合成生物学

15.3.4 构建多细胞体系 多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基
础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。
群体效应：微生物通过自身产生的一种化学 信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的 行为。
细菌QS系统作用 细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围
环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到 一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表 达来适应环境中的变化。
枯草芽胞杆菌利用QS系统对细胞的发育进行调控 当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展； 营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。
15.4 展望
2004年合成生物学被美国MIT出版的《技术评论》评为“将改变世 界的10大新技术之一”。
美国生物经济研究协会2007年发表了题为《基因组合成和设计未来： 对美国经济的影响》的研究报告。
生命体代谢途径的重新构建
微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用E.
coli生产1000多种人类蛋白。
代谢途径改造----调节核心组件优化途径 不同的生物学途径提取出来 优化整合到宿主细胞 合成目标化学物质
1. 生物质能和乙醇发酵微生物
E. Coli 的乙醇代谢重组菌：
具有五碳糖和六碳糖代谢酶系 混合酸发酵 乙醇耐受能力低
目的在于设计和创造新的生物组件和体系，对现 有的生物体系进行重新设计。从基本的生物组件构 建复杂的人工生命体系，对整个生命过程进行重新 设计、改造、构建。
合成生物学包含工程学的理念，任何一个生命体系 可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。
2. 研究方式和工具
合成生物学工程化三原则：
葡萄糖、蔗糖、纤维二搪
葡萄塘、蔗糖、纤维二糖
酵母的乙醇代谢工程
酿酒酵母是工业上生产乙醇的优良菌株，与细菌相比 具有较高的乙醇耐受力，对纤维素水解液中的抑制物有较 高的抗性。 缺点
酿酒酵母缺乏木糖转化为木酮糖所需的酶，因而不能 利用木糖，但它能利用木酮糖。 对其菌种改造涉及木糖跨膜运输、吸收利用、磷酸戊糖途径、 糖酵解及胞内氧化还原状态的维持等多个方面。
1.人工构建合成生命体 2002年 Wimmer小组脊髓灰质炎病毒的合成 Venter 合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组
Venter的实验
三个步骤：合成、组装和移植
合成 ：
蕈状支原体的基因组是一条大片段的DNA分子，序列是 A、T、G、C四种脱氧核糖核苷酸的排列组合。
通过实验确定维持其生命周期的最小基因组，并加上4个 “水印基因”作为标记。
由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就, Keas ling 被美国“发现”杂志评选为2006 年度最有影 响的科学家。
该项目已经获得比尔- 梅林达盖茨基金会4300 万美元的资助, 进行进一步的实验室研究、中试、 临床实验等后续工作。
3. 代谢途径的快速进化 基因突变
改造代谢途径
生产目标化合物
Church 对20种番茄红素合成有关的基因进行突变； 将突变的90个DNA片段，转入大肠杆菌； 3天内产生了150亿基因突变体； 从中筛选到使番茄红素产量提高5倍的基因。
改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。
最小基因组优点
选择性的保留所需的代谢途径和功能； 成为合成基因网络理想的容器； 为插入模块提高最简单无干扰的环境。
理想的细胞底盘应具备的条件 ① 长期培养中保持基因稳定 ② 能够在低营养培养基中生长以降低成本 ③ 同时协调多基因的表达 ④ 能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径
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合成生物学
简介
内容
1. 合成生物学的概念 2. 研究方式和工具 3. 合成生物学的研究方向
合成生物学(synthetic biology) 基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生 物系统研究，从基因片段、DNA分子、基因调控 网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成， 类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方 法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域， 合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成 系统生物技术的方法基础。
移植：
Venter等把这个合成基因组移植到不含限制性酶切系 统的山羊支原体中，基因组能使用后者的酶系统进行 自我复制，经过多代繁殖后，长成的菌落已经纯粹由 蕈状支原体组成。
丝状支原体
《用化学合成的基因组构建一个细菌细胞》
2. 最小基因组的构建
Blattnerj小组删除大肠杆菌基因组的15% （高达82Kb）, 细菌仍保持了良好的生存状态。
大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题
1. 大肠杆菌乙醇耐受能力低
