课件1-系统生物学与合成生物学

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系统生物学-第一章-系统生物学概况PPT课件

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DNA样本来自冰岛大约600个人,分别于1991年和2002 年至2005年间采得。研究人员测量了111个样本中每个 样本的DNA甲基化总量,并比较了同一个人的采自 2002年至2005年间和1991年的DNA甲基化总量。
结果发现,在这大约11年的时间跨度中,大约三分之 一个体的甲基化量发生了变化。不过变化的方向并不 一致——一些人的甲基化总量增加,另一些人的则发 生丢失。
数学的描述 F=ma E=MC2
生物学的描述
.
数学的描述

51
Lunfish (dipnoi)
40
非编码RNA: 复杂性的源泉
.
41
后基因组时代
.
42
后基因组时代的生命观:复杂系统
酵母的基因功能网络
.
43
后基因组时代的生命观:复杂系统
细 胞 信 号 转 导 网 络
.
44
后基因组时代的生命观:复杂系统
神经网络
.
45
人类基因组终生在变化
美国约翰霍普金斯大学医学院研究了个体的基因组内 的DNA甲基化变化。
英国10K项目是, Wellcome Trust在三年内支持1000 万英镑,测定10000个人的基因组序列,旨在找出 与肥胖和精神分裂症等疾病相关的罕见基因变异。
4000名英国人的全基因组序列,其中一半是针对英国的双 胞胎来进行的,另一半则是针对父母与子女来开展。
6000个人则只是测定其外显子序列。参与外显子测序的人 都得有“特别突出的表型”,这样就有利于将某一多基因相 互作用疾病定位到特定的基因上。其中,2000人是极度的肥 胖;3000人患有神经元发育障碍;另外1000人则患有先天性 心脏病等比较稀少的疾病。

合成生物学和系统生物学(中国药科大学)

合成生物学和系统生物学(中国药科大学)

合成生物学(synthetic biology)1.定义: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、基因调控网络到细胞的人工设计与合成,类似于现代集成型建筑工程。

目的在于①设计和创造新的生物组件和体系②对现有的生物体系进行重新设计。

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。

合成生物学家试图创造出一种以脱氧核糖核酸(DNA)编写的语言。

为了达此目的,需要设计DNA片段,而这些DNA片段已获标准化处理,能与其他片段轻易连结。

每个片段代表着个别指示,而将它们组合起来,便成为一个程式,能够指示细胞进行一系列的工作。

这个过程类似编写电脑程式又或是制造机器人,不同之处是其制成品是具有生命及繁殖力的活细胞。

他们尝试着利用基因的序列信息和人工合成DNA,去改装细胞的新陈代谢路径从而使得细胞具有全新的功能,例如生产化学物质和药品。

他们的最终目标是尝试从无到有地构建基因——以及新的生命形式。

而那些用以铸造新系统的生物因子就被称为“生物砖石”(BioBricks)。

2.合成生物学工程化三原则:标准化、抽象化、复杂系统去偶合。

(1)标准化:建立生物学功能、试验检测条件等通用、便捷的标准;(2)抽象化:将生物功能单元划分为不同层次;(3)复杂系统去偶合:将复杂问题分解成若干可操作的独立的简单问题3.研究方向(1)创建新的基因调控模块和线路①基因拨动开关②基因振荡器(2)生命体代谢途径的重新构建不同的生物学途径提取出来→优化整合到宿主细胞(如酵母、大肠杆菌)→合成目标化学物质(如乙醇、青蒿酸等)(3)代谢途径的快速进化(4)利用合成生物学生产新能源合成生物学最终目标:合成独立的可遗传的人工生命体。

DNA合成的亚磷酰胺三酯法(四步)亚磷酰胺三酯法是将DNA固定在固相载体上完成DNA链的合成的,合成的方向是由待合成引物的3’端向5’端,相邻的核苷酸通过3,一5,磷酸二酯键连接。

《合成生物学》PPT课件

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生物大家族中的新成员
不过现在,将会有一些新成员加入到这个生物 大家族。在过去这些年里,科学家一直在尝试从零 开始制造全新的生命形式——用化学物质造出合成 DNA(脱氧核糖核酸),由DNA合成基因,再 由基因形成基因组,最终在实验室造出全新生物体 的分子系统,而这种生物体在自然界从未出现过。
这些向“造物主”的垄断地位发起挑战的人包括工程师、计算机学家、物理学家和 化学家。他们以有别于传统生物学家的视角看待生命,并在2003年开创了一个全新的 研究领域——合成生物学。
异构化等的氨基酸,促进蛋白质结构与功能的研究。
应用示例
• Brenner 提出向细胞DNA中掺入天然不存在的碱基来发展人工遗传系统, 支持人工生命 形式。
• 合成生物学也将对生命起源,其他生命形式的研究作出贡献。
控制生命
• 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。
• 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。
Venter 实验室发展了合成基因组
• 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。
• Φ X- 174 噬菌体对动植物无害,是合适的合成研究对象。
• 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。
• 尽管该工作尚处初级阶段,但却是生物学调控领 域中重要的进展。
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。

