合成生物學研究方向4. 展 望第2頁15.1 合成生物學發(fā)展史及概念（1）合成生物學發(fā)展史1978年 Skallka在對限制性內(nèi)切核酸酶評論中第一次預(yù)言了合成生物學誕生。1980年 Hobom引入了合成生物學名詞來描述基因重組技術(shù)。DNA合成測序技術(shù)發(fā)展和工程學在生物體系應(yīng)用，為合成生物學奠定基礎(chǔ)。第3頁20世紀提出概念 用現(xiàn)有有機化學和生物化學合成能力設(shè)計非天然分子，使這些分子在生命體系中發(fā)揮功效。經(jīng)過合成方法來了解自然生命體系，構(gòu)建創(chuàng)造新人工生命體。第4頁 美國基因組學先驅(qū)克萊格凡特，在他位于馬里

2、蘭州和加州試驗室，科研人員在其為期研究項目中，已成功制造出全球首個“合成細胞”，一個稱為絲狀支原體細菌。第5頁第6頁（2） 合成生物學 合成生物學學是生物科學在二十一世紀剛才出現(xiàn)一個分支學科。 目標在于設(shè)計和創(chuàng)造新生物組件和體系，對現(xiàn)有生物體系進行重新設(shè)計。從基本生物組件構(gòu)建復(fù)雜人工生命體系，對整個生命過程進行重新設(shè)計、改造、構(gòu)建。第7頁 合成生物包含內(nèi)容 基因合成構(gòu)建人工生命體 基于現(xiàn)有天然生物組件，設(shè)計構(gòu)建有新功效生物體系。 第8頁Personalized MedicinePhysical enhancement: 荷爾蒙,義肢使用Enhancing Evolution: 使人聰明藥Bio

3、nic man 生化人 Better, stronger, faster第9頁15.2 合成生物學研究方法和工具（1）合成生物學研究方法 工程領(lǐng)域中全部單元部件都含有獨立功效，能夠交換，輕易進行模塊化得組合，即從零件到器件再到系統(tǒng)。 第10頁 合成生物學包含工程學理念，任何一個生命體系能夠看作是含有不一樣功效生物零件有序組合。第11頁 ，美國就成功在一位半身不遂男性患者大腦中植入了一個電腦芯片，患者僅憑大腦里意志力就能夠操作電腦，能發(fā)送電子郵件。 未來在芯片幫助下，人們能夠直接用大腦控制手臂和腿假肢?，F(xiàn)在就已經(jīng)出現(xiàn)了能夠部分控制假肢。第12頁標準化抽象化復(fù)雜系統(tǒng)去偶合Drew Endy (MI

4、T) 合成生物學工程化三標準：第13頁 Endy created the comic book Adventures in Synthetic Biology to help explain his work to students and other scientists. 第14頁 標準化 從可更換部件庫，快速構(gòu)建多組分體系，包含建立生物學功效、試驗檢測條件及系統(tǒng)做出等通用、便捷標準。 不一樣部件間要進行標準化來實現(xiàn)“即插即用”性能。第15頁 MIT成立了標準生物部件登記處，數(shù)據(jù)庫搜集了3200個標準化生物學部件。 第16頁第17頁第18頁 將一個復(fù)雜問題分解成若干可操作獨立簡單問題。 復(fù)

5、雜系統(tǒng)去偶合第19頁 抽象化：將生物功效單元劃分為不一樣層次。DNA、RNA、蛋白質(zhì)、代謝物相互作用系統(tǒng)第20頁（2）合成生物學組成工具 將這些器件逐層設(shè)計構(gòu)建組合成含有特定功效生物系統(tǒng)。生物部件part器件device系統(tǒng)system模塊module第21頁 標準生物部件 含有特定生物學功效基因編碼元件 開啟子、調(diào)控因子、核糖體結(jié)合位點、編碼序列、終止子第22頁第23頁15.3 合成生物學研究方向15.3.1 創(chuàng)建新基因調(diào)控模塊和線路 各種蛋白質(zhì)、DNA、RNA相互作用形成復(fù)雜表示調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過構(gòu)建非天然基因調(diào)控模塊設(shè)計構(gòu)建細胞生命活動分子網(wǎng)絡(luò)。 用途：調(diào)整基因表示和蛋白質(zhì)功效。第24頁基因

