现代生命科学与生物技术-04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)。
把乙酰辅酶a转化为青蒿二烯产量达34gmlod600比dxp途径高11倍11个小时的生产周期中mev途径合成青蒿二烯的浓度约为226mgl增加08甘油可使浓度达到1122mgl实验室水平经工程放大到工业化生产实际水平可达gl量级酵母生产青蒿素前体的设计与合成2006年keasling等人进一步对青蒿素代谢途径进行设计将大肠杆菌基因青蒿植物基因与酵母基因进行优化全新设计和合成了酿酒酵母中的青蒿素的代谢电路成功实现了青蒿素的前体物质青蒿酸的生产首先对fpp合成代谢途径进行修饰增加上调基因thmgr双拷贝erg20编码fpp合成upc21编码甾醇合成的转录因子的过表达抑制下调基因erg9编码鲨烯合成酶表达促进fpp的积累其次构建半乳糖诱导启动子pgal1控制青二烯合成酶基因ads的酵母表达载体促进fpp转化为青蒿二烯最后从青蒿中分离鉴定出一个全长编码495个氨基酸残基的细胞色素p450基因cyp71av1和催化该酶的nadph细胞色素p450氧化还原酶基因cpr构建半乳糖诱导启动子控制的cyp71av1和cpr共同表达的基因电路实验结果工程酵母细胞炼制工厂合成并向胞外分泌在培养液中积累青蒿酸青蒿酸占酵母干重的45工程酵母发酵45天的生产能力为100mgl其速度比从植物中提取要快将近100倍该代谢电路通用于他汀类药物番茄红素胡萝卜素虾青素赤霉素等具有mev代谢途径和异戊二烯类结构的化合物442高级醇燃料代谢电路设计与从头合成生物能源的问题目前大规模生产并用于车辆的生物能源主要是燃料乙醇和生物柴油燃料乙醇是通过淀粉发酵制备原料是甘蔗玉米等生物柴油是通过脂肪酸的化学甲酯化炼制这两种燃料都存在与人争粮争地导致全球粮食和食品危机引发对生物能源的争议燃料乙醇不是最理想燃料能量密度比汽油低其吸湿性不利贮运高级醇四碳和五碳的能量密度与汽油接近无吸湿性比乙醇挥发性低可替代汽油目前除正丁醇外没有从可再生资源中生产其他高级醇也没有鉴定出从葡萄糖生产高级醇的微生物采用合成生物学策略通过合成代谢电路使微生物生产长链醇将成为新一代的生物燃料高级醇的生物合成过程从生化反应看酮酸由酮酸脱羧酶kdc转化为醛然后由醇脱氢酶adh把醛还原为醇异亮氨酸2酮丁酸2酮3甲基戊酸丙醇2甲基丁缬氨酸2酮异戊酸异丁醇亮氨酸2酮4甲基戊酸3甲基丁醇苯丙氨酸苯基丙酮酸2苯乙醇正缬氨酸2酮基戊酸丁醇高级醇代谢电路设计atsumi等人利用大肠杆菌已有的代谢途径构建了kdc和a
• 美国麻省理工学院的Tom Knight一语道破了基因工程 的困境：“由于缺乏标准化的DNA序列组合技术，使 得每一次DNA组合反应既是解决研究题材的工具，本 身也是一项实验” • 生物工程使用的方法和零件如果能够标准化，就能建 立相容组件的设计库。观念与制造分开后，生物工程 学家才有余力去构思更复杂的装臵，利用更有效的工 具（电脑辅助设计）来控制系统的复杂度
合成生物学国际会议
• 2004年6月：美国MIT，第1届，SB 1.0 • 2005年5月：美国UC-Berkeley，第2届，SB 2.0 • 2007年6月：瑞士，第3届，SB 3.0 • 2008年10月：香港，第4届，SB 4.0 • 2008年5月，北京香山“合成生物学学术研 讨 会”——合成生物学＝下一代的生物技 术
硕士研究生公共课程
现代生命科学与生物技术
合成生物学
化学化工学院 黄磊
第4章合成生物学
ห้องสมุดไป่ตู้
4.1 4.2 4.3 4.4
概述 生物元器件 DNA的合成与元器件装配 合成生物的功能实现
4.1 概述
• 4.1.1 合成生物学的概念 • 4.1.2 合成生物学的发展 • 4.1.3 合成生物学的应用
