第八章合成生物學(xué)

第八章合成生物學(xué)15、1合成生物學(xué)得發(fā)展史及概念(1)合成生物學(xué)得發(fā)展史1978年Skallka在對(duì)限制性內(nèi)切核酸酶得評(píng)論中第一次預(yù)言了合成生物學(xué)得誕生。1980年Hobom引入了合成生物學(xué)得得名詞來(lái)描述基因重組技術(shù)。DNA合成測(cè)序技術(shù)得發(fā)展和工程學(xué)在生物體系得應(yīng)用,為合成生物學(xué)奠定基礎(chǔ)。20世紀(jì)提出得概念用現(xiàn)有得有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)得合成能力設(shè)計(jì)非天然得分子,使這些分子在生命體系中發(fā)揮功能。通過(guò)合成得方法來(lái)理解自然得生命體系,構(gòu)建創(chuàng)造新得人工生命體。美國(guó)基因組學(xué)先驅(qū)克萊格·凡特,在她位于馬里蘭州和加州得實(shí)驗(yàn)室,科研人員在其為期15年得研究項(xiàng)目中,已成功制造出全球首個(gè)“合成細(xì)胞”,一種稱為絲狀支原體得細(xì)菌。

(2)合成生物學(xué)合成生物學(xué)學(xué)就是生物科學(xué)在二十一世紀(jì)剛剛出現(xiàn)得一個(gè)分支學(xué)科。

目得在于設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新得生物組件和體系,對(duì)現(xiàn)有得生物體系進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。從基本得生物組件構(gòu)建復(fù)雜得人工生命體系,對(duì)整個(gè)生命過(guò)程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建。

合成生物包含得內(nèi)容

基因合成

構(gòu)建人工生命體基于現(xiàn)有得天然生物組件,設(shè)計(jì)構(gòu)建有新功能得生物體系。

15、2合成生物學(xué)得研究方法和工具(1)合成生物學(xué)得研究方法工程領(lǐng)域中所有得單元部件都具有獨(dú)立功能,可以互換,容易進(jìn)行模塊化得組合,即從零件到器件再到系統(tǒng)。

合成生物學(xué)包含工程學(xué)得理念,任何一個(gè)生命體系可以看作就是具有不同功能得生物零件得有序組合。9大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流

2004年,美國(guó)就成功在一位半身不遂得男性患者大腦中植入了一個(gè)電腦芯片,患者僅憑大腦里得意志力就可以操作電腦,能發(fā)送電子郵件。未來(lái)在芯片得幫助下,人們可以直接用大腦控制手臂和腿得假肢?，F(xiàn)在就已經(jīng)出現(xiàn)了可以部分控制得假肢。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)工程化三原則:標(biāo)準(zhǔn)化從可更換得部件庫(kù),快速構(gòu)建多組分體系,包括建立生物學(xué)功能、試驗(yàn)得檢測(cè)條件及系統(tǒng)做出通用、便捷得標(biāo)準(zhǔn)。不同部件間要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)“即插即用”得性能。2003MIT成立了標(biāo)準(zhǔn)生物部件登記處,數(shù)據(jù)庫(kù)收集了3200個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化生物學(xué)部件。

將一個(gè)復(fù)雜得問(wèn)題分解成若干可操作得獨(dú)立得簡(jiǎn)單問(wèn)題。復(fù)雜系統(tǒng)去偶合

抽象化:將生物功能單元?jiǎng)澐譃椴煌瑢哟巍?/p>

DNA、RNA、蛋白質(zhì)、代謝物相互作用系統(tǒng)(2)合成生物學(xué)得組成工具將這些器件逐級(jí)設(shè)計(jì)構(gòu)建組合成具有特定功能得生物系統(tǒng)。生物部件part器件device系統(tǒng)system模塊module

標(biāo)準(zhǔn)生物部件具有特定生物學(xué)功能得基因編碼元件啟動(dòng)子、調(diào)控因子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)、編碼序列、終止子15、3

合成生物學(xué)得研究方向15、3、1

創(chuàng)建新得基因調(diào)控模塊和線路

各種蛋白質(zhì)、DNA、RNA得相互作用形成復(fù)雜得表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)構(gòu)建非天然得基因調(diào)控模塊設(shè)計(jì)構(gòu)建細(xì)胞生命活動(dòng)得分子網(wǎng)絡(luò)。用途:調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)功能?；蚓€路1)基因撥動(dòng)開(kāi)關(guān)e、g、E、coli報(bào)告基因誘導(dǎo)物A阻遏物A啟動(dòng)子B啟動(dòng)子A阻遏物B誘導(dǎo)物B通過(guò)加入不同得誘導(dǎo)物實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)在兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之間得轉(zhuǎn)換。狀態(tài)轉(zhuǎn)換具有滯后性,具有記憶功能。2)基因振蕩器FT1激活她本身和FT2;FT2過(guò)量,會(huì)抑制FT13)大腸桿菌成像系統(tǒng)