6、線路第25頁1） 基因撥動開關(guān) e.g. E. coli匯報基因誘導物A阻遏物A開啟子B開啟子A阻遏物 B誘導物B第26頁 經(jīng)過加入不一樣誘導物實現(xiàn)開關(guān)在兩個穩(wěn)定態(tài)之 間轉(zhuǎn)換。狀態(tài)轉(zhuǎn)換含有滯后性，含有記憶功效。第27頁2）基因振蕩器 FT1激活它本身和FT2； FT2過量，會抑制FT1第28頁3）大腸桿菌成像系統(tǒng) 將細菌改造成感光膠片，像素1平方米1億像素分辨率。第29頁 將藻膽青素合成基因(ho1和pcyA)轉(zhuǎn)入大腸桿菌，使之能將血紅素轉(zhuǎn)化為光敏感藻膽青素PCB。lac ZompC promoter PCBBlackPCBPCB第30頁15.3.2 生命體代謝路徑重新構(gòu)建 微生物載體生產(chǎn)外源

7、蛋白，當前人類利用E. coli生產(chǎn)1000各種人類蛋白。第31頁代謝路徑改造-調(diào)整關(guān)鍵組件優(yōu)化路徑 不一樣生物學路徑提取出來 優(yōu)化整合到宿主細胞 合成目標化學物質(zhì)第32頁 1. 生物質(zhì)能和乙醇發(fā)酵微生物E. Coli 乙醇代謝重組菌：含有五碳糖和六碳糖代謝酶系混合酸發(fā)酵乙醇耐受能力低 綠色植物和海洋藻類合成有機物（生物質(zhì)）約2200億噸，相當于人類當前每年全部能耗10倍。 第33頁可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇部分微生物及其主要底物第34頁酵母乙醇代謝工程 釀酒酵母是工業(yè)上生產(chǎn)乙醇優(yōu)良菌株，與細菌相比含有較高乙醇耐受力，對纖維素水解液中抑制物有較高抗性。 缺點 釀酒酵母缺乏木糖轉(zhuǎn)化為木酮糖所需酶，因而不

8、能利用木糖，但它能利用木酮糖。對其菌種改造包括木糖跨膜運輸、吸收利用、磷酸戊糖路徑、糖酵解及胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)維持等多個方面。第35頁酵母木糖代謝工程第36頁運動發(fā)酵單胞菌乙醇代謝工程第37頁 大腸桿菌乙醇代謝工程EMP第38頁主要優(yōu)勢 大腸桿菌能夠利用非常廣泛碳源，其中包含六碳糖(葡萄糖，果糖)和五碳糖(木糖，阿拉伯糖)以及糖酸等物質(zhì)，這一特征使得大腸桿菌能利用木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)生各種糖類，同時又因為大腸桿菌遺傳背景清楚，所以在原核微生物乙醇代謝工程以及木質(zhì)纖維素高效利用中含有主要研究價值。 大腸桿菌乙醇代謝工程第39頁大腸桿菌乙醇代謝工程中存在問題1. 大腸桿菌乙醇耐受能力低2. 乙醇脫氫酶和

9、丙酮酸脫羧酶在大腸桿菌中表示研究不夠充分3. 競爭性代謝支路使得一部分碳源不能有效轉(zhuǎn)化成乙醇第40頁第41頁梭菌第42頁第43頁第44頁誘導微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴化學品 利用來自各種生物基因及用來生產(chǎn)脂肪酸生化路徑, 用合成生物學方法創(chuàng)造出一些代謝模塊, 插入微生物后, 經(jīng)過不一樣組合,這些模塊能夠誘導微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴化學品。 他們經(jīng)過計算, 設(shè)計制造出微生物以所希望方式生產(chǎn)并分泌出長度及分子結(jié)構(gòu)符合企業(yè)要求烴分子。 第45頁不需要能耗非常高乙醇精餾技術(shù), 從而可使能耗降低65% ;因為采取了合成生物學與系統(tǒng)生物學創(chuàng)造微生物這種尖端技術(shù), 而且這種石油烴是可再生、

10、清潔、國內(nèi)可生產(chǎn)、成本可競爭、與現(xiàn)有汽車發(fā)動機及汽油供給系統(tǒng)是可兼容. 29 歲Berry 取得了MIT“技術(shù)評論” 年TR35 最高獎( Innovator of the Year)。第46頁 用合成生物學方法創(chuàng)造微生物進入發(fā)酵罐培養(yǎng)生長 第47頁2. 青蒿酸合成線路設(shè)計構(gòu)建瘧疾 經(jīng)典瘧疾多呈周期性發(fā)作，表現(xiàn)為間歇性寒熱發(fā)作。發(fā)作時先有顯著寒戰(zhàn)，全身發(fā)抖，面色蒼白，接著體溫快速上升，達40或更高，面色潮紅，全身大汗淋漓，大汗后體溫降至正?；蛘Ｒ韵?。 經(jīng)過一段間歇期后，又開始重復(fù)上述間歇性定時寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。 第48頁 每年5億人感染，100萬死亡。當前最有效是青蒿素，生產(chǎn)周期長、成本昂貴。

