合成生物学中那些不得不说的技术
合成生物学简介以及BioBrick的相关介绍
什么是合成生物学？合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个正在迅速发展的分支学科，并结合了工程学，化学，计算机以及分子生物学等多种学科。
合成生物学按照一定的规律和已有的知识：①设计和建造新的生物部件、装置和系统；②重新设计已有的天然生物系统为人类的特殊目的服务。
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）。
2.1BioBricks简介什么是BioBricks？BioBricks是为了实现能够在活细胞体内搭建上面描述的相应的生物系统而建立的标准，使得部件之间能够更好的组合。
右图就是在质粒上的BioBrick™partBBa_B0034，它两侧的是前缀prefix(P)和后缀suffix(S).什么是前缀prefix和后缀suffix？前缀prefix和后缀suffix都是在目地基因周围的一段基因序列。
BioBrick具有相同的前缀和后缀。
每一个前缀都扩EcoRI和XbaI两个酶切位点，如果其后面的编码基因等组件（part）以“ATG”开头，则前缀为gaattcgcggccgcttctag。
否则就是gaattcgcggccgcttctagag 后缀中包括SpeI和PstI两个酶切位点。
序列为tactagtagcggccgctgcag而中间的基因经过特殊的遗传工程手段处理，使得真正的编码序列不含这四个酶切位点。
合成生物学与风险社会：一项社会存在论分析
收稿日期：2023-07-07基金项目：国家留学基金委建设高水平大学公派研究生项目（202206360140）作者简介：唐解云，中国人民大学哲学院博士研究生，上海师范大学知识与价值科学研究所特聘副研究员，主要从事历史唯物主义基础理论、马克思主义STS 研究。
E-mail:*********************摘 要：合成生物学的出现与发展，是运用社会存在论分析所应用的场景，集中体现了现代社会之为风险社会的创造性、不确定性与开放性等特征。
合成生物学试图打破自然的限制，进一步为有机生命赋能，在设计生命的意义上创造生命，合成新的生物系统。
这一生命技术在具体科学研究中将生物学推向新的发展阶段，通过生物工程、化学工程以及信息工程等试图描绘“最好的可能世界”。
这一系列技术逻辑的演绎与应用，需要进一步从价值规范和应用伦理等方面进行人文反思。
关键词：合成生物学；风险社会；社会存在论；创造性；不确定性；开放性中图分类号：B0文献标识码：A 文章编号：1006-2815（2023）04-0083-11DOI ： 10.19946/j.issn.1006-2815.2023.04.008合成生物学与风险社会：一项社会存在论分析唐解云合成生物学（Synthetic Biology ）是现代社会发展的产物。
合成生物学自1980年提出以来，其表述范式便由认识生命到创造生命，并作为人工生物系统（Artificial biosystem ）研究而被广泛运用于基因生命系统当中，以期“组合成自然界原本不存在的生物有机体和人工生物系统”①。
换言之，“生命，或生命样态，以某种方式从非生命样态中产生。
”②合成生物学运用工程技术的方法试图创造新的生物系统，以期借助新的生物系统的新功能来防范或者解决社会重大风险问题。
不过，合成生物学尚未成熟，是因为现有科学技术局限，以及人工生命的系统性要求尚未得到满足。
正因如此，合成生物学备受争议，比如其创造人工生命的技术逻辑被认为是在“扮演上帝角色”，其对生命本质的认识和新定义被认为是在突破人工世界与自然世界的边界③。
细胞生物学重要技术
三、显微操作技术
• 在倒置显微镜下利用显微操作器进行细胞或早期胚胎操作 的一种方法。 的一种方法。显微操作器是用以控制显微注射针在显微镜 视野内移动的机械装置。 视野内移动的机械装置。 • 显微操作技术包括细胞核移植、显微注射、嵌合体技术、 显微操作技术包括细胞核移植、显微注射、嵌合体技术、 胚胎移植以及显微切割等。 胚胎移植以及显微切割等。 –细 胞 核 移 植 技 术 已 有 几 十 年 的 历 史 ， Gordon 等 人 细 1962） 对非洲爪蟾进行核移植获得成功。 （ 1962 ） 对非洲爪蟾进行核移植获得成功 。 我国著名 学者童第周等上个世纪70 年代在鱼类细胞核移植方面 学者童第周等上个世纪 70年代在鱼类细胞核移植方面 70 进行了许多工作，并取得了丰硕成果。 进行了许多工作，并取得了丰硕成果。
