第15章 合成生物学

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。
里的意志力就可以操作电脑，能发送电子邮件。 未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑
控制手臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部 分控制的假肢。
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)
Endy created the comic book Adventures in Synthetic Biology to help explain his work to students and other scientists.
20世纪提出的概念
用现有的有机化学和生物化学的合成能力设
计非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥
功能。通过合成的方法来理解自然的生命体系，
构建创造新的人工生命体。
美国基因组学先驱克莱格· 凡特，在他位于马 里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期15年 的研究项目中，已成功制造出全球首个“合成细
阻遏物 B
启动子A 启动子B 阻遏物A
报告基因
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
3）大肠杆菌成像系统
将细菌改造成感光胶片，像素1平方米1亿像 素分辨率。
将藻胆青素合成基因(ho1和pcyA)转入大肠杆
不需要能耗非常高的乙醇精馏技术, 从而可使能耗 降低65% ; 由于采用了合成生物学与系统生物学创造微生物 这种尖端技术, 而且这种石油烃是可再生的、清洁 的、国内可生产的、成本可竞争的、与现有的汽 车发动机及汽油供应系统是可兼容的. 29 岁的Berry 获得了MIT“技术评论”2007 年 TR35 的最高奖( 2007 Innovator of the Year)。
酵母的木糖代谢工程
运动发酵单胞菌的乙醇代谢工程
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。
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。
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
标准化 从可更的换部件库，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。
http://partsregistry.org
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
15.2 合成生物学的研究方法和工具
（1）合成生物学的研究方法 工程领域中所有的单元部件都具有独立功能， 可以互换，容易进行模块化得组合，即从零件到 器件再到系统。
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。
2004年，美国就成功在一位半身不遂的男性 患者大脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑
序列、终止子
15.3 合成生物学的研究方向
15.3.1 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。
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
诱导物B
e.g. E. coli
LOGO
第15章
合成生物学
内 容
1. 合成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。 DNA合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应 用，为合成生物学奠定基础。
胞”，一种称为丝状支原体的细菌。
（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
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
15.3.3 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。
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
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。
每年5亿人感染，100万死亡。目前最有效的
是青蒿素，生产周期长、成本昂贵。 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。
困难：难以预计的复杂性 这一工作几乎是150人一年工作的结果，这些 工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能 基因组合在一起的运作机制。
（高达82Kb）, 细菌仍保持了良好的生存状态。
改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。
电穿孔
Endy小组用12 kb 人工合成的DNA取代野生T7
基因组中的11 kb 的非必须DNA 构建新的生命体。
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。
基于现有的 天然生物组件， 设计构建有新功 能的生物体系。
Personalized Medicine Physical enhancement: 荷尔蒙,义肢的使用 Enhancing Evolution: 使人聪明的药 Bionic man 生化人
Better, stronger, faster
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
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 ) 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 葡萄糖、蔗糖、纤维二搪 葡萄塘、蔗糖、纤维二糖
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
不同物种间基因组的移植 将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。
丝状支原体
酵母载体插入到 细菌基因组中
分离
移植
甲基化
转化酵母
基因组改造
2. 最小基因组的构建
Blattnerj小组删除大肠杆菌基因组的15%
wk.baidu.com
的简单问题。
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
（2）合成生物学的组成工具
器件 device
生物部件 part
系统
system
模块 module
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。
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
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
梭菌
诱导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的化学品
利用来自多种生物的基因及用来生产脂肪酸的 生化途径, 用合成生物学方法创造出一些代谢模块, 插入微生物后, 通过不同的组合,这些模块可以诱 导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的化学 品。 他们通过计算, 设计制造出微生物以所希望的 方式生产并分泌出长度及分子结构符合公司要求 的烃分子。
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。
菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素
PCB。
PCB PCB
PCB
Black
ompC promoter
lac Z
15.3.2 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
用合成生物学方法创造的微生物进入发酵罐培养生长
2. 青蒿酸合成线路的设计构建
疟疾 典型的疟疾多呈周期性发作，表现为间歇性 寒热发作。发作时先有明显的寒战，全身发抖， 面色苍白，接着体温迅速上升，达40℃或更高， 面色潮红，全身大汗淋漓，大汗后体温降至正常 或正常以下。 经过一段间歇期后，又开始重复上述间歇性 定时寒战、高热发作。