合成生物学简约课件PPT课件

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基因组学 (Genomics):研究基因组结构与 功能的科学
3/28/2020
2
合成生物学发生与发展的学科基础
生物
生物 质 能 计算机
生物传 感器
应用
生物材料
精细 化学品
环境修复
食品 原料
合成生物学

计 生工 物
息化 算 物程 理 数
学学
机 科
学学 学


3/28/2020
3
合成生物学的研究内容
1 生物大分子的合成与模块化 2 生物基因组的合成、简化与重构 3 合成代谢网络 4 遗传/基因线路的设计与构建 5 细胞群体系统及多细胞系统研究 6 数学模拟和功能预测
3/28/2020
4
合成生物学的意义
• 加速合成生物系统工程化的进程
需要工程化、标准化的策略,将研究人员从日复一日 的重复性操作中解脱出来。
● 简单地说,合成生物学是通过设计和构建自然界中不存
在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题。
3/28/2020
1
基因、基因组和基因组学:
基因 (Gene):遗传功能的单位,是编码蛋 me,来自Gene + chromosome) 所有DNA分子的总和(分子遗传学定义)
• 就像技术人员现在用标准化的、现成的电子元件组 装成计算机一样, 合成生物学工作者预计有一天, 工 程师可以将充分表征的生物原件组装成健壮的宿主 生物体, 其具有特定的生物功能。
3/28/2020
9
• 美国国家自然科学基金资助的合成生物学 工程研究中心( SynBERC) 为此确定出4 个研 究开发方面: 零件( parts) 、装置(devices )、 底盘机架(chassis ) 和人工实践( human

《合成生物学》课件

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02
合成生物学基本技术
基因编辑技术
基因编辑技术是指通过特定的手 段对生物体的基因组进行精确的 修改,以达到改变其性状的目的 。
基因编辑技术的发展对于人类疾 病治疗、农业生产、生物多样性 保护等方面具有重要意义。
目前最常用的基因编辑技术是 CRISPR-Cas9系统,它能够实现 对基因组的精准定位和高效编辑 。
基因合成技术的发展对于人类疾病治疗、生物制药、农业育种等方面具有重要意义 。
生物信息学技术
生物信息学技术是指利用计算机科学和 数学的方法对生物数据进行分析、处理 和挖掘的技术。
生物信息学技术是合成生物学中的重要技术 之一,它能够实现对生物数据的快速处理和 深度挖掘,为合成生物学的研究提供重要的 数据支持和理论指导。
人工合成噬菌体基因组
总结词
开创性、潜力巨大
详细描述
人工合成噬菌体基因组是一项开创性的工作,展示了合成生物学在解决全球性问题上的 巨大潜力。噬菌体是细菌的天敌,通过人工合成噬菌体基因组,有望为未来的抗菌治疗
提供新的策略和工具。
人工合成生物钟基因组
总结词
挑战性、应用前景广阔
详细描述
人工合成生物钟基因组是一项极具挑战性的 任务,其成功实现了对生物钟的精确调控。 这一成果不仅有助于深入了解生物钟的机制 ,还为未来的生物技术应用提供了广阔的前 景,如优化农作物产量、提高动物养殖效益 等。
特性
合成生物学具有跨学科性、创新性、 系统性和工程性等特性,它旨在通过 设计和构建人工生物系统来解决实际 问题,改善人类生活和环境。
研究领域与方向
研究领域
合成生物学的研究领域包括基因和细胞工程、代谢工程、生物信息学和系统生物学等。
研究方向

合成生物学讲幻灯片

合成生物学讲幻灯片
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。
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。
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。

