合成生物学
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就，被美国 “发现”杂志评选为2006年度最有影响的科学家，该项 目也获得Gates基金会4300万美元的资助。目前青蒿酸 产量达到25g/L，为工业微生物学奠定基础。
合成生物学
Jaff Hasty
UC, San Diego. 化学工程系，教授 研究领域： 合成生物学 系统生物学 细胞信号转导 微流体设计
使用甲硫氨酸阻抑型启动子，抑制ERG9 表达。紫穗槐产量：4.4mg/L到153mg/L
Dae-Kyun Ro, Jay D Keasling, et al. Nature, 2006(4):940-943. Robert H Dahl, Jay D Keasling, et al. Nature biotechnology, 2013:1039-1048.
研究策略
翻译水平适配性的研究
选择不同的RBS序列，脂肪酸产量提高了46%
Peng Xu, Mattheos A.G. Koffas, et al. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms2425
研究策略
融合蛋白
1、一些分子数小的多肽基因常采用融合的方法与某一基因相 连，以增加在体内表达后产物的稳定性。 2、两个分子串连融合以提高效率。 3、与分泌性蛋白的信号肽基因组成融合基因，以使表达产物 分泌到膜外或胞外。
中国科学院微生物研究所
上海交通大学 中科院上海生科院 清华大学
2013CB734000 2013CB733900
2014CB745100
合成微生物体系的适配性研究 抗逆元器件的构建和机理研究
微生物多细胞体系的设计与合成
中国科学院微生物研究所 清华大学
天津大学
元英进
研究策略
模块构建、最小化基因组 新途径、新模块构建 竞争性、非必要支路敲除
合成生物学
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。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。
特点： 模块化 标准化 系统化
合成生物学
——特定的输入，精确而特定的输出
合成生物学
目标：改造现有生物系统，增添新功能；创造人工生命系统
对关键酶的大量同工外源酶进行了筛选 获得活性最高的两个酶-paantABC 和ppcatA
粘糠酸摇瓶产量为389 mg/L
Xinxiao Sun, Qipeng Yuan. AEM 2013, 79(13): 4024-4030
化工大学基础
粘糠酸的生物合成
通过弱化冗余基因的手段， 将一株苯丙氨酸高产菌改造 成水杨酸高产菌。水杨酸摇 瓶产量可达1179.92 mg/L, 超过了其最小抑菌浓度
Jay D Keasling
UC, Berkeley. 化学工程系，教授 研究领域： 天然产物的生物合成 代谢工程及系统生物学 生物燃料的生物合成 微生物生理学
多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、 PNAS、JACS、Metabolic Engineering等杂志上
合成生物学
模块适配性研究
基因水平—拷贝数（高低） 转录水平—启动子（强弱型，敏感型） 翻译水平—核糖体结合位点（强弱）
表达系统改造 融合蛋白 支架蛋白
研究策略
模块构建
Jing Zhao, Xueli Zhang, et al. Metabolic Engineering, 2013(17) :42–50.
β-胡萝卜素异源合成途径涉及MEP模块、 β-胡萝卜素合成模块、PPP模块、TCA 循环模块及ATP合成模块。大肠杆菌中产 量高达2.1g/L
各种融合蛋白的组合 初始产量为0 最终达到365mg/L
Yongjin J. Zongbao Zhao, et al. Journal of the American Chemical Society, 2012(1): 3234−3241.
研究策略
支架蛋白
信号转导系统存在一种本身不具备酶活性的蛋白质—支架蛋 白，其作用类似分子胶水，将功能相关的蛋白粘合在一起， 从而保证了信号传递的特异性和高效性。
研究策略
基因水平适配性的研究
不同拷贝数的模块相互组合 达到最佳生产模式。
Peng Xu, Mattheos A.G. Koffas, et al. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms2425
研究策略
转录水平适配性的研究
压力响应型启动子实现基因时序性表达
化工大学基础
粘糠酸的生物合成
将代谢途径分成3个模块，优化了粘糠酸的生产，最高产量可达1.5g/L。
Xinxiao Sun, Qipeng Yuan. Metabolic engineering 2014, 23: 62-69
未来工作
B大宗化学品的生物 合成途径
B
C 大宗化学品的生物合成 途径，包括待设计的未知 途径，可用于构建目标产 物的合成模块。 A精细化学品的生物合成途径
DNA
系 统（systems)
Metabolic reactions
O O O O O
Lac Repressor
Tet Repressor
组 件（devices）
Plac Op tetR
元 件（parts）
合成生物学
生物制造已显示出巨大潜力 OECD预测：至2030年，将有 35%的化学品和其它工业产品来 自生物制造
甲羟戊酸产量提高77倍
John E Dueber, Jay D Keasling, et al. Nature Biotechnology, 2009(8):753-761.