基因电路的设计与优化
• 生物砖构建基因电路的困难是，把相同功能的 不同生物来源的生物砖集成基因电路后，不一 定具有功能 • 基因电路设计与合成中最大挑战是如何优化， 使基因电路实现相应的生物功能 • 优化方法可以是基于数学模拟的理性设计，也 可以是生物元件的直接进化
–理性设计：生化反应建模 –元件进化：改变元件特性，包括碱基突变、改变 转录和翻译动力学、操纵子的亲和力、转录因子 的共结合活性等， 关键在于对基因电路进化行为 的筛选和效果的评价方法 –理性设计和直接进化的结合，是基因电路设计和 优化的最佳策略
4.3.2 核酸的全化学合成
• 大片段核酸的合成非常重要，是实现合成生物的关键 技术 • 大片段核酸的合成，先化学合成寡核苷酸，然后片段 PCR扩增连接合成全长基因 • 国际上的三家商业化公司，Blue Heron Technology、 DNA 2.0和GENEART，提供数千碱基 DNA的合成业务 • 程序化的微芯片合成DNA是一种非常吸引人的技术， 可望取得突破性进展
合成生物学与生物信息学、化学
• 基因组测序是遗传信息阅读和解码的过程，合成生 物学是测序的逆过程 • 合成生物学对生物信息学（bioinformatics）提出 了更大的挑战，其设计和优化需要新的算法进行模 拟和测试 • 合成生物的过程是以原料核酸的高速合成为基础的， 需要高效、低成本的化学合成技术提供支持 • 目前常规化学方法合成一个碱基核苷酸的商业化价 格是2元左右，新方法有望降低成本
与电子科学中的电路类似，在合成生物学中， 不同功能的生物砖 联接后，能像电路一样 运行，形象地称为基因电路（genetic circuit）
–代谢途径模块可由代谢电路来执行，调 控途径可由调控电路来完成 –基因电路可清楚地图示生物模块的物理 结构和生物功能 –基因电路特点是：具有定量特性，有确 定的应答阈值及明确的反应边界，生物砖 容易被除去、替换、更改；还可实现非自 然的功能
生物砖的设计与优化
• 生化反应的高度抽提：一个反应对应一个酶，一个酶 对应一个基因，即一个生物砖 • 生物砖功能的运行模式：基因表达调控的操纵子模 型，最小包括启动子、核糖体结合位点、生化反应 功能基因、终止子；对于复杂的生物元件， 赋予调 控序列如增强子、衰减子、扩增子等 • 生物砖的优化：对功能基因密码子、启动子、核糖 体结合位点进行优化，使之适应于宿主中的高表达
4.1.3 合成生物学的应用
• 合成生物学的目的是工程应用而非科学研究， 它吸引了更多的工程专家、信息专家共同研究 • 合成生物学的核心观念是，认为生命的所有零 件都能由化学方法来合成制造，进而通过工程 化方式组装成实用的生命 • 合成生物学的研究和实验仍然处在初级阶段
合成生物学的应用领域
• 生物医药领域：改造细胞，生产新型药物；重新设计 更有效、更安全的生物治疗方法 • 生物能源与新材料领域：重新设计生物质路线图，获 取太阳能、清洁燃料和新能源，可降解塑料、碳纳米 管等材料 • 环境领域：设计和合成新功能微生物，用于清除水污 染、清除垃圾、处理核废料等 • 智能计算机与生物传感领域：生物机体的实时检测， 细胞机器人在动脉中检测并清除导致血栓的动脉粥样 硬化物质，探测化学和生物危险物和爆炸物的生物警 报器
合成生物学与基因工程
• 都以基因为操作对象，都需要核酸酶和连接酶作为 剪切和组装的工具，都需要载体来承载基因，进行 扩大繁殖和保存 • 基因工程技术只能在较小的范围内对已经存在的生 命进行改造 • 合成生物学能够将分解的数个功能模块高并行合成 并构建代谢电路，最终得到具有复杂功能的新生命 • 合成生物学研究将降低关键技术成本，解决基因操 作的经济性问题，在工程领域得到广泛应用