11、 中藥青篙中提取有過氧基團倍半萜內(nèi)酯藥品。 第49頁 Keasling利用合成生物學，將大腸桿菌改造成青蒿酸工廠。將甲羥戊酸合成路徑轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，改造獲E. coli 青蒿酸產(chǎn)量300mg/L。第50頁困難：難以預(yù)計復(fù)雜性 這一工作幾乎是150人一年工作結(jié)果，這些工作包含，探究每個基因功效、探究這些功效基因組合在一起運作機制。 第51頁 因為在生物合成抗瘧疾藥品突出成就, Keas ling 被美國“發(fā)覺”雜志評選為 年度最有影響科學家。 該項目已經(jīng)取得比爾- 梅林達蓋茨基金會4300 萬美元資助, 進行深入試驗室研究、中試、臨床試驗等后續(xù)工作。第52頁3. 代謝路徑快速進化基因突變 改造代

12、謝路徑 生產(chǎn)目標化合物第53頁Church 對20種番茄紅素合成相關(guān)基因進行突變； 將突變90個DNA片段，轉(zhuǎn)入大腸桿菌； 3天內(nèi)產(chǎn)生了150億基因突變體； 從中篩選到使番茄紅素產(chǎn)量提升5倍基因。第54頁4. 利用合成生物學生產(chǎn)新能源 Kaslling利用13個可逆酶促反應(yīng)組合起來創(chuàng)建一條非天然催化路徑。 淀粉 + 水 H2第55頁15.3.3 最小基因組與合成生物學 合成生物學最終目標： 合成獨立可遺傳人工生命體 第56頁人工生命基本要素 含有膜系統(tǒng) 能進行新陳代謝 含有自己基因第57頁研究最簡化生命兩種方法從下而上：從核苷酸合成新生命體。從上而下：從基因組中剔除非必要基因組。第58頁1.人

13、工構(gòu)建合成生命體 Wimmer小組脊髓灰質(zhì)炎病毒合成Venter 合成噬菌體基因組和生殖道支原體基因組 第59頁不一樣物種間基因組移植 將蕈狀支原體基因組移植到山羊支原體中。 絲狀支原體第60頁分離 轉(zhuǎn)化酵母基因組改造移植酵母載體插入到細菌基因組中甲基化第61頁2. 最小基因組構(gòu)建 Blattnerj小組刪除大腸桿菌基因組15%（高達82Kb）, 細菌仍保持了良好生存狀態(tài)。 改造后菌株電穿孔效率、基因表示都有改變。第62頁電穿孔第63頁 Endy小組用12 kb 人工合成DNA取代野生T7基因組中11 kb 非必須DNA 構(gòu)建新生命體。 第64頁最小基因組優(yōu)點 選擇性保留所需代謝路徑和功效；

14、成為合成基因網(wǎng)絡(luò)理想容器； 為插入模塊提升最簡單無干擾環(huán)境。第65頁理想細胞底盤應(yīng)具備條件長久培養(yǎng)中保持基因穩(wěn)定能夠在低營養(yǎng)培養(yǎng)基中生長以降低成本同時協(xié)調(diào)多基因表示能夠經(jīng)過調(diào)整合成路徑抑制與生產(chǎn)無關(guān)合成路徑第66頁15.3.4 構(gòu)建多細胞體系 多細胞體系是建立在群體細胞效應(yīng)研究基礎(chǔ)上，多細胞包括細胞間通信體系。 群體效應(yīng)：微生物經(jīng)過本身產(chǎn)生一個化學信號來感受群體濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊行為。第67頁細菌QS系統(tǒng)作用 細菌依據(jù)特定信號分子濃度能夠監(jiān)測周圍環(huán)境中本身或其它細菌數(shù)量改變，當信號到達一定濃度閾值時，能開啟菌體中相關(guān)基因表示來適應(yīng)環(huán)境中改變。第68頁枯草芽胞桿菌利用QS系統(tǒng)對細胞發(fā)育進行