化工大学基础
纤维素乙醇的生物合成 纤维素利用 降解为单糖？直接利用生产乙醇？
25个基因
16.7 kb PGIt docS celE alpha-factor TEF1p pRS-celE-celA-2454 CYC1t docexgS 2454 alpha-factor PGKp celA TPI1t
研究策略
竞争性支路敲除
醋酸合成途径的敲除，使目标产物2,3-丁二醇产量由 3g/L提高至10g/L。 减少不必要的基因，达到最小化基因组的目的
XiaolinShen, Qipeng Yuan, et al. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology. 2012, 39(11),1725-1729.
合成生物学
北京化工大学 生命科学与技术学院 主讲人：袁其朋
提纲
合成生物学简介
应用研究 研究基础
思考
合成生物学
Science, 1911, 33卷， 两篇文章中出现“Synthetic Biology” 1980年，《基因外科术：合成生物学的开始》，出现在德 文杂志上。 2000年后，合成生物学一词开始大量被使用。 2004年，合成生物学技术被美国MIT出版的《Technology Review》评为将改变世界的10大新技术之一。
化工大学基础 纤维素乙醇的生物合成
重组EBY100 原始EBY100
磷酸膨胀纤维素
磷酸膨胀纤维素
第一次实现酿酒酵母的双支架表面展示技术 首次实现重组酿酒酵母对结晶纤维素的降解 酵母生产乙醇达1412mg/L Lihai Fan, Tianwei Tan,et al. PNAS
2012, 109(33):13260-13265
生物 系统
5. 菌群、群落
合成生物学 基本零部件
合成生物学
项目编号 项目名称 首席 科学家 马延和 冯 雁 赵国屏 陈国强 张立新 林章凛 承担单位
2011CBA00800
2012CB721000 2012CB721100 2012CB725200
人工合成细胞工厂
微生物药物创新与优产的人工合成体系 新功能人造生物器件的构建与集成 用合成生物学方法构建生物基材料的合成新途径
改造外源基因、调节上下游模块表达、敲除竞争代谢支路 4-羟基香豆素的摇瓶产量达到480mg/L。
Yunheng Lin Qipeng Yuan, et al. Nature Communications 2013, DOI: 10.1038/ncomms3603.
化工大学基础
粘糠酸的生物合成
设计2条全新的粘糠酸生物合成途径
合成生物学
生物能源
乙醇、丁醇、丁二醇、异 丁醛、异戊二烯、脂肪酸 烷烃、烯烃
天然药物 青蒿素、紫杉醇、
生物基产品及材料
应用 领域
4-羟基香豆素
环境保护
除草剂检测及降解、 石油降解
蛛丝蛋白、生物塑料、 卤代甲烷
合成生物学
James C Liao
UCLA，化学与生物分子工程学教授
研究领域： 能源及化学品的生物合成 代谢工程及系统生物学 转录及代谢网络分析 脂肪酸生物合成
欧盟
2010《认清合成生物学在欧洲发展的潜力：科学机遇和良好的管理》
英国
2012年7月发布了《合成生物学路线图》，指出了英国在发展世界领先的 合成生物学研究的目标和潜力。
BCC的一项评估中指出，全球合成生物学的市场将从2011年 的16亿美元增至2016年的108亿美元。 合成生物学： 为工业生物技术产业提供了新思路与新技术
多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、 PNAS、ACS、Molecular Cell 等杂志上
合成生物学
基因钟、生物霓虹灯、代谢震荡器三个突破性研究发现 为传统的合成生物学研究注入了新的活力 为合成生物学的工业化大规模应用奠定了基础
合成生物学
1. 基本基因 结构单元
Biobrick 2. 特定标 准化模块 3. 逻辑拓扑结 构信息转化 生物 部件 生物 装置 底盘 生物 4. 人工细胞
化工大学基础
marin）强大的HIV-1逆转录酶抑制剂，FDA已 经批准进入三期临床，4-羟基香豆素是重要的抗凝血药物前
体。
10个外源基因，首次成功 人工合成4-羟基香豆素 首次利用功能学的生物勘探 技术得到FabH型喹啉铜合成 酶，消除生物合成的瓶颈。
化工大学基础 4-羟基香豆素的生物合成
工业39% 农业36% 医药25%
2030年：生物技术的经济贡献与环境效益
合成生物学
BCC发布数据： 40个国家开始规划合成生物学蓝图。 在美国之后，英国、欧盟国家、加拿大、中国、日本、韩国等 国家开始大量投入对合成生物学的支持。