4.2.2 合成生物的设计与优化
针对复杂生物系统，合成生物学设计的工程策略： –标准化：是确立基本生物元件的方法、对生物功能的定义和 特征描述；从系统生物学的角度，对基因组序列进行分门别 类有助于定义生物功能 –解耦联：是把复杂问题简单化的过程，把复杂系统解分成具 有独立功能的简单组分，把设计和装配分开， 以便完成设 计后，能有效装配成整体系统 –抽提：是建立元件和模块的层阶，分开和限制各阶层之间的 信息交流，隐藏生物信息和管理的复杂性，形成简化的再设 计的器件和模块，建立可识别界面的元器件库
合成生物学为很多领域的研究提供新视角
• 生物学家：重建不同层次的研究对象，由此 加深对生命活动和生命过程的理解 • 化学家：创造新分子化合物 • 物理学家：发现自然状态下分子的活动行为 • 工程技术科学家：进行药物、生物材料和生 物能源等工程设计与简单、低廉、高效的制 造，满足人类和社会发展的需要
部分基因元件及其对应的的图示
生物部件
生物部件（biological part）是由一个或多 个 基因元件组成，最简单的能行使催化功能 的生 物部件，是完整的编码酶基因表达盒
生物砖
生物砖（biobrick）是标准化的基因元件，是具有 可连接性末端（前后缀）的基因元件 –前后缀分别是两个核酸限制性酶切位点，该末端只 能用于元件之间的连接 –前缀之后依次是测序引物、启动子、核糖体结合 位点、功能基因、翻译终止密码、转录终止子
• 重叠延伸PCR定点突变合成 –4种引物，3轮PCR –优点：突变体回收率高，可在任何位点引入突变，快速简便 –缺点：错误率高，不能有效扩增大片段 • 大引物扩增PCR定点突变合成 –3种引物，2轮PCR –正反向引物具有显著不同的Tm值 –突变效率高，避免了两轮PCR之间的纯化步骤 • 片段PCR连接合成 –多处需要突变 –将基因分为等长、重叠的片段，然后PCR扩增性连接
4.1.1 合成生物学的概念
• 包括人类在内的700多种生物的基因组已经被
测序，在分子水平上研究基因的结构和功能 成为现实 • 合成生物学（synthetic biology）是基于生 命系统的工程技术，旨在设计、构建自然界 不存在的生命或使已存在生命具有新功能 • 合成生物学研究如何设计和构建人工生命， 依靠人工开发的基因密码，按照预定的方式 运行生命
合成生物学与计算机工程的层次比较
4.1.2 合成生物学的发展
• 合成生物学是按照需要设计制造出具有不同性状的基 因，再将这些基因集成到细胞中，形成具有特殊功能 的人造生命 • 1911年7月8日，《柳叶刀》出现“合成生物学” 一词 • 2000年以后，这一学科迅速发展，大量科学家将注意 力转向该领域 • 2004年MIT出版的Technology Review，将合成生物学 评为“将改变世界的十大新技术”之一
PCR的三个步骤为一次循环，约需5-10分 钟。每经一次循环，所找到的目的基因扩
充一倍。经过30次循环，即可扩增109倍，
总共只需几个小时。
4.3.1 基因定向突变合成技术
• 基因突变是指DNA序列中碱基排列顺序的变 化， 包括点突变、易位、倒置、插入、缺失等 • 合成生物学研究中，采用PCR技术，通过序列 的定向突变，可以实现对原始基因序列优化， 合成新的基因功能、基因转录调控区等，从而 满足生物元件的设计要求 • 主要包括重叠延伸PCR定点突变合成、大引物 扩增PCR定点突变合成和片段PCR连接合成
合成生物学的标志性进展
• 长片段DNA合成技术：2004年 • 染色体移植技术：2007年 • 染色体组装技术：2008年1月，美国克雷格· 文特研 究所人工全合成生殖支原体细菌完整染色体（已知 的自然界中基因组最小的生物体：485个基因，58万 个核苷酸；人类：<10万个基因，30亿碱基对） • ―很多技术曾被视为对上帝的挑战，但恐怕没有一个 像合成生物学一样，要面对直接的谴责”，《自然》 杂志2007年写道：“上帝第一次有了对手”——达 尔文式的自然进化世界将被人造世界所取代