《合成生物学》课件

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药物、治疗疾病。
3
生物制造
利用合成生物学技术生产生物材料、 药物和可再生能源等。
环境保护
利用合成生物学技术解决环境问题, 如生物降解、废水处理等。
合成生物学的未来展望
发展趋势
合成生物学将继续发展,拓展 应用领域,推动技术创新。
挑战和遇
合成生物学面临伦理、安全等 挑战,需要加强监管和法律支 持。
可能影响的领域
结论
合成生学是一门重要的交叉学科,它具有广泛的影响和应用前景,但也需要 注意其伦理和法律问题,促进其健康发展。
合成生物学有望对医疗、工业、 农业等领域产生重大影响。
合成生物学的伦理和法律问题
1 生命伦理问题
修改基因是否涉及道德 和伦理问题,需要慎重 对待。
2 安全问题
3 监管和法律问题
合成生物学技术的滥用 可能导致安全风险,需 要建立严格的安全措施。
应建立合成生物学的监 管和法律体系,保障科 研和商业活动的合法性 和安全性。
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合成生物学是研究如何设计和构建新的生物系统的学科,结合了生命科学、 工程学和计算机科学的知识与方法。
什么是合成生物学?
合成生物学是通过改造、设计和构建基因组、细胞和生物体来实现新功能的 交叉学科。它来源于人们对生命的理解和对技术的发展。
合成生物学建新的基因组和 生物系统。
CRISPR-Cas9系统
一种用于基因组编辑的工具,具有高效、简 单和精准的特点。
基因编辑技术
通过CRISPR/Cas9等工具对基因序列进行精 准编辑,实现基因组定点改造。
人工基因调控系统
设计和构建基因调控元件,实现精确控制基 因的表达。
合成生物学的应用
1

系统生物学ppt课件

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3
图1 “组学”技术与细胞信息层次
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4
• 组学技术的特点
– 高通量,数据驱动,整体性,top-down策略 – 从系统的角度解释细胞代谢,而不是简单地依
据彼此相关联的不同分子间的相互作用信息的 整合
– 数据处理依赖于计算机技术
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5
• 多“组学”整合技术
– 运用组学技术可以分析不同细胞水平的分子信 息,但是单一的组学技术显然难以适应生物系 统的复杂性
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17
• 以代谢组学的整合发展为例
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18
四、展望
• 高通量技术的发展促使大量的组学数据积 累,而多组学数据整合可以提供对生物系 统的全面了解
• 系统生物学中数据整合的发展有待于在实 验技术上提高产出数据的精度 ,在生物上 提供更多新的理论指导,在数学和计算机 领域提出更加强有力的分析方法 ,最终有 效的整合多种组学数据 ,对生物系统进行 全面的解读
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15
• 代谢通量组学
– 高通量分析技术使人们对生物体物质代谢活动 的调节具有了实时、全局的了解。通过代谢或 信号途径发生的代谢通量(或称代谢流,flux)取 决于代谢物各自的生理活性
– 代谢通量组学(fluxomics)旨在通过追踪代谢物 的流向来定义调控代谢流的基因
– 主要通过两种方法监控代谢流,即:
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2
• 多种“组学”技术
– 转录组学,mRNA的转录水平 – 蛋白质组学,蛋白质丰度的定量 – 代谢物组学,小分子细胞代谢物的表达丰度 – 相互作用组学,整个细胞分子间的相互作用 – 代谢流组学,胞内分子随时间的动态变化过程
• 多组学整合途径是理解全细胞系统动态变 化和功能法则的有力工具

合成生物学-PPT课件

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合成生物学简介
孙丽风 WCG
引言
I’m J. Craig Venter
Lady Gaga—— Entertainment
“Lady Gaga”—— Science
J. Craig Venter
A. Biologist,most famous for: (1) being one of the first to sequence the human genome (2) creating the first cell with a synthetic genome in 2019(Synthia) (3) B. Entrepreneur (4) Celera Genomics (5) The Institute for Genomic Research (6) J. Craig Venter Institute
2、什么是合成生物学
与传统生物学通过解剖生命体以研究其内 在结构截然相反,合成生物学的研究方法 是从最基本的要素开始一步步地制成零部 件直至人工生命系统,这正是合成生物学 这一门新兴科学的核心思想。
2、什么是合成生物学
合成生物学技术上包括DNA序列的合成和 对来自细菌、酵母及植物(如青蒿)等多 种生物基因及代谢途径的组装、多基因的 精密调控等。 合成生物学的发展要以生物学、化学、物 理学、数学、信息科学、工程科学、计算 机科学等相关学科的发展为基础。