合成生物学
美国
2012年4 月，发布《国家生物经济蓝图》，指出未来的生物经济将依赖于 合成生物学、蛋白组学和生物信息学等前沿技术。提出五大战略目标
多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、 PNAS、JACS、Metabolic Engineering等杂志上
合成生物学
基于合成生物学原理，Liao领导的课题组利用光 能、水和CO2、蛋白水解物等清洁能源或废弃物，通 过微生物作用，生产丁醇、丙醇、脂肪酸等生物能源。
合成生物学
GAL1 AGA2 ORF Linker OlpB-1 OlpB-2 OlpB-3 CipC CbpA doc (CipA) ADH1t pYD-ScaI-ScaII 10.8 kb OlpB-4 MAT(alpha)t
双质粒共转化酿酒酵母（EBY100）
TEF2p alpha-factor
GAL10 alpha-factor CipA
A
C
合成生物学
重点掌握：
合成生物学的研究内容及特点 合成生物学的研究思路及方法
思考：
合成生物学的研究方向 人类与合成生物学的关系 人类=造物主？ 道德伦理、生物环境 生物武器、专利与垄断
合成生物学
Jaff Hasty
UC, San Diego. 化学工程系，教授 研究领域： 合成生物学 系统生物学 细胞信号转导 微流体设计
使用甲硫氨酸阻抑型启动子，抑制ERG9 表达。紫穗槐产量：4.4mg/L到153mg/L
Dae-Kyun Ro, Jay D Keasling, et al. Nature, 2006(4):940-943. Robert H Dahl, Jay D Keasling, et al. Nature biotechnology, 2013:1039-1048.
研究策略
翻译水平适配性的研究
选择不同的RBS序列，脂肪酸产量提高了46%
Peng Xu, Mattheos A.G. Koffas, et al. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms2425
研究策略
融合蛋白
1、一些分子数小的多肽基因常采用融合的方法与某一基因相 连，以增加在体内表达后产物的稳定性。 2、两个分子串连融合以提高效率。 3、与分泌性蛋白的信号肽基因组成融合基因，以使表达产物 分泌到膜外或胞外。
中国科学院微生物研究所
上海交通大学 中科院上海生科院 清华大学
2013CB734000 2013CB733900
2014CB745100
合成微生物体系的适配性研究 抗逆元器件的构建和机理研究
微生物多细胞体系的设计与合成
中国科学院微生物研究所 清华大学
天津大学
元英进
研究策略
模块构建、最小化基因组 新途径、新模块构建 竞争性、非必要支路敲除
合成生物学
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。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。
特点： 模块化 标准化 系统化
合成生物学
——特定的输入，精确而特定的输出
合成生物学
目标：改造现有生物系统，增添新功能；创造人工生命系统
对关键酶的大量同工外源酶进行了筛选 获得活性最高的两个酶-paantABC 和ppcatA
粘糠酸摇瓶产量为389 mg/L
Xinxiao Sun, Qipeng Yuan. AEM 2013, 79(13): 4024-4030
化工大学基础
粘糠酸的生物合成
通过弱化冗余基因的手段， 将一株苯丙氨酸高产菌改造 成水杨酸高产菌。水杨酸摇 瓶产量可达1179.92 mg/L, 超过了其最小抑菌浓度
Jay D Keasling
UC, Berkeley. 化学工程系，教授 研究领域： 天然产物的生物合成 代谢工程及系统生物学 生物燃料的生物合成 微生物生理学
多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、 PNAS、JACS、Metabolic Engineering等杂志上
合成生物学
模块适配性研究
基因水平—拷贝数（高低） 转录水平—启动子（强弱型，敏感型） 翻译水平—核糖体结合位点（强弱）
表达系统改造 融合蛋白 支架蛋白
研究策略
模块构建
Jing Zhao, Xueli Zhang, et al. Metabolic Engineering, 2013(17) :42–50.