15、調(diào)控 當營養(yǎng)豐富、菌體稀少時向感受態(tài)方向發(fā)展； 營養(yǎng)貧乏菌體密度高時向芽胞方向發(fā)展。 第69頁15.4 展望 合成生物學被美國MIT出版技術(shù)評論評為“將改變世界10大新技術(shù)之一”。 美國生物經(jīng)濟研究協(xié)會年發(fā)表了題為基因組合成和設(shè)計未來：對美國經(jīng)濟影響研究匯報。 第70頁 細菌能預(yù)計刺激物距離，并依據(jù)距離改變做出反應(yīng)。 該項研究可用來探測地雷位置： 靠近地雷時細菌發(fā)綠光； 遠離地雷時則發(fā)紅光。 讓維斯是麻省理工學院計算機工程師 第71頁倫理問題和爭議我們制造生命后，會不會肆意對待全部生命，包含人類生命？生物防護問題：使用合成致死和有毒病原體進行恐怖主義攻擊、生物戰(zhàn)或種種惡意使用。第72頁合成生物

16、學這種目標使用包含生產(chǎn)生物武器 比如新或改變了致病病毒或細菌；制造產(chǎn)生毒素合成有機體。第73頁Thank You! 第74頁復(fù) 習第 一 章 多肽和蛋白質(zhì) 1. 蛋白質(zhì)是由許多氨基酸經(jīng)過肽鍵相連形成高分子含氮化合物。 2. 氨基酸僅有20種，且均屬 L型氨基酸。第75頁3. 多肽合成原理？4. 化學合成多肽方法？第76頁5. 固相多肽合成步驟多肽C端氨基酸經(jīng)過linker鍵連到樹脂上；脫除氨基上暫時保護基；與下一個氨基酸縮合；重復(fù)進行脫保護和縮合兩個步驟；脫除半永久性保護基；第77頁第2章 核酸 增色效應(yīng) 核小體組成：DNA和組蛋白 核苷酸組成-堿基、戊糖、磷酸 真核和原核生物rRNA種類第7

17、8頁 核酸體外合成方法？ 核酸適體：一類有三維空間結(jié)構(gòu)單鏈核酸小分子，與特異靶分子相結(jié)合，對靶標分子識別有高度專一性和強親和力，調(diào)整靶標分子功效。 第79頁 核酶：有催化功效RNA分子，參加RNA及其前體加工和成熟過程。 肽核酸：一類以中性酰胺鍵為骨架取代糖磷酸主鏈DNA類似物。第80頁第3章 糖類 蛋白聚糖：一條或多條糖胺聚糖以共價鍵與關(guān)鍵蛋白形成大分子糖復(fù)合物化合物。 寡糖合成方法：液相、固相糖保護基滿足條件？保護基正交性？第81頁糖生物學主要研究內(nèi)容？ 糖作為信息分子和調(diào)分子在生物體各項生命活動及病理機制中作用。糖序列分析方法？酶法分析N-連接寡糖結(jié)構(gòu)；采取凝集素分離、分析寡糖和糖綴合物

18、；質(zhì)譜MS和核磁共振NMR測定結(jié)構(gòu)。第82頁第4章 有機小分子 初級代謝物 非核糖體合成多肽 輔酶Q10生產(chǎn)方法 ：全合成法 、微生物發(fā)酵法 、醇一堿皂化制造法 第83頁小分子優(yōu)勢易實現(xiàn)時間上準確控制；與大分子作用可逆；藥品學劑量輕易控制；可應(yīng)用于各種類型有機體和生物體；作為探針研究細胞靶蛋白功效。第84頁第5章 物質(zhì)跨膜運輸方式及比較？（能量，載體，方向） 趨磁細菌 金屬化合物藥品缺點第85頁仿生催化研究內(nèi)容 依據(jù)生物催化劑結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計和化學方法合成含有催化功效模擬酶； 研究這些模擬酶催化機理、催化工藝、構(gòu)效關(guān)系。第86頁第6章 基因組學和蛋白質(zhì)組學單核苷酸多態(tài)性（SNP）遺傳圖譜 、物理圖譜熒光原位雜交（FISH）基本原理轉(zhuǎn)錄組學第87頁 蛋白質(zhì)組和蛋白質(zhì)組學 雙向電泳包含哪2步？ 肽質(zhì)量指紋圖譜蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析方法影響蛋白質(zhì)電泳遷移率原因第88頁第7章 正向化學遺傳學 反向化學遺傳學 計算機輔助藥品設(shè)計步驟第89頁第8章組合化學基本原理 在同一個化學反應(yīng)體系中加入不一樣結(jié)構(gòu)單元，利用這些結(jié)構(gòu)單元排列組合系統(tǒng)合成大量化合物。多樣性導向合成設(shè)計標準 利用簡單起始原料盡可能多構(gòu)建出骨架多樣