合成生物学讲幻灯片

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合成生物学是指人们将“基因”连接成网络，让细 胞来完成设计人员设想的各种任务。
TNT-生物传感器 该研究可用来探测地雷位置
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由DNA重组技术到合成生物学
理念：为细胞编写“基因软件” 自然演化的有机体（即生物学家所谓的“生命1.0版本”）的基
因组图谱正在以前所未有的速度被绘制完成，而其中的遗传密码 也将被逐渐解开。合成生物学家认为，他们可以利用这些已知信 息来设计、打造新生命形式。
现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。
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合成生物学开辟了设计生命的前景
一方面有可能合成模仿生命物质特点的人工 化学系统；
另一方面也可能重新设计微生物
– 如Keasling 实验室向大肠杆菌中导入青蒿与酵 母的基因，使大肠杆菌能在调节下合成青蒿素， 从而显示了有效而价廉的治疗疟疾的前景
– 合成生物学今后将能生成自然界不存在实验室研究向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添 入新组份，使之能通过基因生成非天然的氨基酸，结果取得 了成功。但是要在真核细胞做到这一点还有难度。
2003年，Schultz 实验室报道了一种向酵母加 入非天然氨 基酸密码子的方法，成功地向蛋白质中导入了5 种氨基酸。
目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已有80多种。 今后将可以直接向蛋白质导入顺磁标记、金属结合、光 敏异构化等的氨基酸，促进蛋白质结构与功能的研究。
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φX174噬菌体合成步骤示意图
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合成生物学国际会议
2004 年6 月在美国麻省理工学院举行了第一届 合成生物 学国际会议。
会上除讨论了科学与技术问 题外，还讨论了合成生物学 当前与将来的生物学风险，有关伦理学问题，以及知识产权 问题。
随着这个领域的发展，对于合成生物学的安全性的考虑 愈来愈多。
②DNA重组技术 转基因生物
物种资源 基因资源
③合成生物学
①1828年，德国化学家 Wohler人工合成了存在 于生物体内的一种有机
物质尿素，从而打破了
“生命”与“非生命” 之间的物质壁垒。
②1960，我国科学家首 次合成了具有生物活性 的蛋白质-胰岛素。
③当人类进入基因组和后基
因组时代，科学家正在为人
工合成生命而努力。有活性 的X174噬菌体和脊髓灰质炎 已被科学家先后合成。
④ Mycoplasma laboratorium （实验室合成支原体）
⑤人工生命 (AL:Artificial life)
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人工合成脊髓灰白质炎病毒cDNA
美国纽约大学Wimmer 实验室于2002年报 道了化学合成 脊髓灰白质炎病毒cDNA，并用 RNA聚合酶将它转成有感染活力的病毒RNA。
在过去，遗传工程一直拘囿于对已有的遗传密码进行简单修补 改造，比如从一种细菌中提取一个基因，然后植入玉米或猪的染 色体。而合成生物学所要打造的生命种类是全新的——它不是任 何一个原始母细胞的后裔，也没有哪个物种是它的祖先。其实在 本质上，这是一个逆自然的过程。
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生物资源研究的三个层次
①物种生物学
一亿种:140万种 (占1.4% )
Φ X- 174 噬菌体对动植物无害，是合适的合成研究对象。
美国Venter 实验室将合成基因组的工作进行了改进， 该实验 室只用两周就合成了Φ X-174 噬菌体基因 (5,386bp) 。 Venter实验室的技术改进主要有：
– (1)用凝胶来提纯寡核苷酸以减少污染； – (2) 严格控制退火连接温度来防止与不正确的序列发生连接； – (3)采用聚合酶循环装置来装配连结产物。
这一研究开辟了利用已知基因组序列，不需要天然模板， 从化合物单体合成感染性病毒的先河。
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Wimmer从装配平均长度为69 bp的寡核苷酸 入手，结合了化学合成与无细胞体系的从头 合成，用了3 年时间完成了这个划时代的工作。
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Venter 实验室的合成基因组实验
Φ X-174 噬菌体基因是单链环状 DNA，是历史上第一个被纯 化的DNA 分子，也是第一个被测序的DNA分子。
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J. Craig Venter：基因组替换技术
成功利用基因组取代技术，将一种细菌改变为另 一种与之亲缘关系较为紧密的另一细菌。
这种由J. Craig Venter 进行的 “移植(transplantation)”技术， 有望将合成基因组插入细胞，用于生产合成生命。
– 用Mycoplasma mycoides的基因组取代与之关系密切的 Mycoplasma capricolum的基因组
– C. Lartigue et al. "Genome transplantation in bacteria: Changing one species to another" Science, June 28, 2007.
合成生物学
Synthetic biology
(概念、原理、应用)
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合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现 的一个分支学科。
与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构 造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相 反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部 件。
与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转 移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在 于建立人工生物系统（artificial biosystem），让 它们像电路一样运行。
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合成生物学带来的控制生命系统
目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，研制 不同的基因线路———即特别设计的、相互影响的 基因。
波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种 “套环开关”，所选择的细胞功能可随意开关。
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维斯和阿诺尔（加州理工学院化学工程师）一起， 采用“定向进化”的方法，精细调整研制线路，将 基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。
维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程
– 促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞 等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。
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埃罗维茨（加州大学生物学和物理学教授）等人研 究出另外一种线路：
– 当某种特殊蛋白质含量发生变化时，细胞能在发光状 态和非发光状态之间转换，起到有机振荡器的作用， 打开了利用生物分子进行计算的大门。