合成生物学与系统生物学
• 合成生物学的出现与系统生物学（systems biology）的发展密不可分；都遵从系统论， 对生物系统的整体功能进行研究 • 系统生物学将在基因、蛋白质、代谢物等多 维分子水平获得大量的细胞行为知识和建立 生物网络，为合成生物学提供理论和模型 • 合成生物学可为系统生物学的定量分析提供 模式生物
4.2 生物元器件
• 4.2.1 合成生物的单元 • 4.2.2 合成生物的设计与优化
4.2.1 合成生物的单元—基因元件与生物砖
• 基因（生物）元件（genetic element）：是具有某种特 定的生物学功能的DNA或RNA，是设计和合成生物的基本 单位 • 特性：信号接受和输入功能，信号发送和产物输出功能， 调节信息流、代谢和生物合成的功能，和其他元件相互 作用，具有特定的工作环境 • 可以是功能元件：编码1个/组生化反应酶功能基因/基因 簇 • 也可以是界面调控元件：包括功能基因转录、蛋白质翻译 与修饰、功能酶反应等的调控基因，如复制子、启动子、 阻遏子、诱导子、转录因子、核糖体结合位点、转录终 止子、翻译终止密码、酶切位点、选择标记等
4.2.1 合成生物的单元—生物模块与基因电路
生物模块（biological module）是一组细胞内区 域化的生物器件（biological device），它们由 内在功能联系在一起，执行特定的复杂功能 –细胞内模块往往是具有特定功能的途径，如代谢途 径、信号转导途径、调控途径等 –模块可以由生物砖通过某种逻辑关系构建而成，但 功能必须完全清楚
相关背景
合成生物学是继人类基因组计划研究之后，生物领域 的又一热门学科，是整体系统论生物学思潮在工程学 领域的再现 合成生物学是生物发展到一定阶段随之工程化的必然 趋势 科学家希望能够设计新生物体来满足一些特殊需要: –让细菌吃进纤维素废物，排泄出石油 –把“生物砖”类比于半导体工业中的半导体元件， 组装这些元件，让细胞干我们想让它干的事情 –采用基因工程方法将生物细胞“组装”成实用的机 器或技术
PCR反应系针，分别与目的DNA的正链或负链
的3’末端互补。
（3）DNA聚合酶 通常用Taq DNA聚合酶（高温）
PCR反应分三步完成：
第一步——90度高温下，使混合物的 DNA片段因变形而成单链。 第二步——50度温度下，引物DNA结合 在适于配对的DNA片段上。 第三步——70度温度下，由合成酶 （DNA高温聚合酶）催化，从引物开始 合成目的基因DNA。
4.3 DNA的合成与元器件装配
• 4.3.1 基因定向突变合成技术 • 4.3.2 核酸的全化学合成 • 4.3.3 生物砖的合成与基因电路的集成 • 4.3.4 基因组的合成与装配
PCR——把寻找目的基因和扩 增目的基因两步操作并成一步。
PCR法，又称多聚酶链式反应，是近年
来开发出来的基因工程新技术，它的最 大优点是把目的基因的寻找和扩增，放 在一个步骤里完成。
• 美国麻省理工学院的Tom Knight一语道破了基因工程 的困境：“由于缺乏标准化的DNA序列组合技术，使 得每一次DNA组合反应既是解决研究题材的工具，本 身也是一项实验” • 生物工程使用的方法和零件如果能够标准化，就能建 立相容组件的设计库。观念与制造分开后，生物工程 学家才有余力去构思更复杂的装臵，利用更有效的工 具（电脑辅助设计）来控制系统的复杂度
合成生物学国际会议
