合成生物學(xué)市公開課一等獎省賽課微課金獎

合成生物學(xué)

簡介合成生物學(xué)課件第1頁1/47內(nèi)容1.合成生物學(xué)概念2.研究方式和工具3.

合成生物學(xué)研究方向合成生物學(xué)課件第2頁2/47合成生物學(xué)(syntheticbiology)

基于系統(tǒng)生物學(xué)遺傳工程和工程方法人工生物系統(tǒng)研究，從基因片段、DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號傳導(dǎo)路徑到細(xì)胞人工設(shè)計與合成，類似于當(dāng)代集成型建筑工程，將工程學(xué)原理與方法應(yīng)用于遺傳工程與細(xì)胞工程等生物技術(shù)領(lǐng)域，合成生物學(xué)、計算生物學(xué)與化學(xué)生物學(xué)一同組成系統(tǒng)生物技術(shù)方法基礎(chǔ)。合成生物學(xué)課件第3頁3/47目標(biāo)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(jìn)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(jìn)行重新設(shè)計、改造、構(gòu)建。合成生物學(xué)包含工程學(xué)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。合成生物學(xué)課件第4頁4/47標(biāo)準(zhǔn)化抽象化復(fù)雜系統(tǒng)去偶合DrewEndy(MIT)

合成生物學(xué)工程化三標(biāo)準(zhǔn)：2.研究方式和工具合成生物學(xué)課件第5頁5/47標(biāo)準(zhǔn)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(xué)功效、試驗檢測條件及系統(tǒng)做出等通用、便捷標(biāo)準(zhǔn)。不一樣部件間要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來實現(xiàn)“即插即用”性能。合成生物學(xué)課件第6頁6/47MIT成立了標(biāo)準(zhǔn)生物部件登記處，數(shù)據(jù)庫搜集了3200個標(biāo)準(zhǔn)化生物學(xué)部件。

合成生物學(xué)課件第7頁7/47StandardAssembly合成生物學(xué)課件第8頁8/47

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)合成生物學(xué)課件第9頁9/47

將一個復(fù)雜問題分解成若干可操作獨立簡單問題。復(fù)雜系統(tǒng)去偶合合成生物學(xué)課件第10頁10/47

標(biāo)準(zhǔn)生物部件含有特定生物學(xué)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、終止子合成生物學(xué)課件第11頁11/47合成生物學(xué)課件第12頁12/47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合成生物學(xué)課件第13頁13/47合成生物學(xué)研究方向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(xì)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。合成生物學(xué)課件第14頁14/471）基因撥動開關(guān)e.g.E.coli匯報基因誘導(dǎo)物A阻遏物A開啟子B開啟子A阻遏物B誘導(dǎo)物B合成生物學(xué)課件第15頁15/47經(jīng)過加入不一樣誘導(dǎo)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。合成生物學(xué)課件第16頁16/472）基因振蕩器FT1激活它本身和FT2；FT2過量，會抑制FT1合成生物學(xué)課件第17頁17/47生命體代謝路徑重新構(gòu)建微生物載體生產(chǎn)外源蛋白，當(dāng)前人類利用E.coli生產(chǎn)1000各種人類蛋白。合成生物學(xué)課件第18頁18/47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(xué)路徑提取出來優(yōu)化整合到宿主細(xì)胞合成目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)合成生物學(xué)課件第19頁19/47

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(jī)物（生物質(zhì)）約2200億噸，相當(dāng)于人類當(dāng)前每年全部能耗10倍。

合成生物學(xué)課件第20頁20/47可用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇部分微生物及其主要底物合成生物學(xué)課件第21頁21/47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(xì)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，因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。對其菌種改造包含木糖跨膜運(yùn)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。合成生物學(xué)課件第22頁22/47酵母木糖代謝工程合成生物學(xué)課件第23頁23/47

大腸桿菌乙醇代謝工程EMP合成生物學(xué)課件第24頁24/47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合成生物學(xué)課件第25頁25/47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)化成乙醇合成生物學(xué)課件第26頁26/472.

