合成生物学相关文献(免费共享)

合成生物学相关文献（免费共享）
摘要：通过将组成生物系统的各类单元模块化、标准化，合成生物学希望达成一种新的生物技术发展模式：即从主要开发里欧那个天然生物系统既有功能，变为用人工设计合成的生物系统来完成天然系统不能完成或者完成效率低的功能。

合成生物学通过开展生物元件或者器件、生物途径等多个层次的工程化研究来实现上述目标。

◆综述:
1.Boyle PM,Silver PA.2009. Harnessing nature’s toolbox: regulatory elements for
synthetic biology. J R Soc Interface, doi；10.1098.rsif.f8.0521.focus
2.McArthur IV GH，Fong SS.2010. Toward engineering synthetic microbial
metabolism. J Biomed Biotechnol,doi:10.1155/2010/459760。

综述了元器件工程（components engineering）、和途径工程（pathway engineering）的进展。

3.Andrianantoandro E,Basu S,Karig D,et al.2006.Synthetic biology:new engineering
rules for an emerging discipline. Mol Syst Biol,2:14-27。

◆合成生物学元器件工程：
利用不同调控机制的人工调控器件:
4.Boyle PM,Silver PA.2009. Harnessing nature’s toolbox: regulatory elements for
synthetic biology. J R Soc Interface, doi；10.1098.rsif.f8.0521.focus。

系统的综述了国际上相关工作研究:细胞中的转录调控、RNA调控、蛋白质信号转导等生物调控机制都已经被成功的用于构建合成生物调控元件。

转录调控
5.Elowitz MB，Leibler S.2000. Asynthetic oscillatory network of transcriptional
regulators. Nature,403:335。

基于转录调控的合成调控器件：基因振荡器
6.Stricker J,Cookson S,Bennett MR, et al.2008. A fast, robust and tunable
synthetic gene oscillator. Mature 456：
基因振荡器
7.Ajo-Franklin CM, Drubin DA, Eskin JA, et al. 2007.Rational design of memory in
eukaryotic cells. Genes Dev,21:2271-2276。

对输入信号具有永久“记忆”功能的转录调节单元。

8.Friedlland AE,Lu TK et al.2009. Synthetic gene networks that count.
Science,324:1199-1202。

计数器
RNA的调控：
9.Isaacs FJ,Dwyer DJ,Collins JJ.2006. RNA Synthetic biology. Nat
biotechnol,24:545-554。

位于5‘非翻译区（UTR）的Riboswitch可作为小分子感受器，用于小分子信号调控蛋白质的翻译。

10.Win MN, Smolke CD.2008. Higher-order cellular information processing with
synthetic RNA devices. Science 322:456-460。

Riboswitch区域还可以和核酶相连，通过小分子控制核酶的催化功能。

11.Bayer TS,Smoke CD.2005. Programmable ligandcontrolled riboregulators of
eukaryotic gene expression. Nat Biotechnol,23:337。

利用Riboswitch可设计感受单种小分子信号的“翻译开关”，在特定小分子存在时候实现（或解除）对特定mRNA的翻译机制，还可以实现用多种小分
子信号的组合输入来调控蛋白质表达水平。

12.Rinaudo K，Bleris L，Maddamsetti R，et al.2007. A universal RNAi-based logic
evaluator that operates in mammalian cells. Nat Biotechnol,25。

设计验证了小干扰RNA（siRNA）的组合逻辑调控能力，同一阻遏蛋白由两种具有不同UTR区的mRNA编码，只有当良好总相应的siRNA同时存在时候，其下游基因的抑制才能被解除。

13.Swinburne IA, Miguez DG, Landgraf D,et al.2008. Intron length increases
oscillatory periods of gene expression in animal cells. Genes Dev,22；2342。

在高等真核生物中，内含子也可以是mRNA层次调节的重要途径。

内含子可能调控的机制之一，是增长mRNA的成熟时间，延长蛋白质表达。

Swinburne 等用一个内含子和自抑制回路的人工基因器件验证了该器件能够产生脉冲式的基因表达，并且脉冲的频率依赖于内含子的长度。

信号转导蛋白调控：
14.Moglich A, Ayers RA，Moffat K.2009. Design and signaling mechanism of
light-regulated histidine kinases. J Mol Biol, 358:1433-1444。