將細(xì)菌改造成感光膠片,像素1平方米1億像素分辨率。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)化為光敏感得藻膽青素PCB。lacZompC

promoter

PCBBlackPCBPCB15、3、2

生命體代謝途徑得重新構(gòu)建微生物載體生產(chǎn)外源蛋白,目前人類利用E、coli生產(chǎn)1000多種人類蛋白。代謝途徑改造----調(diào)節(jié)核心組件優(yōu)化途徑不同得生物學(xué)途徑提取出來(lái)優(yōu)化整合到宿主細(xì)胞合成目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)1、

青蒿酸合成線路得設(shè)計(jì)構(gòu)建瘧疾典型得瘧疾多呈周期性發(fā)作,表現(xiàn)為間歇性寒熱發(fā)作。發(fā)作時(shí)先有明顯得寒戰(zhàn),全身發(fā)抖,面色蒼白,接著體溫迅速上升,達(dá)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(guò)一段間歇期后,又開(kāi)始重復(fù)上述間歇性定時(shí)寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。

每年5億人感染,100萬(wàn)死亡。目前最有效得就是青蒿素,生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本昂貴。

中藥青篙中提取得有過(guò)氧基團(tuán)得倍半萜內(nèi)酯藥物。Keasling利用合成生物學(xué),將大腸桿菌改造成青蒿酸工廠。將甲羥戊酸合成途徑轉(zhuǎn)入大腸桿菌中,改造獲得E、coli

青蒿酸得產(chǎn)量300mg/L。困難:難以預(yù)計(jì)得復(fù)雜性這一工作幾乎就是150人一年工作得結(jié)果,這些工作包括,探究每個(gè)基因得功能、探究這些功能基因組合在一起得運(yùn)作機(jī)制。

由于在生物合成抗瘧疾藥物得突出成就,Keasling被美國(guó)“發(fā)現(xiàn)”雜志評(píng)選為2006年度最有影響得科學(xué)家。該項(xiàng)目已經(jīng)獲得比爾-梅林達(dá)蓋茨基金會(huì)4300萬(wàn)美元得資助,進(jìn)行進(jìn)一步得實(shí)驗(yàn)室研究、中試、臨床實(shí)驗(yàn)等后續(xù)工作。2、

代謝途徑得快速進(jìn)化基因突變改造代謝途徑生產(chǎn)目標(biāo)化合物Church

對(duì)20種番茄紅素合成有關(guān)得基因進(jìn)行突變;將突變得90個(gè)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)量提高5倍得基因。3、

利用合成生物學(xué)生產(chǎn)新能源Kaslling利用13個(gè)可逆得酶促反應(yīng)組合起來(lái)創(chuàng)建一條非天然得催化路徑。

淀粉+水H215、3、3

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(dú)立得可遺傳得人工生命體

人工生命得基本要素具有膜系統(tǒng)能進(jìn)行新陳代謝具有自己得基因研究最簡(jiǎn)化生命得兩種方法從下而上: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。1、人工構(gòu)建合成生命體

2002年Wimmer小組脊髓灰質(zhì)炎病毒得合成Venter合成噬菌體基因組和生殖道支原體基因組

不同物種間基因組得移植

將蕈狀支原體基因組移植到山羊支原體中。

絲狀支原體2、最小基因組得構(gòu)建

Blattnerj小組刪除大腸桿菌基因組得15%(高達(dá)82Kb),細(xì)菌仍保持了良好得生存狀態(tài)。

改造后菌株得電穿孔效率、基因表達(dá)都有改變。電穿孔

Endy小組用12kb人工合成得DNA取代野生T7基因組中得11kb得非必須DNA構(gòu)建新得生命體。

最小基因組優(yōu)點(diǎn)選擇性得保留所需得代謝途徑和功能;成為合成基因網(wǎng)絡(luò)理想得容器;為插入模塊提供最簡(jiǎn)單無(wú)干擾得環(huán)境。理想得細(xì)胞底盤(pán)應(yīng)具備得條件長(zhǎng)期培養(yǎng)中保持基因穩(wěn)定能夠在低營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中生長(zhǎng)以降低成本同時(shí)協(xié)調(diào)多基因得表達(dá)能夠通過(guò)調(diào)整合成路徑抑制與生產(chǎn)無(wú)關(guān)得合成路徑15、3、4構(gòu)建多細(xì)胞體系多細(xì)胞體系就是建立在群體細(xì)胞效應(yīng)得研究基礎(chǔ)上,多細(xì)胞涉及細(xì)胞間得通信體系。

群體效應(yīng):微生物通過(guò)自身產(chǎn)生得一種化學(xué)信號(hào)