• 2004年6月：美国MIT，第1届，SB 1.0 • 2005年5月：美国UC-Berkeley，第2届，SB 2.0 • 2007年6月：瑞士，第3届，SB 3.0 • 2008年10月：香港，第4届，SB 4.0 • 2008年5月，北京香山“合成生物学学术研 讨 会”——合成生物学＝下一代的生物技 术
硕士研究生公共课程
现代生命科学与生物技术
合成生物学
化学化工学院 黄磊
第4章合成生物学
ห้องสมุดไป่ตู้
4.1 4.2 4.3 4.4
概述 生物元器件 DNA的合成与元器件装配 合成生物的功能实现
4.1 概述
• 4.1.1 合成生物学的概念 • 4.1.2 合成生物学的发展 • 4.1.3 合成生物学的应用
基因电路的设计与优化
• 生物砖构建基因电路的困难是，把相同功能的 不同生物来源的生物砖集成基因电路后，不一 定具有功能 • 基因电路设计与合成中最大挑战是如何优化， 使基因电路实现相应的生物功能 • 优化方法可以是基于数学模拟的理性设计，也 可以是生物元件的直接进化
–理性设计：生化反应建模 –元件进化：改变元件特性，包括碱基突变、改变 转录和翻译动力学、操纵子的亲和力、转录因子 的共结合活性等， 关键在于对基因电路进化行为 的筛选和效果的评价方法 –理性设计和直接进化的结合，是基因电路设计和 优化的最佳策略
4.3.2 核酸的全化学合成
• 大片段核酸的合成非常重要，是实现合成生物的关键 技术 • 大片段核酸的合成，先化学合成寡核苷酸，然后片段 PCR扩增连接合成全长基因 • 国际上的三家商业化公司，Blue Heron Technology、 DNA 2.0和GENEART，提供数千碱基 DNA的合成业务 • 程序化的微芯片合成DNA是一种非常吸引人的技术， 可望取得突破性进展
合成生物学与生物信息学、化学
• 基因组测序是遗传信息阅读和解码的过程，合成生 物学是测序的逆过程 • 合成生物学对生物信息学（bioinformatics）提出 了更大的挑战，其设计和优化需要新的算法进行模 拟和测试 • 合成生物的过程是以原料核酸的高速合成为基础的， 需要高效、低成本的化学合成技术提供支持 • 目前常规化学方法合成一个碱基核苷酸的商业化价 格是2元左右，新方法有望降低成本
与电子科学中的电路类似，在合成生物学中， 不同功能的生物砖 联接后，能像电路一样 运行，形象地称为基因电路（genetic circuit）
–代谢途径模块可由代谢电路来执行，调 控途径可由调控电路来完成 –基因电路可清楚地图示生物模块的物理 结构和生物功能 –基因电路特点是：具有定量特性，有确 定的应答阈值及明确的反应边界，生物砖 容易被除去、替换、更改；还可实现非自 然的功能
生物砖的设计与优化
• 生化反应的高度抽提：一个反应对应一个酶，一个酶 对应一个基因，即一个生物砖 • 生物砖功能的运行模式：基因表达调控的操纵子模 型，最小包括启动子、核糖体结合位点、生化反应 功能基因、终止子；对于复杂的生物元件， 赋予调 控序列如增强子、衰减子、扩增子等 • 生物砖的优化：对功能基因密码子、启动子、核糖 体结合位点进行优化，使之适应于宿主中的高表达
4.1.3 合成生物学的应用
• 合成生物学的目的是工程应用而非科学研究， 它吸引了更多的工程专家、信息专家共同研究 • 合成生物学的核心观念是，认为生命的所有零 件都能由化学方法来合成制造，进而通过工程 化方式组装成实用的生命 • 合成生物学的研究和实验仍然处在初级阶段
合成生物学的应用领域
• 生物医药领域：改造细胞，生产新型药物；重新设计 更有效、更安全的生物治疗方法 • 生物能源与新材料领域：重新设计生物质路线图，获 取太阳能、清洁燃料和新能源，可降解塑料、碳纳米 管等材料 • 环境领域：设计和合成新功能微生物，用于清除水污 染、清除垃圾、处理核废料等 • 智能计算机与生物传感领域：生物机体的实时检测， 细胞机器人在动脉中检测并清除导致血栓的动脉粥样 硬化物质，探测化学和生物危险物和爆炸物的生物警 报器