β-胡萝卜素异源合成途径涉及MEP模块、 β-胡萝卜素合成模块、PPP模块、TCA 循环模块及ATP合成模块。大肠杆菌中产 量高达2.1g/L
各种融合蛋白的组合 初始产量为0 最终达到365mg/L
Yongjin J. Zongbao Zhao, et al. Journal of the American Chemical Society, 2012(1): 3234−3241.
研究策略
支架蛋白
信号转导系统存在一种本身不具备酶活性的蛋白质—支架蛋 白，其作用类似分子胶水，将功能相关的蛋白粘合在一起， 从而保证了信号传递的特异性和高效性。
研究策略
基因水平适配性的研究
不同拷贝数的模块相互组合 达到最佳生产模式。
Peng Xu, Mattheos A.G. Koffas, et al. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms2425
研究策略
转录水平适配性的研究
压力响应型启动子实现基因时序性表达
化工大学基础
粘糠酸的生物合成
将代谢途径分成3个模块，优化了粘糠酸的生产，最高产量可达1.5g/L。
Xinxiao Sun, Qipeng Yuan. Metabolic engineering 2014, 23: 62-69
未来工作
B大宗化学品的生物 合成途径
B
C 大宗化学品的生物合成 途径，包括待设计的未知 途径，可用于构建目标产 物的合成模块。 A精细化学品的生物合成途径
DNA
系 统（systems)
Metabolic reactions
O O O O O
Lac Repressor
Tet Repressor
组 件（devices）
Plac Op tetR
元 件（parts）
合成生物学
生物制造已显示出巨大潜力 OECD预测：至2030年，将有 35%的化学品和其它工业产品来 自生物制造
甲羟戊酸产量提高77倍
John E Dueber, Jay D Keasling, et al. Nature Biotechnology, 2009(8):753-761.
化工大学基础
纤维素乙醇的生物合成 纤维素利用 降解为单糖？直接利用生产乙醇？
25个基因
16.7 kb PGIt docS celE alpha-factor TEF1p pRS-celE-celA-2454 CYC1t docexgS 2454 alpha-factor PGKp celA TPI1t
研究策略
竞争性支路敲除
醋酸合成途径的敲除，使目标产物2,3-丁二醇产量由 3g/L提高至10g/L。 减少不必要的基因，达到最小化基因组的目的
XiaolinShen, Qipeng Yuan, et al. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology. 2012, 39(11),1725-1729.
合成生物学
北京化工大学 生命科学与技术学院 主讲人：袁其朋
提纲
合成生物学简介
应用研究 研究基础
思考
合成生物学
Science, 1911, 33卷， 两篇文章中出现“Synthetic Biology” 1980年，《基因外科术：合成生物学的开始》，出现在德 文杂志上。 2000年后，合成生物学一词开始大量被使用。 2004年，合成生物学技术被美国MIT出版的《Technology Review》评为将改变世界的10大新技术之一。
化工大学基础 纤维素乙醇的生物合成
重组EBY100 原始EBY100
磷酸膨胀纤维素
磷酸膨胀纤维素
第一次实现酿酒酵母的双支架表面展示技术 首次实现重组酿酒酵母对结晶纤维素的降解 酵母生产乙醇达1412mg/L Lihai Fan, Tianwei Tan,et al. PNAS
2012, 109(33):13260-13265
生物 系统
5. 菌群、群落
合成生物学 基本零部件
合成生物学
项目编号 项目名称 首席 科学家 马延和 冯 雁 赵国屏 陈国强 张立新 林章凛 承担单位
2011CBA00800
2012CB721000 2012CB721100 2012CB725200
人工合成细胞工厂
微生物药物创新与优产的人工合成体系 新功能人造生物器件的构建与集成 用合成生物学方法构建生物基材料的合成新途径
改造外源基因、调节上下游模块表达、敲除竞争代谢支路 4-羟基香豆素的摇瓶产量达到480mg/L。
Yunheng Lin Qipeng Yuan, et al. Nature Communications 2013, DOI: 10.1038/ncomms3603.