Moglich等用感光的LOV结构域（PAS结构域的一个亚家族）替换了一种天然组氨酸激酶中感受氧分压的LOV结构域，成功合成了一种人造感光信号蛋白。

15.Koide S.2009. Generation of new protein functions by nonhomologous
combinations and rearrangements of domains and modules. Curr Opin Biotechnol,20。

综述了近年来通过结构域重排获得新的功能的蛋白质，特别是新的结合蛋白、分子开关蛋白的研究进展。

元器件的模块化、通用性、多样化:
16.Skerker JM, Perchuk BS, et al.2008. Rewiring the specificity of two-component
signal transduction systems. Cell,133:1043-
等用细菌双组分系统，展示了仅仅通过两个界面残基的突变，就能改变上游组氨酸激酶和下游效应分子的连接特异性，从而改变了信号通路。

但不破坏相应的调节、调控或者催化功能。

17.Bhattacharyya RP,Remenyi A,Yeh BJ,et al.2006. Domains,motifs,and scaffolds:the
role of modular interactions in the evolution and wiring of cell signaling circuits.
Annu Rev Biochem,75。

新的相互作用特异性还可以通过在上下游分子中分别引入的“插座”
（adaptor）结构域、能够被adaptor特异性识别的配体结构域实现。

Lim等用这一策略改造了MAPK激酶信号传导通路中脚手架蛋白的adaptor结构域，实现了真核细胞中信号通路的重连接。

18.Ellis T,Wang X,2009. Diversity-based，modelguided construction of sysnthesic
gene networks with predicted functions. Nature Biotechnol,27。

除了相互作用的特异性以外，相互连接的上下游部件之间的输入输出强度不匹配，也是部件之间不能协同工作的原因，Ellis等通过构建启动子文库，获得一系列有不同定量特性（转录活性）的启动子，实现对其定量测试。

在后续设计的调控网络中，依据数学模型，直接选择使用具有所要求的定量特性的启动子元件。

这一工作很好的战士了合成生物学通过序列变化产生有多样化定量特性的同类功能元件，以及模块化构建复杂生物系统的研究策略。

人工器件的设计与筛选
19.Koide S.2009. Generation of new protein functions by nonhomologous
combinations and rearrangements of domains and modules. Curr Opin Biotechnol,20。

在相关天然蛋白结构序列数据较为充分的情况下，合理设计有可能把对连接片段的筛选范围缩小至数十种，对结构域界面的筛选范围缩小到数个氨基酸为点突变。

20.Mandell DJ，Kortemme T.2009. Computer-aided design of functional protein
interactions. Nat Chem Biol,5:797
目前，在蛋白质天然结构框架上从头设计新的相互作用尽管已经取得很大的进展，但很大程度上还受到理论模型精度不足的限制。

对一些蛋白质家族，如细菌双组份信号转导蛋白、DNA结合结构域等，对其序列、结构、进化信息的分析有可能让我们判别其像话作用界面剂界面上对像话作用特异性有决定性影响的残基。

对这些位置的序列进行设计或者有限的随机突变可获得新的相互作用特异性。

人工调控元件用于研究天然调控系统
21.Kornmann B，Currie E，Collins SR，et al.2009. An ER-Mitochondria tethering
complex revealed by a synthetic biology screen. Science,325。

用人工构建的、包含线粒体膜结合结构与和内质网膜结合结构域的人工蛋白导入酵母细胞，用遗传互补的方法发现了内源线粒体-内质网系连复合物。

◆合成生物学途径工程
途径设计
22.Prather KLJ, Martin CH.2008. De novo biosynthetic pathways: rational design of
microbial chemical factories. Curr Opin Biotechnol,19:468。

提出，可用三种不同的策略在一种细胞中引入新的生物合成途径。

首先，可从不同来源物种独立获得途径中的各个部分，置于同一宿主中。

例如：23.Nakamura CE, Whited GM.2003. Metabolic engineering for the microbial
production of 1,3-propanediol. Curr Opin Biotechnol,14。

第一种：在大肠杆菌中的1，3-丙二醇合成途径，就是用分别来源于肺炎克氏杆菌和酿酒酵母的部分代谢途径组装的。

又如Keasling等在酵母菌中构建的青蒿素合成途径，就是利用了青蒿中的部分代谢途径（amorphadiene 合成酶）。

24.De Boer AL,Schmidt-Dannert C.2003. Recent efforts in engineering microbial
cells to produce new chemical compounds. Curr Opin Chem Biol,7
第二种：可对宿现有途径中的酶进行修饰改造，改变其底物专一性，让其作用于新的代谢中间体或者产物。