合成生物学与基因工程
• 都以基因为操作对象，都需要核酸酶和连接酶作为 剪切和组装的工具，都需要载体来承载基因，进行 扩大繁殖和保存 • 基因工程技术只能在较小的范围内对已经存在的生 命进行改造 • 合成生物学能够将分解的数个功能模块高并行合成 并构建代谢电路，最终得到具有复杂功能的新生命 • 合成生物学研究将降低关键技术成本，解决基因操 作的经济性问题，在工程领域得到广泛应用
4.2.2 合成生物的设计与优化
针对复杂生物系统，合成生物学设计的工程策略： –标准化：是确立基本生物元件的方法、对生物功能的定义和 特征描述；从系统生物学的角度，对基因组序列进行分门别 类有助于定义生物功能 –解耦联：是把复杂问题简单化的过程，把复杂系统解分成具 有独立功能的简单组分，把设计和装配分开， 以便完成设 计后，能有效装配成整体系统 –抽提：是建立元件和模块的层阶，分开和限制各阶层之间的 信息交流，隐藏生物信息和管理的复杂性，形成简化的再设 计的器件和模块，建立可识别界面的元器件库
合成生物学为很多领域的研究提供新视角
• 生物学家：重建不同层次的研究对象，由此 加深对生命活动和生命过程的理解 • 化学家：创造新分子化合物 • 物理学家：发现自然状态下分子的活动行为 • 工程技术科学家：进行药物、生物材料和生 物能源等工程设计与简单、低廉、高效的制 造，满足人类和社会发展的需要
部分基因元件及其对应的的图示
生物部件
生物部件（biological part）是由一个或多 个 基因元件组成，最简单的能行使催化功能 的生 物部件，是完整的编码酶基因表达盒
生物砖
生物砖（biobrick）是标准化的基因元件，是具有 可连接性末端（前后缀）的基因元件 –前后缀分别是两个核酸限制性酶切位点，该末端只 能用于元件之间的连接 –前缀之后依次是测序引物、启动子、核糖体结合 位点、功能基因、翻译终止密码、转录终止子
• 重叠延伸PCR定点突变合成 –4种引物，3轮PCR –优点：突变体回收率高，可在任何位点引入突变，快速简便 –缺点：错误率高，不能有效扩增大片段 • 大引物扩增PCR定点突变合成 –3种引物，2轮PCR –正反向引物具有显著不同的Tm值 –突变效率高，避免了两轮PCR之间的纯化步骤 • 片段PCR连接合成 –多处需要突变 –将基因分为等长、重叠的片段，然后PCR扩增性连接
4.1.1 合成生物学的概念
• 包括人类在内的700多种生物的基因组已经被
测序，在分子水平上研究基因的结构和功能 成为现实 • 合成生物学（synthetic biology）是基于生 命系统的工程技术，旨在设计、构建自然界 不存在的生命或使已存在生命具有新功能 • 合成生物学研究如何设计和构建人工生命， 依靠人工开发的基因密码，按照预定的方式 运行生命
合成生物学与计算机工程的层次比较
4.1.2 合成生物学的发展
• 合成生物学是按照需要设计制造出具有不同性状的基 因，再将这些基因集成到细胞中，形成具有特殊功能 的人造生命 • 1911年7月8日，《柳叶刀》出现“合成生物学” 一词 • 2000年以后，这一学科迅速发展，大量科学家将注意 力转向该领域 • 2004年MIT出版的Technology Review，将合成生物学 评为“将改变世界的十大新技术”之一
PCR的三个步骤为一次循环，约需5-10分 钟。每经一次循环，所找到的目的基因扩
充一倍。经过30次循环，即可扩增109倍，
总共只需几个小时。
4.3.1 基因定向突变合成技术
