合成生物學(xué)極佳自制

關(guān)于合成生物學(xué)極佳自制第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)

Syntheticbiology

第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三起源定義組成本質(zhì)前景process第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

36億年前，一個微小的生命細胞在地球的荒野中誕生，它自我復(fù)制，它的后代們繼續(xù)復(fù)制自我，就這樣，隨著遺傳基因一代代變異，延續(xù)數(shù)十億代。今天，每個生物體——每個人、植物、動物和微生物——都能從第一個細胞找到自己的起源。迄今為止，地球的生物大家族是我們在宇宙發(fā)現(xiàn)的唯一存在的一種生命。生命1.0版本第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物大家族中的新成員

不過現(xiàn)在，將會有一些新成員加入到這個生物大家族。在過去這些年里，科學(xué)家一直在嘗試從零開始制造全新的生命形式——用化學(xué)物質(zhì)造出合成ＤＮＡ，由ＤＮＡ合成基因，再由基因形成基因組，最終在實驗室造出全新生物體的分子系統(tǒng)，而這種生物體在自然界從未出現(xiàn)過。第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

這些向“造物主”的壟斷地位發(fā)起挑戰(zhàn)的人包括工程師、計算機學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家。他們以有別于傳統(tǒng)生物學(xué)家的視角看待生命2003年開創(chuàng)了一個全新的研究領(lǐng)域—合成生物學(xué)

“生物晉級2003計劃！”第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三WhatisSyntheticBiology?第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)的定義加州大學(xué)伯克利分校(UCB)的化學(xué)工程教授Keasling說:合成生物學(xué)正在用“生物學(xué)”進行工程化,就像用“物理學(xué)”進行“電子工程”,用“化學(xué)”進行“化學(xué)工程”一樣。哥倫比亞癌癥研究中心、測序及基因組科學(xué)中心主任Holt說,合成生物學(xué)與傳統(tǒng)的重組DNA技術(shù)之間的界限仍然是模糊的。從根本上說,合成生物學(xué)正在利用獲得的“元件”進行下一層次的工作———對細胞進行實際的工程化。第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)的定義哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)教授、計算遺傳學(xué)中心主任Church說,主要的出發(fā)點是在把合成生物學(xué)與現(xiàn)有的領(lǐng)域(例如基因工程或細胞工程)分離開來。我們已經(jīng)在一次涉及一個“零件”或少量“零件”。合成生物學(xué)是利用我們所確信的一些“零件”進行新生物系統(tǒng)的工程。它在利用從系統(tǒng)生物學(xué)(systemsbiology)得出的最好分析去加工制作及檢驗復(fù)雜的生物機器.第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)的組成生物積塊（BioBrick）：包括各種生物分子的合成與模塊化、亞細胞模塊、生物合成的基因網(wǎng)絡(luò)、代謝途徑和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、轉(zhuǎn)運機制等。積塊接口：如調(diào)整和修改輸入-輸出過程、調(diào)整不同亞細胞組件間的層次化相互作用等使模塊具有可拆裝性。開放平臺：優(yōu)化生物或非生物載體，達到提高工程系統(tǒng)效率、降低其維護成本和要求、提供某種特殊的“敏感性”及對環(huán)境的兼容性等目的。調(diào)控和通訊系統(tǒng)：包括生物部件的反饋、前饋機制以及行為和通訊方式的模塊化。數(shù)學(xué)模擬：各種功能模塊的邏輯結(jié)構(gòu)與仿真、預(yù)測算法和相應(yīng)軟件等。第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)學(xué)模擬和功能檢測有效結(jié)合實驗驗證和算法開發(fā)，利用實驗驗證模型和優(yōu)化模型，通過模型來指導(dǎo)合成生物學(xué)實驗是行之有效的方法之一。合成生物學(xué)強調(diào)“設(shè)計”和“重設(shè)計”。大量借助計算機科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)和物理學(xué)原理，利用已有的生物學(xué)知識，建立數(shù)學(xué)模型，對合成生物系統(tǒng)進行模擬和性能分析，指導(dǎo)和優(yōu)化實驗設(shè)計，是合成生物學(xué)的重要手段。第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物系統(tǒng)的模塊化為了克服常規(guī)基因操作中繁瑣的切、連、轉(zhuǎn)、篩等，更加靈活地使用DNA元件，合成生物學(xué)家創(chuàng)造性地提出了標(biāo)準(zhǔn)化生物模塊——生物積塊（BioBrick）的概念，并構(gòu)建了相應(yīng)的DNA元件文庫——iGEMRegistry。第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

除了用標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊作為承載功能的硬件外，還需要標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)量化平臺和抽象的概念信號作為承載功能的軟件。為此，iGEMRegistry提供了衡量和代表輸入輸出信號的標(biāo)準(zhǔn)——PoPS（RNApolymerasepersecond）和RIPS（ribosomalinitiationspersecond）。第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)的工程本質(zhì)