最后一种：上述两种方法结合起来，利用独立来源的各部分形成新的代谢途径，对其中的酶进行改造甚至涉及新的催化分子，形成真正的“全新”的生物合成途径。

不过目前为止，例子很少，因为理论上可能生物转化途径很多，但要从自然界中找到适于催化预设的生物转化过程的酶并不容易，能够针对特定生物转化目标，涉及转化路径并从大量天然酶中挑选适于催化个步骤的候选酶的工具已经出现。

25.Chou CH,Chang WC,Chiu CM,et al.2009. FMM:a web server for metabolic
pathway reconstruction and comparative analysis. Nuc Acids Res,37。

互联网工具From Metabolite to Metabolite(FMM)能够根据用户输入的代谢反应物和终产物，构建由已知酶催化步骤组成的可能途径。

26.Prather KLJ, Martin CH.2008. De novo biosynthetic pathways: rational design of
microbial chemical factories. Curr Opin Biotechnol,19:468。

Retro-Biosynthesis Tool(ReBiT)提供了能够催化不同类型官能团转化的酶促过程的数据库及相应的检索工具。

途径合成
27.Czar MJ,Anderson JC, Bader JS,et al.2009. Gene synthesis demystified. Trends
Biotechnol,27:63-72。

综述了目前的基因合成策略。

28.Engler C，Gruetzner R，Kandzia R，et al.2009. Golden gate shuffling: a one-pot
DNA shuffling method based on typeⅡrestriction enzymes. PLoS ONE,4:e5553。

Golden gate shuffling利用第二类限制性内切酶，可以一步将多个组件连接到一起。

29.Shetty RP, Endy D, Knight Jr TF.2008. Engineering BioBrick vectors from BioBrick
parts. J Biol Eng，2: article 5。

设计了一种标准的拼接方法，简化了元器件的组装过程：每一个元件DNA 都带有韩特定酶切位点的前缀序列和后缀序列，前后两个元件拼接后形成的新的组合序列保留原来的前缀序列和后缀序列。

标准的3A BioBricks 组装方法可将两条带标准前缀序列和后缀序列的序列连接并插入到质粒，而无需额外的酶切片段分离等步骤。

30.Quan J, Tian J.2009. Circular polymerase extension cloning of complex gene
libraries and pathways. PLoS ONE，4:e6441.
CPEC完全利用质粒和组件之间的重叠片段，完全借助聚合酶链式反应进行拼装，避免了酶切、连接等步骤。

他提供了一种将多包含多个积阴德长片段克隆到质粒上，或者构建多个组件组合的质粒文库的高效方法。

途经分析与调控:
目的是将细胞内代谢流最大限度的引导到目标生物转化过程，同时尽可能的减少外源人工途径对细胞的不利影响。

31.Ro DK, Paradise TM, Ouellet M,et al. 2006. Prodution of the antimalarial drug
precursor artemisinic acid in engineered yeast. Nature,440；940。

Keasling 等在酵母中导入amorphadiene合成酶后酵母就可以产生青蒿素，但产率很低。

通过调节法呢基焦磷酸合成途径中多个基因的表达水平，Keasling 等将酵母中青蒿素的合成产率提高了500倍。

32.Varma A,Palsson.1994. Stoichiometric fulx balance models quantitatively
predict growh and metabolic by-product secretion in wide-type Escherichia coli W3110. Appl Environ Microbiol，60:。

流量平衡分析（FBA）是一种能够在基因组水平研究流量分布于代谢网络结构关系的模拟工具。

33.Fell DA.1997. Understanding control of metabolism. London,UK:Portland Press
代谢控制分析（MCA）是分析代谢网络的另一个工具。

MCA需要用到网络中
所有酶的动力学参数，能够用控制系数来代表途径中每个酶对总体流量的控制力的大小，缺点是缺乏多数酶的动力学参数，无法应用于基因组水平的代谢分析。

34.Ajo-Franklin CM, Drubin DA, Eskin JA, et al. 2007.Rational design of memory in
eukaryotic cells. Genes Dev,21:2271-2276.
Genes Dev,21:2271-2276。

在FBA的指导下删除某些内源基因，也可达到增大目标代谢流量的目的。

35.Alper H,Jin YS,Moxley JF,et al.2005. Identifying gene targets for the metabolic
engineering of lycopene biosynthesis in Escherichia coli. Metab Eng,7:155-164。

Alper等将这一策略应用于大肠杆菌产生番茄红素。