2、什么是合成生物学
合成生物学,顾名思义,就是通过设计和 构建自然界中不存在的人工生物系统,来 解决能源、材料、健康和环保等问题。它 是人类基因组计划实施以来,基因组学、 生物信息学和系统生物学等学科发展的一 个合乎逻辑的结果。它包括两个方面,一 是设计和构建新的生物零件、组件和系统 ;二是对现有的、天然存在的生物系统的 重新设计和改造,以造福人类社会。

合成生物学(共10张PPT)

合成生物学(共10张PPT)

合成生物学的基本研究思路
利用生物零件(parts),如启动子、核糖体结合位点、 核糖核酸(RNA)、酶编码基因等组装成装置 (devices),即代谢途径或调解环路,并将装置进一 步组建成生命系统(systems),包括根据人类的意愿 从头设计合成新的生命过程或生命体,以及对现有生 物体进行重新设计。
利用微生物自身已有的代谢途径的前提下引入外源模块;
②再将来自大肠杆菌、酵母、青蒿多种基因及其代谢途径组装与 精密调控;
2了0第21一年个5月具,有文人特造尔基成因功组地的来将活人自细工胞青合。蒿成的的支细原体胞基色因组素转入到除原基因组的山羊支原体细胞内,获得了具有自我复制和生存能力的新菌株,制造出
引入植物青蒿的amorphadiePne4合5成0酶氧(AD化S)还基因原,克酶隆青蒿类植物转化amorphadiene为青蒿酸的细胞色素P450氧化还原酶等
群模块合成、模块组装)以及人造细胞合成,它们能在从分子到细胞、从组织到机体的多个水平上参与包括遗传与进化在内的复杂生物学。
2000年Kool在美国化学学会年会上重新提出合成生物学概念;
来自青蒿
合成生物学的两个基本方向
1911年7月8日,在著名医学刊物《柳叶刀》发表的一篇书评中合成生物学一词首次出现“合成生物学”;
③最后执行所需功能的途径生产出青蒿酸;
其能够杀伤大肠杆菌以前及时转化为Amorphadiene,
2000年Kool在美国化学学会年会上重新提出合成生物学概念;
Keasling利用合成生物学的手段,
合成生物学是以生命科学理论为指导,以工程学原理进行遗传设计、基因组改造(重组染色体)和(或)合成(包括赋予各种复杂生物功能为单位的基因
例 :青蒿素的生产
来自青蒿

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• 肽)被评估用于相对和绝对定量的肉混合分析,如工业生产蟹[30]鸡肉。
第16页/共25页
第17页/共25页
4.1在食物腐败和食物中病原体的蛋白质组学
• 食物变质是由于微生物的活动而引起的不同的生化过程变化。这些变化取决于 • 固有和非固有菌群及生长条件, 如温度,pH和活度。食品加工过程中受到污染会造成显著的经济损失。已
5 结束语和未来发展方向
• 现在我们在实验室用的蛋白质组学管道的连续两个阶段可以同时允许多个肽生物标志物的鉴定和表征。这 种新颖的针对蛋白质组学方法可以让食物种类快速明确,不到2小时。
• 我们相信,广泛使用这种新的靶向蛋白质组学策略会在食品行业中占有的举足轻重的地位。
第22页/共25页
5 结束语和未来发展方向
第6页/共25页
2.2差异蛋白质组学
• 它是通过寻找各种因素引起的蛋白质表达差异,以解释 细胞生理和病理机制,即主要通过比较分析不同状态下 或近似物种间蛋白质的表达图谱,实现对体系内代谢调 控的动态监测,从而揭示机体对内外界环境变化产生反 应的本质规律
第7页/共25页
2.2差异蛋白质组学
• 在蛋白质水平上的定量信息,例如在不同的样品中对某一特定蛋白做相对定量或者一种蛋白质的绝对定量, 确定不同条件之间的差异,是非常有用的。
知病原体超过250种,主要是微生物及其毒素,会导致食源性疾病。目前鉴定食品中的病原微生物或者至腐 微生物以及对微生物的分类是基于形态学,生物化学和DNA的方法学,蛋白质组学方法
第18页/共25页
• 新的快速平台:如实验室级芯片,nanoproteomics或蛋白质阵列的实施,将是快速的非常有用的工具可 以检测,鉴定任何食品中微生物进行定量
第15页/共25页

