合成生物学讲幻灯片
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2
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
3
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。
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。
4
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% )
合成生物学
Synthetic biology
(概念、原理、应用)
1
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Leabharlann Baidu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。
8
φX174噬菌体合成步骤示意图
9
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。
15
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
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。
– C. Lartigue et al. "Genome transplantation in bacteria: Changing one species to another" Science, June 28, 2007.
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。
14
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。
11
应用示例
Schultz 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。
现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。
10
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的新 的微生物。
12
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。
13
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。
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。
6
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。
7
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。
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)
5
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。
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
3
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。
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% )
合成生物学
Synthetic biology
(概念、原理、应用)
1
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Leabharlann Baidu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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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。
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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
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。
– C. Lartigue et al. "Genome transplantation in bacteria: Changing one species to another" Science, June 28, 2007.
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。
14
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。
11
应用示例
Schultz 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。
现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。
10
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的新 的微生物。
12
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。
13
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。
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。
6
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。
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。