合成生物学
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蛋白质序列中添加非天然氨基酸是合成生物学 设计新功能蛋白质的一个策略．这种策略对天然蛋 白质的折叠和功能研究有重要作用．
目前,已有大约30 多种非天然氨基酸被人工插入到 生物体合成的蛋白质中.但一种蛋白质中只能插入少数 的非天然氨基酸．随着特别基因组序列合成手段的改 进,将会用20个密码子特异性编码20种天然氨基酸,其 余的密码子则用来编码非天然氨基酸．
重组大肠杆菌构建
将三个番茄红素合成酶的基因( crtE、crtB 和crtI) 导入大肠杆菌就可以最终建立番茄红素的生物合成途 径.
其中crtE 编码GGPP 合酶，引入crtE 可以增加 FPP 向GGPP 的转化; crtB 编码八氢番茄红素合成酶， 可将GGPP 转化成八氢番茄红素; 而crtI 编码八氢番茄 红素脱氢酶，能促使八氢番茄红素向番茄红素转化。
目前研究应用包括两个主要方面： 一、通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，
修改已存在的生物系统，使该系统增添新的功能．
二、通过设计和构建新的生物零件、组件和系统，创造自然界中 尚不存在的人工生命系统
基因调控网络和代谢网络的人工构建 非天然氨基酸——合成生物学的元件
底盘与最小基因组
基因调控网络和代谢网络的人工构建
合成生物学研究进展及其实例介绍
汇报人: 专业: 导师:
王蒙 发酵工程
王菊芳
主要内容:
合成生物学及其在生物技术中的应用进展
重组大肠杆菌生物合成番茄红素
合成生物学及其在生物技术中的应用进展 合成生物学:
它是把生物系统当作工程系统“从下往上” 进行处理，由 “单元” (unit) 到“部件” (device) 再到“系统” (system) 来设计， 修改和组装细胞构件及生物系统的一门学 科.
番
HMBPP: 4-羟基-3-甲 基-2-丁烯基-4-二磷酸;
茄
红 素
IspC － IspH: 异戊烯 焦磷酸( IPP) 和二甲 酰基焦磷酸( DMAPP)
在
的合成酶;
大
肠
杆
菌
中
的
生
物
合
成
途
径
Other Method
将番茄LeGGPS2 和LePSY1 的cDNA 序列，及欧文氏菌crtI 的编码序列分别添 加上核糖体结合位点后，以组合的方式受 控于T7 启动子和终止子，构成的 T7::crtILeGGPS2-LePSY1::Ter 多顺反子 结构(共表达盒),在大肠杆菌菌株中进行表 达和诱导番茄红素合成.
发酵结果显示， 仅含pT7-crtI-LeGGPS2-LePSY1 的菌株经诱导后收集的菌体呈红色，而含其他载体的菌 株诱导培养后均为菌体本色，表明仅含有pT7-crtILeGGPS2-LePSY1的菌株能合成番茄红素。
提高番茄红素的生产能力
为达到利用大肠杆菌高效生产番茄红素的目的， 需要对番茄红素的代谢途径进行改造和优化.但由于番 茄红素的合成涉及菌体内的多步酶催化反应，所以往 往需要对多个基因同时进行操作。
• 原料含量太低 • 生产受季节影
响 • 无法满足市场
需求
化学合成法
• 双键立体选 择性难以控 制
• 有杂质残留
发酵法
• 工艺简单 • 生产周期短 • 不受季节气
候影响 • 成本低等
迄今为止，能够用于生产番茄红素的微
生物主要有红色细菌、三孢布拉氏霉菌、 小球藻以及基因工程菌，特别是随着转基 因技术的迅速发展，利用重组大肠杆菌生 产番茄红素已成为研究的热点。
利用代谢工程和发酵工程的方法提高番茄红素产 量一般有以下几种方法: ①同源基因的原位取代; ②代谢旁路基因的敲除; ③代 谢途径关键基因的过量表达; ④多基因的协同调控; ⑤ 工程菌培养条件的优化
底盘与最小基因组
最小基因组细胞仅含有基本的遗传信息，在一定的条件 下可保持细胞活力.最小基因组细胞提供了一个无干扰的适合 于生物工程操作的“底盘”．
细胞底盘必须为细胞生长及组件工作提供各种组分, 应 该有各种标准的连接, 而且足够稳定以便能在工业上应用．
大肠杆菌、丙酮丁醇梭杆菌、谷氨酸棒杆菌、酿酒酵母 菌和黑曲霉可以作为性能优良的微生物细胞底盘．
在细菌中
番
植物细Байду номын сангаас液和真菌
茄
红
素
的
生
物
合
成
途
径
野生大肠杆菌缺陷
大肠杆菌本身不能合成番茄红素，但TCA 循环的 中间体如苹果酸、草酰乙酸等可以形成类胡萝卜素和 脂类物质的骨架结构.