化工大学基础
粘糠酸的生物合成
设计2条全新的粘糠酸生物合成途径
合成生物学
生物能源
乙醇、丁醇、丁二醇、异 丁醛、异戊二烯、脂肪酸 烷烃、烯烃
天然药物 青蒿素、紫杉醇、
生物基产品及材料
应用 领域
4-羟基香豆素
环境保护
除草剂检测及降解、 石油降解
蛛丝蛋白、生物塑料、 卤代甲烷
合成生物学
James C Liao
UCLA，化学与生物分子工程学教授
研究领域： 能源及化学品的生物合成 代谢工程及系统生物学 转录及代谢网络分析 脂肪酸生物合成
欧盟
2010《认清合成生物学在欧洲发展的潜力：科学机遇和良好的管理》
英国
2012年7月发布了《合成生物学路线图》，指出了英国在发展世界领先的 合成生物学研究的目标和潜力。
BCC的一项评估中指出，全球合成生物学的市场将从2011年 的16亿美元增至2016年的108亿美元。 合成生物学： 为工业生物技术产业提供了新思路与新技术
多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、 PNAS、ACS、Molecular Cell 等杂志上
合成生物学
基因钟、生物霓虹灯、代谢震荡器三个突破性研究发现 为传统的合成生物学研究注入了新的活力 为合成生物学的工业化大规模应用奠定了基础
合成生物学
1. 基本基因 结构单元
Biobrick 2. 特定标 准化模块 3. 逻辑拓扑结 构信息转化 生物 部件 生物 装置 底盘 生物 4. 人工细胞
化工大学基础
marin）强大的HIV-1逆转录酶抑制剂，FDA已 经批准进入三期临床，4-羟基香豆素是重要的抗凝血药物前
体。
10个外源基因，首次成功 人工合成4-羟基香豆素 首次利用功能学的生物勘探 技术得到FabH型喹啉铜合成 酶，消除生物合成的瓶颈。
化工大学基础 4-羟基香豆素的生物合成
工业39% 农业36% 医药25%
2030年：生物技术的经济贡献与环境效益
合成生物学
BCC发布数据： 40个国家开始规划合成生物学蓝图。 在美国之后，英国、欧盟国家、加拿大、中国、日本、韩国等 国家开始大量投入对合成生物学的支持。
合成生物学
美国
2012年4 月，发布《国家生物经济蓝图》，指出未来的生物经济将依赖于 合成生物学、蛋白组学和生物信息学等前沿技术。提出五大战略目标
多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、 PNAS、JACS、Metabolic Engineering等杂志上
合成生物学
基于合成生物学原理，Liao领导的课题组利用光 能、水和CO2、蛋白水解物等清洁能源或废弃物，通 过微生物作用，生产丁醇、丙醇、脂肪酸等生物能源。
合成生物学
GAL1 AGA2 ORF Linker OlpB-1 OlpB-2 OlpB-3 CipC CbpA doc (CipA) ADH1t pYD-ScaI-ScaII 10.8 kb OlpB-4 MAT(alpha)t
双质粒共转化酿酒酵母（EBY100）
TEF2p alpha-factor
GAL10 alpha-factor CipA
A
C
合成生物学
重点掌握：
合成生物学的研究内容及特点 合成生物学的研究思路及方法
思考：
合成生物学的研究方向 人类与合成生物学的关系 人类=造物主？ 道德伦理、生物环境 生物武器、专利与垄断