合成生物学简约课件汇总.

• 美国国家自然科学基金资助的合成生物学 工程研究中心( SynBERC) 为此确定出4 个研 究开发方面: 零件( parts) 、装置(devices )、 底盘机架(chassis ) 和人工实践( human practices)
• 在建造计算机时, 重要的是将全部模块装置 ( 例如: 母板、盘驱动器、输入输出部件等) 集成到底盘机架内。 • 对于合成生物学来说, 创建一个细胞底盘机 架( cellular chassis) 用来安装我们设计的生 物零部件是非常重要的。在细胞底盘机架 中可以集成来自各个子系统的信号以使其 有复杂的细胞功能。细胞底盘机架必须为 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。大肠杆菌可以认为是一个性能 优良的微生物, 可用作一个细胞底盘机架。
合成生物学发生与发展的学科基础
生物 计算机
生物传 感器 生物材料
精细 化学品
生物 质能
应用
环境修复
食品 原料
合 成 生 物 学
信 息 学
化 学
计 算 机 科 学
生 物 学
工 程 学
物 理 学
数 学
合成生物学的研究内容
1
生物大分子的合成与模块化
2
生物基因组的合成、简化与重构
合成代谢网络 遗传/基因线路的设计与构建
• 美国杜克大学生物医学工程系You 的研究组及 美国哈佛医学院系统生物学系Silver 的研究组 最近分别发表了题为“经由设计的生物学: 细 胞组分及特性的还原与合成”及“ 设计生物 系统” 的综述, 突出体现了“ 设计”在合成生 物学中的重要作用。 • Barrett 等人评述了系统生物学与合成生物学的 关系, 强调指出系统生物学是基因组尺度合成 生物学的基础。
从化学工程和电子工程得到的借鉴
• 通常人们认为DNA 遗传密码是指挥控制生命的软件 ( software) , 而细胞膜及细胞内所有的生物机器被认 为是生命的硬件( hardware, 在合成生物学中也常称 为wetware) 。 • 这种对生命系统软件与硬件的认识可以借助于电子 工程( 大规模集成电路技术、电子计算机硬件与软 件技术等) 的研究方法、基本技术与工具。 • 就像技术人员现在用标准化的、现成的电子元件组 装成计算机一样, 合成生物学工作者预计有一天, 工 程师可以将充分表征的生物原件组装成健壮的宿主 生物体, 其具有特定的生物功能。
合成生物学的定义
1 新的生物零件、组件和系统的设计与建 造； 2 对现有的、天然的生物系统的重新设计
● 维基百科全书：合成生物学旨在设计和构建工程化的生
物系统，使其能够处理信息、操作化合物、制造材料、生 产能源、提供食物、保持和增强人类的健康和改善我们的 环境。http://en.wikipedia.org/Synthetic_biology
工程化研究策略
• 自上至下（逆向工程）和自下至上（前/正 向工程）。
自上至下策略主要用于分析阶段，试图利用抽 提和解耦方法降低自然生物系统的复杂性，将 其层层凝练成工程化的标准模块。 自下至上的策略是指通过工程化方法，利用标 准化模块，由简单到复杂构建具有期望功能的 生物系统的方法。
关键的工程化概念
● 简单地说，合成生物学是通过设计和构建自然界中不存
在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题。
基因、基因组和基因组学:
基因 (Gene)：遗传功能的单位，是编码蛋 白质或RNA分子的一段DNA序列. 基因组 (Genome，来自Gene + chromosome) 所有DNA分子的总和（分子遗传学定义） 基因组学 (Genomics)：研究基因组结构与 功能的科学
• 美国普林斯顿大学电子工程系与分子生物学系的 Weiss等发表了题为“合成生物学: 对于一个刚出现 学科的新的工程作用”的综述。概括了合成生物学 新学科的基本性能以及与其它工程学科相比的独特 性; 讨论了从生物装置、模块、细胞到多细胞系统 各个层次进行设计和建造工程细胞的方法 • Panke 等发表了“合成生物学- 将工程置入生物学” 的述评, 归纳出合成生物学的研究框架, 特别突出了 系统设计与系统加工制造的重要性。对于作为合成 生物学支撑技术的加工制造, 包括标准化克隆、从 头DNA 合成、提供工程底盘机架( chassis) 等，进行 了详细讨论。为了减少生物系统的复杂性,一个选择 是减小宿主( 这里比作chassis) 的基因组———即构 建出“最小基因组”, 以便用于合成生物学研究
• 标准化
– 建立生物功能的定义、建立识别生物部件的方法及 标准生物部件的注册登记
• 合成生物学区别于现有生物学其他学科的 主要特点是“工程化”
• 2004 年Scientific American 杂志发表了题为 “合成生命”一文, 以图文并茂的形式阐述了合成生物学 的内涵及工程性质 • 2005 年MIT 的Endy发表了“ 工程生物学的基础” 的综 述论文, 明确提出工程中常用的“标准化”、“复杂系 统解耦”、“概念抽象化”做法, 并清楚地将合成生物 学涉及的生物系统分成DNA、零件、装置、系统这样4 个层次 • 2006 年Scientific American 以“ THE BIO FAB GROUP”(生 物制造研究组, 包括合成生物学领域的9 位领军人物)为 作者, 发表了“工程生命: 组建生物制造”的长篇分析评 论性文章, 在正文开始之前用大字突出强调: 从有关工程 领域的成功经验中所学到的原理及实践可帮助将生物技 术从专门的工艺转化为一个成熟的工业。
3
4
5
细胞群体系统及多细胞系统研究
数学模拟和功能预测
6
合成生物学的意义
• 加速合成生物系统工程化的进程
需要工程化、标准化的策略，将研究人员从日复一日 的重复性操作中解脱出来。
Biblioteka Baidu
• 验证和深化对于生物现象的理解
“合成”将是“分析”的必要补充。 成功固然会帮助我们建立合成生物学的基本原则和生 物系统的工程化技术； 失败也是人类的理解与自然生物本质间存在鸿沟的直 接佐证，并会为我们如何更好的理解和运用源自于自 然的技术提供指引。