“工程化”是合成生物學(xué)的一個顯著特點，也是合成生物學(xué)區(qū)別現(xiàn)有生物學(xué)其它學(xué)科的主要特征之一。合成生物學(xué)家力圖通過工程化方法，將復(fù)雜生物系統(tǒng)簡化以探索自然生物現(xiàn)象及其應(yīng)用，并利用基因等元素設(shè)計和構(gòu)建具有嶄新功能的合成生物系統(tǒng)。第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)VS計算機如果說1953年ＤＮＡ雙螺旋分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)讓分子生物學(xué)家意識到，基因與細胞的關(guān)系就像計算機的軟件和硬件，那么合成生物學(xué)正在做的就是設(shè)計新“軟件”、開發(fā)新“硬件”。第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三自上至下（逆向工程）和自下至上（前/正向工程）是合成生物學(xué)的過程化研究主要有兩種策略。自上至下策略主要用于分析階段，試圖利用抽提和解耦方法降低自然生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，將其層層凝練成工程化的標(biāo)準(zhǔn)模塊。自下至上的策略通常是指通過工程化方法，利用標(biāo)準(zhǔn)化模塊，由簡單到復(fù)雜構(gòu)建具有期望功能的生物系統(tǒng)的方法。研究策略第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

具有一定功能的DNA序列組成最簡單的生物積塊，稱為生物部件（Part）；不同功能的生物部件按照一定的邏輯和物理連接組成復(fù)雜的生物裝置（Device）；不同功能的生物裝置協(xié)同運作組成更加復(fù)雜的生物系統(tǒng)（System）；含有多種不同共能的生物系統(tǒng)彼此通訊互相協(xié)調(diào)組成再復(fù)雜些的多細胞或細胞群體生物系統(tǒng)。在合成生物系統(tǒng)中，這些模塊主要利用邏輯拓樸結(jié)構(gòu)中的串聯(lián)、前饋和反饋等合理組合連接成具有一定功能的遺傳線路；同樣，遺傳線路又可連接成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)或生物系統(tǒng)。第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三由DNA重組技術(shù)到合成生物學(xué)理念：為細胞編寫“基因軟件”

自然演化的有機體（即生物學(xué)家所謂的“生命1．0版本”）的基因組圖譜正在以前所未有的速度被繪制完成，而其中的遺傳密碼也將被逐漸解開。合成生物學(xué)家認為，他們可以利用這些已知信息來設(shè)計、打造新生命形式。

合成生物學(xué)所要打造的生命種類是全新的——它不是任何一個原始母細胞的后裔，也沒有哪個物種是它的祖先。其實在本質(zhì)上，這是一個逆自然的過程。

第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三CommercialDNASynthesisCompaniesDataSource:RobCarlson,UofW,SeattleBioneerSouthKoreaCinnagenTehran,IranTakaraBiosciencesDalian,ChinaInqabaBiotecPretoria,SouthAfricaFermentasVilnius,LithuaniaBioS&T,AlphaDNA,BiocorpMontreal,CanadaGENEARTRegensberg,GermanyMWGBangalore,IndiaZelinskyInstituteMoscow,RussiaScinoPharmShan-hua,TaiwanGenosphereParis,FranceBiolegioMalden,NetherlandsAmbionAustin,TexasBiosearchNovato,CaliforniaBio-SynthesisLewisville,TexasChemgenesWilmington,Mass.BioSpringFrankfurtamMain,GermanyBiosourceCamarillo,CADharmaconLafaette,Co.CyberGeneABNovum,SwedenCortecDNAKingston,Ontario,CAEurogentecBelgium,U.K.DNATechnologyAarhus,DenmarkGenemedSynthesisS.SanFrancisco,CADNA2.0MenloPark,CAMetabionMunich,GermanyMicrosynthBalgach,SwitzerlandJapanBioServicesJapanBlueHeronBiotechnologyBothell,WAGeneworksAdelaide,AustraliaImperialBio-MedicChandigarh,IndiaBioserveBiotechnologiesHyderabad,IndiaGenelinkHawthorne,NY.第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)開辟了設(shè)計生命的前景Keasling實驗室向大腸桿菌中導(dǎo)入青蒿與酵母的基因使大腸桿菌能在調(diào)節(jié)下合成青蒿素，從而顯示了有效而價廉的治療瘧疾的前景合成生物學(xué)今后將能生成自然界不存在的新的微生物合成模仿生命物質(zhì)特點的人工化學(xué)系統(tǒng)and重新設(shè)計微生物第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成人工化學(xué)系統(tǒng)

Brenner提出向細胞DNA中摻入天然不存在的堿基來發(fā)展人工遺傳系統(tǒng),支持人工生命形式。合成生物學(xué)也將對生命起源，其他生命形式的研究作出貢獻。第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三controlbio-life！目前，研究人員正在試圖控制細胞的行為，研制不同的基因線路———即特別設(shè)計的、相互影響的基因。加州大學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路：當(dāng)某種特殊蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化時，細胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到有機振蕩器的作用，打開了利用生物分子進行計算的大門。第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三examplemore維斯和加州理工學(xué)院化學(xué)工程師阿諾爾一起，采用“定向進化”的方法，精細調(diào)整研制線路，將基因網(wǎng)絡(luò)插入細胞內(nèi)，有選擇性地促進細胞生長。第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三creativethought維斯另一項大膽的計劃是為成年干細胞編程促進某些干細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或軟骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產(chǎn)出合成膝關(guān)節(jié)。盡管該工作尚處初級階段，但卻是生物學(xué)調(diào)控領(lǐng)域中重要的進展。第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2010.5.20artificiallifeJohnCraigVenter攪亂了(生命)科學(xué)界CraigeVenter第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成生物學(xué)的應(yīng)用醫(yī)藥生物環(huán)境人類健康能源第27