大肠杆菌细胞内含有的成分如多萜醇、苯醌等化 合物和番茄红素一样也都是由共同的前体IPP (异戊烯 焦磷酸)转化而来。
野生型大肠杆菌只能将IPP 转化成GGPP(牻牛儿基 牻牛儿焦磷酸)，而缺乏必要的酶将GGPP 转化成番茄 红素.
重组大肠杆菌生物合成番茄红素
番茄红素
番茄红素是一种重要的天然植物色素,在自 然界中主要存在于西瓜、番茄等蔬菜水果中。
番茄红素具有很强的抗氧化能力，能够防止 DNA 受到氧化破坏，减轻细胞损伤和预防癌症的 发生。此外，番茄红素还能减轻脂肪肝病变程度， 防止或延缓动脉粥样硬化的形成。
生产方法
天然提取法
基因调控网络的研究是现阶段合成生物学进行得 比较多的工作，它已经从基因调控线路的构建扩展到 细胞内信号通路的重连接、胞内RNA逻辑门电路的实 现、具有细胞-细胞通讯的多细胞体系等．
比如: 在细胞内植入适当的生物控制元件达到添加新功能的目的. 基本生物控制元件在制造方法和植入上的标准化和模块化.
非天然氨基酸——合成生物学的元件
目前,已有大约30 多种非天然氨基酸被人工插入到 生物体合成的蛋白质中.但一种蛋白质中只能插入少数 的非天然氨基酸．随着特别基因组序列合成手段的改 进,将会用20个密码子特异性编码20种天然氨基酸,其 余的密码子则用来编码非天然氨基酸．
重组大肠杆菌构建
将三个番茄红素合成酶的基因( crtE、crtB 和crtI) 导入大肠杆菌就可以最终建立番茄红素的生物合成途 径.
其中crtE 编码GGPP 合酶，引入crtE 可以增加 FPP 向GGPP 的转化; crtB 编码八氢番茄红素合成酶， 可将GGPP 转化成八氢番茄红素; 而crtI 编码八氢番茄 红素脱氢酶，能促使八氢番茄红素向番茄红素转化。
目前研究应用包括两个主要方面： 一、通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，
修改已存在的生物系统，使该系统增添新的功能．
二、通过设计和构建新的生物零件、组件和系统，创造自然界中 尚不存在的人工生命系统
基因调控网络和代谢网络的人工构建 非天然氨基酸——合成生物学的元件
底盘与最小基因组
基因调控网络和代谢网络的人工构建
合成生物学研究进展及其实例介绍
汇报人: 专业: 导师:
王蒙 发酵工程
王菊芳
主要内容:
合成生物学及其在生物技术中的应用进展
重组大肠杆菌生物合成番茄红素
合成生物学及其在生物技术中的应用进展 合成生物学:
它是把生物系统当作工程系统“从下往上” 进行处理，由 “单元” (unit) 到“部件” (device) 再到“系统” (system) 来设计， 修改和组装细胞构件及生物系统的一门学 科.