《合成生物学》课件

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发展
近年来,随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展,合成生物学的发展非常迅 速。未来,合成生物学将在医药、能源、环境、农业等领域发挥越来越重要的作 用。
02
合成生物学基础知识
基因与DNA
基因
基因是生物体内携带遗传信息的 最小单位,负责编码蛋白质或 RNA分子。
DNA
DNA是生物体的主要遗传物质, 由四种不同的脱氧核糖核苷酸按 照特定序列组成。
伦理、法律与社会影响
伦理问题 合成生物学可能引发基因歧视和基因操纵问题。
合成生物学可能对生物多样性产生威胁。
伦理、法律与社会影响
• 合成生物学可能引发人类对自身 定义的挑战。
伦理、法律与社会影响
法律问题 需要明确合成生物学研究成果的产权归属和利益分配。
缺乏针对合成生物学的相关法律法规和监管机制。 需要制定针对合成生物学技术的安全评估和审查标准。
生物燃料的生产
总结词
合成生物学技术可以用于设计和构建 高效的生产菌株,以生产生物燃料, 如生物柴油、乙醇等。
详细描述
通过合成生物学技术,可以设计和构 建能够高效转化原料的微生物菌株, 以生产生物燃料。这些生物燃料具有 可再生、环保、高效等优点,可以替 代传统的化石燃料。
环境污染治理
总结词
合成生物学技术可以用于设计和构建能 够降解污染物、净化环境的微生物菌株 。
《合成生物学》课件
• 合成生物学简介 • 合成生物学基础知识 • 合成生物学的应用 • 合成生物学的挑战与前景 • 实验与实践
01
合成生物学简介
定义与特点
定义
合成生物学是一门跨学科的领域,它结合了生物学、工程学和计算机科学的知 识,通过设计和构建人工生物系统来进行研究和应用。

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Page 22
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
酵母的木糖代谢工程
Page 23
大肠杆菌的乙醇代谢工程
EMP
Page 24
25 2020/1/14
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。
用途:调节基因表达和蛋白质功能。
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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
Page 15
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。
Page 16
2)基因振荡器
FT1激活它本身和FT2; FT2过量,会抑制FT1

Page 7
Standard Assembly
Page 8
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
Page 9
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。
Page 10
标准生物部件 具有特定生物学功能的基因编码元件
合成生物学工程化三原则:
标准化 抽象化 复杂系统去偶合
Drew Endy (MIT)
Page 5
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。