2. 乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中的表达 研究不够充分
3. 竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效的转化 成乙醇
2. 青蒿酸合成线路的设计构建
中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯 药物。
Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成 青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌 中，改造获的E. coli 青蒿酸的产量300mg/L。
4. 利用合成生物学生产新能源 Kaslling利用13个可逆的酶促反应组合起来创
建一条非天然的催化路径。
淀粉 + 水 H2
最小基因组与合成生物学 合成生物学最终目标： 合成独立的可遗传的人工生命体
人工生命的基本要素 具有膜系统 能进行新陈代谢 具有自己的基因
研究最简化生命的两种方法 1. 从下而上：从核苷酸合成新生命体。 2. 从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。
用计算机精确计算需要合成DNA分子序列，并用化学方 法合成A、T、G、C碱基，并使其按所要求序列延伸。
这是它被称为“人造生命”或者“化学合成”的关键。 Venter用化学方法合成了一千多个约1kb的DNA片段，
作为这次组装的基本材料。
组装：
因为合成生物学技术上的局限，不能直接合成上万碱 基对的DNA大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒 酵母和大肠杆菌的帮助，把1Kb的DNA分子有序准确 的连成超过1000kb的片段。
标准化 抽象化 复杂系统去偶合
源自文库
Drew Endy (MIT)
标准化
从可更换的部件库，快速构建多组分体 系，包括建立生物学功能、试验的检测条 件及系统做出等通用、便捷的标准。
不同部件间要进行标准化来实现“即插 即用”的性能。
2003 MIT成立了标准生物部件登记处， 数据库收集了3200个标准化生物学部件。
麻省理工学院计算机工程师
细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。 该项研究可用来探测地雷位置：
靠近地雷时细菌发绿光； 远离地雷时则发红光。
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酵母的木糖代谢工程
大肠杆菌的乙醇代谢工程
EMP
大肠杆菌的乙醇代谢工程
主要优势 大肠杆菌能够利用非常广泛的碳源，其中包
括六碳糖(葡萄糖，果糖)和五碳糖(木糖，阿拉伯 糖)以及糖酸等物质，这一特性使得大肠杆菌能 利用木质纤维素降解产生的各种糖类，同时又由 于大肠杆菌遗传背景清楚，因此在原核微生物乙 醇代谢工程以及木质纤维素的高效利用中具有重 要的研究价值。
可发酵的主要底物
葡萄糖、果糖、半乳塘、麦芽糖、麦芽三糖和 木酮糖 葡萄糖、果糖、半乳塘、麦芽糖、麦芽三糖和 木酮糖 葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖 葡萄糖、木糖 葡萄糖、半乳糖、乳糖 葡萄糖、半乳糖、乳糖 葡萄糖、木糖 葡萄糖、木糖 葡萄糖、半乳糖、乳糖 葡萄糖、木糖、木酮糖 葡萄糖、木糖
葡萄糖、果糖和蔗糖 葡萄糖、纤维二糖和纤维素 葡萄糖、木糖、蔗糖、纤维二糖淀粉
用途：调节基因表达和蛋白质功能。
1） 基因拨动开关 e.g. E. coli
诱导物B
阻遏物 B 启动子A
报告基因
启动子B 阻遏物A
诱导物A
通过加入不同的诱导物实现开关在两个稳定态之 间的转换。
状态转换具有滞后性，具有记忆功能。
2）基因振荡器
FT1激活它本身和FT2； FT2过量，会抑制FT1
绿色植物和海洋藻类合成的有机物（生物质）约 2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍。
可用于发酵生产乙醇的部分微生物及其主要底物
酵母或细菌 酵母 酿酒酵母 (S. cervisiae)
卡尔斯伯酵母 (S. carlsbergensi)
鲁氏酵母 (S. riuxii)〔嗜高渗透压) 粟酒裂殖酵母 (S. pombe) 胞壁克鲁维酵母 (K. fragilis) 乳酸克鲁维酵母 (K.lactis) 嗜单宁管囊酵母 (P. tannophilus) 休哈塔假丝酵母 (C. shehatae) 假热带假丝酵母 (C. pseudotropicalis) 热带假丝酵母(C. tropicalis) 树干毕赤酵母 (P. stipitis) 细菌 运动发酵单胞菌 (Zymomonas mobilis) 热纤维梭菌 (C. Thermocellum) (嗜热) 热硫化氢梭菌 (C. Thermohydrosulfricum) (嗜热) 布氏热厌氧菌(Thermoanaerobium brickii) (嗜热) 乙酞乙基热厌氧杆菌 (Thermobacterium acertoethylic us )
http://partsregistry.org
Standard Assembly
抽象化：将生物功能单元划分为不同层次。 DNA、RNA、蛋白质、代谢物 相互作用 系统
复杂系统去偶合
将一个复杂的问题分解成若干可操作的 独立的简单问题。
标准生物部件 具有特定生物学功能的基因编码元件
启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序 列、终止子
将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功能的生 物系统。
器件 device
生物部件 part
模块 module
系统
system
合成生物学的研究方向
1、创建新的基因调控模块和线路
各种蛋白质、DNA、RNA的相互作用形成复杂的 表达调控网络。通过构建非天然的基因调控模块 设计构建细胞生命活动的分子网络。