番
HMBPP: 4-羟基-3-甲 基-2-丁烯基-4-二磷酸;
茄
红 素
IspC － IspH: 异戊烯 焦磷酸( IPP) 和二甲 酰基焦磷酸( DMAPP)
在
的合成酶;
大
肠
杆
菌
中
的
生
物
合
成
途
径
Other Method
将番茄LeGGPS2 和LePSY1 的cDNA 序列，及欧文氏菌crtI 的编码序列分别添 加上核糖体结合位点后，以组合的方式受 控于T7 启动子和终止子，构成的 T7::crtILeGGPS2-LePSY1::Ter 多顺反子 结构(共表达盒),在大肠杆菌菌株中进行表 达和诱导番茄红素合成.
发酵结果显示， 仅含pT7-crtI-LeGGPS2-LePSY1 的菌株经诱导后收集的菌体呈红色，而含其他载体的菌 株诱导培养后均为菌体本色，表明仅含有pT7-crtILeGGPS2-LePSY1的菌株能合成番茄红素。
提高番茄红素的生产能力
为达到利用大肠杆菌高效生产番茄红素的目的， 需要对番茄红素的代谢途径进行改造和优化.但由于番 茄红素的合成涉及菌体内的多步酶催化反应，所以往 往需要对多个基因同时进行操作。
• 原料含量太低 • 生产受季节影
响 • 无法满足市场
需求
化学合成法
• 双键立体选 择性难以控 制
• 有杂质残留
发酵法
• 工艺简单 • 生产周期短 • 不受季节气
候影响 • 成本低等
迄今为止，能够用于生产番茄红素的微
生物主要有红色细菌、三孢布拉氏霉菌、 小球藻以及基因工程菌，特别是随着转基 因技术的迅速发展，利用重组大肠杆菌生 产番茄红素已成为研究的热点。
利用代谢工程和发酵工程的方法提高番茄红素产 量一般有以下几种方法: ①同源基因的原位取代; ②代谢旁路基因的敲除; ③代 谢途径关键基因的过量表达; ④多基因的协同调控; ⑤ 工程菌培养条件的优化
底盘与最小基因组
最小基因组细胞仅含有基本的遗传信息，在一定的条件 下可保持细胞活力.最小基因组细胞提供了一个无干扰的适合 于生物工程操作的“底盘”．
细胞底盘必须为细胞生长及组件工作提供各种组分, 应 该有各种标准的连接, 而且足够稳定以便能在工业上应用．
大肠杆菌、丙酮丁醇梭杆菌、谷氨酸棒杆菌、酿酒酵母 菌和黑曲霉可以作为性能优良的微生物细胞底盘．
在细菌中
番
植物细Байду номын сангаас液和真菌
茄
红
素
的
生
物
合
成
途
径
野生大肠杆菌缺陷
大肠杆菌本身不能合成番茄红素，但TCA 循环的 中间体如苹果酸、草酰乙酸等可以形成类胡萝卜素和 脂类物质的骨架结构.
大肠杆菌细胞内含有的成分如多萜醇、苯醌等化 合物和番茄红素一样也都是由共同的前体IPP (异戊烯 焦磷酸)转化而来。
野生型大肠杆菌只能将IPP 转化成GGPP(牻牛儿基 牻牛儿焦磷酸)，而缺乏必要的酶将GGPP 转化成番茄 红素.
重组大肠杆菌生物合成番茄红素
番茄红素
番茄红素是一种重要的天然植物色素,在自 然界中主要存在于西瓜、番茄等蔬菜水果中。
番茄红素具有很强的抗氧化能力，能够防止 DNA 受到氧化破坏，减轻细胞损伤和预防癌症的 发生。此外，番茄红素还能减轻脂肪肝病变程度， 防止或延缓动脉粥样硬化的形成。
生产方法
天然提取法
基因调控网络的研究是现阶段合成生物学进行得 比较多的工作，它已经从基因调控线路的构建扩展到 细胞内信号通路的重连接、胞内RNA逻辑门电路的实 现、具有细胞-细胞通讯的多细胞体系等．
比如: 在细胞内植入适当的生物控制元件达到添加新功能的目的. 基本生物控制元件在制造方法和植入上的标准化和模块化.
非天然氨基酸——合成生物学的元件