合成生物学优秀课件

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2. 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。
3. 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
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
LO生物学的发展历史及概念 2. 研究方式和工具 3. 合成生物学的研究方向 4. 展 望
15.1 合成生物学的发展史及概念
(1)合成生物学的发展史 1978年 Skallka在对限制性内切核酸酶的评论中 第一次预言了合成生物学的诞生。
1980年 Hobom引入了合成生物学的的名词来描述 基因重组技术。
(2) 合成生物学 合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚
出现的一个分支学科。
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。
合成生物包含的内容
基因合成 构建人工生命体
基于现有的 天然生物组件, 设计构建有新功 能的生物体系。
用途:调节基因表达和蛋白质功能。
基因线路
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
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S5
S6
X1
Typical replies: 1. Nothing happens. 2. Nothing happens unless it is the rate-limiting step. 3. The rate v goes down, but that’s all. 4. S3 goes up. 5. S4 goes down. 6. Species downstream of v go down. 7. Steady State flow changes but species levels don’t. 8. Xo and X1 change
Technologies to study systems at different levels
Genomics (HT-DNA sequencing) (HTMutation detection (SNP methods) Transcriptomics (Gene/Transcript measurement, SAGE, gene chips, microarrays) Proteomics (MS, 2D-PAGE, protein 2Dchips, Yeast-2-hybrid, X-ray, NMR) YeastXMetabolomics (NMR, X-ray, capillary Xelectrophoresis)
So where do we start?
Feedback loops
So where do we start?
So where do we start?
autoregulation
So where do we start?
X Y
– 转录因子X调控基因Y 转录因子X调控基因Y
dY/dt = b - aY dY/
Adaptation precision = ratio of steady-state tumbling frequency of unstimulated to stimulated cells Summary of results Tumbling frequency 0.3 ± 0.06 (20-fold) Adaption time 3 ± 1 (3-fold) Adaption precision 1.04 ± 0.07
robustrobust-adaptation of chemotaxis
Tumbling frequency IPTG inducer
pUA4 pUA4 pUA4 pUA4
Adaption time
E. Coli cheR -/- population
Express CheR over a 100-fold range Adaption precision 1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱmM L-aspartate
– b:调控因子完全开启时Y的 调控因子完全开启时Y 生成速度 – a:Y的稀释降解速度
So where do we start?
dY/dt = b – aY dY/ dY/dt = 0 dY/
– 稳态时
Yst = b/a
– 稳定时浓度
So where do we start?
dY/dt = b – aY dY/ b=0
Genomics, Proteomics & Systems Biology
Genomics Proteomics
Systems Biology 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Why Systems Biology?
技术角度( 技术角度(PUSH): 高通量数据采集能力
Are Biologists Ready?
50 %
Xo
S1
S2
S3
v
S4
S5
S6
X1
If we can’t understand this system how can we hope to understand:
So where do we start?
Transcription Factors Intracellular Signaling cis sites Genetic Regulatory Network mRNA Nucleus Receptors Ion Channels Ligands ELECTROPHYSIOLOGY Translation + processing Cytoplasm Extracellular space
Are Biologists Ready?
Xo S1 S2 S3 v S4 S5 S6 X1
Xo and X1 fixed, all reactions reversible, assume stable steady state.
Are Biologists Ready?
50 %
Xo
S1
S2
S3
生物学角度( 生物学角度(PULL): 拓展认知,定量分析
Systems Biology vs. traditional cell and molecular biology
采用高通量的实验技术方案. 采用高通量的实验技术方案. 加强的计算需求和数据库的运用. 加强的计算需求和数据库的运用. 传统生物学实验遵循“假说-验证”循环,在循环中收 传统生物学实验遵循“假说-验证”循环, 集实验数据. 集实验数据. 系统生物学起于数据采集, 系统生物学起于数据采集,在后实验的数据分析中推 出假说,并验证假说. 出假说,并验证假说. 系统生物学是数据与途径的整合
系统与合成生物学
System Biology, Synthetic Biology
马昱澍, 马昱澍,王玮
系统与合成生物学
王玮 讲师
– wadexp@ – 鲁华生物科技研究所 鲁华生物 生物科技研究所
马昱澍 副教授
– myushu@ – 鲁华生物科技研究所 鲁华生物科技研究所
Each system has methods for modeling
Pi Calculus
Petri Nets
Flux Balance Analysis
Differential Eqs
System heterogeneity in size & timescale
Atomic Scale 0.1 - 1.0 nm Coordinate data Dynamic data 0.1 - 10 ns Molecular dynamics
-(Leroy Hood, 1999)
什么是系统生物学
系统生物学是在细胞、组织、器官和生物体水平上 研究结构和功能各异的生物分子及其相互作用, 并通过计算生物学定量阐明和预测生物功能、表 型和行为。系统生物学将在基因组测序基础上完 型和行为。系统生物学将在基因组测序基础上完 成DNA序列到生命的过程,这是逐步整合、优化 DNA序列到生命的过程,这是逐步整合、优化 的过程,系统生物学的发展预计需要一个世纪或 更长的时期,因此常把系统生物学称为21世纪的 更长的时期,因此常把系统生物学称为21世纪的 生物学。 -杨胜利 2004
Molecular Scale 1.0 - 10 nm Interaction data Kon, Koff, Kd 10 ns - 10 ms Interactions
Cellular Scale 10 - 100 nm Concentrations Diffusion rates 10 ms - 1000 s Fluid dynamics
v
S4
S5
S6
X1
What happens to the steady state? Xo and X1 fixed, all reactions reversible, assume stable steady state.
Are Biologists Ready?
50 %
Xo
S1
S2
S3
v
S4
Ecosystem scale 1 km – 1000 km Environmental impact Nutrient flow 1 yr – 1000 yrs Network Dynamics
System Models
对一个系统建立可计算的模型成为可行性越来越高的方案. 对一个系统建立可计算的模型成为可行性越来越高的方案 建立模型必须清楚的知道系统的制约因素, 建立模型必须清楚的知道系统的制约因素,最终模型会成 为强大的预测工具. 为强大的预测工具
System heterogeneity in size & timescale
Tissue Scale 0.01m - 1.0 m Metabolic input Metabolic output 1 s – 1 hr Process flow
Organism scale 0.01m – 4.0 m Behaviors Habitats 1 hr – 100 yrs Mechanics
系统与合成生物学
系统生物学
– System Biology
合成生物学
– Synthetic Biology
授课计划
Systems Biology – backers & attackers
Though coined 40 years ago, a lot of people still ask, "What's that?" when the term systems biology comes up. "It is used in so many different contexts, nobody is really clear what you mean by it," says John Yates III, a professor at the Scripps Research Institute in La Jolla, Calif. "Systems biology is just so general that it could apply to many things. When you're naming a category, the underlying principle is that if you make a statement like, 'I'm doing systems biology,' do people know what you're talking about?'“……
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