• 基因突变是指DNA序列中碱基排列顺序的变 化， 包括点突变、易位、倒置、插入、缺失等 • 合成生物学研究中，采用PCR技术，通过序列 的定向突变，可以实现对原始基因序列优化， 合成新的基因功能、基因转录调控区等，从而 满足生物元件的设计要求 • 主要包括重叠延伸PCR定点突变合成、大引物 扩增PCR定点突变合成和片段PCR连接合成
合成生物学的标志性进展
• 长片段DNA合成技术：2004年 • 染色体移植技术：2007年 • 染色体组装技术：2008年1月，美国克雷格· 文特研 究所人工全合成生殖支原体细菌完整染色体（已知 的自然界中基因组最小的生物体：485个基因，58万 个核苷酸；人类：<10万个基因，30亿碱基对） • ―很多技术曾被视为对上帝的挑战，但恐怕没有一个 像合成生物学一样，要面对直接的谴责”，《自然》 杂志2007年写道：“上帝第一次有了对手”——达 尔文式的自然进化世界将被人造世界所取代
合成生物学与系统生物学
• 合成生物学的出现与系统生物学（systems biology）的发展密不可分；都遵从系统论， 对生物系统的整体功能进行研究 • 系统生物学将在基因、蛋白质、代谢物等多 维分子水平获得大量的细胞行为知识和建立 生物网络，为合成生物学提供理论和模型 • 合成生物学可为系统生物学的定量分析提供 模式生物
4.2 生物元器件
• 4.2.1 合成生物的单元 • 4.2.2 合成生物的设计与优化
4.2.1 合成生物的单元—基因元件与生物砖
• 基因（生物）元件（genetic element）：是具有某种特 定的生物学功能的DNA或RNA，是设计和合成生物的基本 单位 • 特性：信号接受和输入功能，信号发送和产物输出功能， 调节信息流、代谢和生物合成的功能，和其他元件相互 作用，具有特定的工作环境 • 可以是功能元件：编码1个/组生化反应酶功能基因/基因 簇 • 也可以是界面调控元件：包括功能基因转录、蛋白质翻译 与修饰、功能酶反应等的调控基因，如复制子、启动子、 阻遏子、诱导子、转录因子、核糖体结合位点、转录终 止子、翻译终止密码、酶切位点、选择标记等
4.2.1 合成生物的单元—生物模块与基因电路
生物模块（biological module）是一组细胞内区 域化的生物器件（biological device），它们由 内在功能联系在一起，执行特定的复杂功能 –细胞内模块往往是具有特定功能的途径，如代谢途 径、信号转导途径、调控途径等 –模块可以由生物砖通过某种逻辑关系构建而成，但 功能必须完全清楚
相关背景
合成生物学是继人类基因组计划研究之后，生物领域 的又一热门学科，是整体系统论生物学思潮在工程学 领域的再现 合成生物学是生物发展到一定阶段随之工程化的必然 趋势 科学家希望能够设计新生物体来满足一些特殊需要: –让细菌吃进纤维素废物，排泄出石油 –把“生物砖”类比于半导体工业中的半导体元件， 组装这些元件，让细胞干我们想让它干的事情 –采用基因工程方法将生物细胞“组装”成实用的机 器或技术
PCR反应系针，分别与目的DNA的正链或负链
的3’末端互补。
（3）DNA聚合酶 通常用Taq DNA聚合酶（高温）
PCR反应分三步完成：
第一步——90度高温下，使混合物的 DNA片段因变形而成单链。 第二步——50度温度下，引物DNA结合 在适于配对的DNA片段上。 第三步——70度温度下，由合成酶 （DNA高温聚合酶）催化，从引物开始 合成目的基因DNA。
4.3 DNA的合成与元器件装配
• 4.3.1 基因定向突变合成技术 • 4.3.2 核酸的全化学合成 • 4.3.3 生物砖的合成与基因电路的集成 • 4.3.4 基因组的合成与装配
PCR——把寻找目的基因和扩 增目的基因两步操作并成一步。
PCR法，又称多聚酶链式反应，是近年
来开发出来的基因工程新技术，它的最 大优点是把目的基因的寻找和扩增，放 在一个步骤里完成。