青蒿酸合成線路設(shè)計構(gòu)建中藥青篙中提取有過氧基團(tuán)倍半萜內(nèi)酯藥品。Keasling利用合成生物學(xué)，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。合成生物學(xué)課件第27頁27/47

因為在生物合成抗瘧疾藥品突出成就,Keasling被美國“發(fā)覺”雜志評選為

年度最有影響科學(xué)家。該項目已經(jīng)取得比爾-梅林達(dá)蓋茨基金會4300萬美元資助,進(jìn)行深入試驗室研究、中試、臨床試驗等后續(xù)工作。合成生物學(xué)課件第28頁28/473.

代謝路徑快速進(jìn)化基因突變改造代謝路徑生產(chǎn)目標(biāo)化合物合成生物學(xué)課件第29頁29/47Church

對20種番茄紅素合成相關(guān)基因進(jìn)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。合成生物學(xué)課件第30頁30/474.

利用合成生物學(xué)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合成生物學(xué)課件第31頁31/47最小基因組與合成生物學(xué)合成生物學(xué)最終目標(biāo)：

合成獨立可遺傳人工生命體

合成生物學(xué)課件第32頁32/47人工生命基本要素含有膜系統(tǒng)能進(jìn)行新陳代謝含有自己基因合成生物學(xué)課件第33頁33/47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。合成生物學(xué)課件第34頁34/471.人工構(gòu)建合成生命體

年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

合成生物學(xué)課件第35頁35/47三個步驟：合成、組裝和移植合成：蕈狀支原體基因組是一條大片段DNA分子，序列是A、T、G、C四種脫氧核糖核苷酸排列組合。經(jīng)過試驗確定維持其生命周期最小基因組，并加上4個“水印基因”作為標(biāo)識。用計算機(jī)準(zhǔn)確計算需要合成DNA分子序列，并用化學(xué)方法合成A、T、G、C堿基，并使其按所要求序列延伸。這是它被稱為“人造生命”或者“化學(xué)合成”關(guān)鍵。Venter用化學(xué)方法合成了一千多個約1kbDNA片段，作為這次組裝基本材料。Venter試驗合成生物學(xué)課件第36頁36/47組裝：因為合成生物學(xué)技術(shù)上局限，不能直接合成上萬堿基正確DNA大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒酵母和大腸桿菌幫助，把1KbDNA分子有序準(zhǔn)確連成超出1000kb片段。移植：

Venter等把這個合成基因組移植到不含限制性酶切系統(tǒng)山羊支原體中，基因組能使用后者酶系統(tǒng)進(jìn)行自我復(fù)制，經(jīng)過多代繁殖后，長成菌落已經(jīng)純粹由蕈狀支原體組成。絲狀支原體合成生物學(xué)課件第37頁37/47《用化學(xué)合成基因組構(gòu)建一個細(xì)菌細(xì)胞》合成生物學(xué)課件第38頁38/472.最小基因組構(gòu)建

Blattnerj小組刪除大腸桿菌基因組15%（高達(dá)82Kb）,細(xì)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。合成生物學(xué)課件第39頁39/47最小基因組優(yōu)點選擇性保留所需代謝路徑和功效；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。合成生物學(xué)課件第40頁40/47理想細(xì)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)合成路徑合成生物學(xué)課件第41頁41/4715.3.4構(gòu)建多細(xì)胞體系多細(xì)胞體系是建立在群體細(xì)胞效應(yīng)研究基礎(chǔ)上，多細(xì)胞包含細(xì)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(xué)信號來感受群體濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊行為。合成生物學(xué)課件第42頁42/47細(xì)菌QS系統(tǒng)作用細(xì)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(xì)菌數(shù)量改變，當(dāng)信號抵達(dá)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。合成生物學(xué)課件第43頁43/47枯草芽胞桿菌利用QS系統(tǒng)對細(xì)胞發(fā)育進(jìn)行調(diào)控當(dāng)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。

合成生物學(xué)課件第44頁44/4715.4

展望

年合成生物學(xué)被美國MIT出版《