（一）透射电子显微镜
1. 原理
• 以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束的波长短，并且 以电子束作光源，电磁场作透镜。电子束的波长短， 波长与加速电压(通常50～120KV)的平方根成反比。 波长与加速电压(通常50～120KV)的平方根成反比。 50 KV)的平方根成反比 • 由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系 由电子照明系统、电磁透镜成像系统、 真空系统、 统、电源系统等5部分构成。 电源系统等5部分构成。 • 分辨力0.2nm，放大倍数可达百万倍。 分辨力0 nm，放大倍数可达百万倍。 • 用于观察超微结构 ， 即小于 0.2µm、 光学显微镜下无法看 用于观察超微结构， 即小于0 m 清的结构，又称亚显微结构。 清的结构，又称亚显微结构。
• 原理：根据隧道效应而设计，当原子尺度的针尖在不到一 个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电 压（2mV~2V），针尖与样品之间形成隧道电流。电流强 度与针尖和样品间的距离有函数关系，将扫描过程中电流 的变化转换为图像，即可显示出原子水平的凹凸形态。 • 分辨率：横向为0.1~0.2nm，纵向可达0.001nm。 • 用途：三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察。
生物工艺学知识点
生物工艺学知识点第一章绪论1、生物工艺学biotechnology：又称为生物技术,它是应用自然科学及工程学原理,依靠生物作用剂biologicalagents的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术;特点：多学科和多技术的结合、生物作用剂生物催化剂的参与、应用大量高、精、尖设备;;2、生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称;生物催化剂特点：优点：①常温、常压下反应②反应速率大③催化作用专一④价格低廉缺点：稳定性差控制条件严格易变异细胞生物反应过程实质是利用生物催化剂以从事生物技术产品的生产过程processengineering;3、生物技术研究的主要内容：基因工程DNA重组技术,geneengineering、细胞工程cellengineering、酶工程enzymeengineering、发酵工程fermentationengineering、蛋白质工程proteinengineering、第二章菌种的来源1、工业生产常用的微生物细菌、酵母菌、霉菌、放线菌、担子菌、藻类;2、分离微生物新种的过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定;含微生物材料的预处理方法：物理方法加热；化学方法pH；诱饵法;诱饵技术：将固体基质加到待检的土壤或水中,待其菌落长成后再铺平板;分离的效率影响因素：1培养基的养分；2pH；3加入的选择性抑制剂;3、高产培养基成分的选择准则：制备一系列的培养基,其中有各种类型的养分成为生长限制因素C、N、P、O；使用一聚合或复合形式的生长限制养分；避免使用容易同化的碳葡萄糖或氮NH4+,它们可能引起分解代谢物阻遏；确定含有所需的辅因子Co2+,Mg2+,Mn2+,Fe2+加入缓冲溶液以减小pH变化;4、代谢控制发酵MetabolicControlfermentation：用人工诱变的方法,有意识地改变微生物的代谢途径,最大限度地积累产物,这种发酵形象地称为代谢控制发酵,最早在氨基酸发酵中得到成功应用;5、菌种的衰退表观现象有哪些目的产物的产量下降营养物质代谢和生长繁殖能力下降发酵周期延长抗不良环境的性能减弱6、菌种的衰退的原因菌种保藏不当提供不了当的条件或不利的条件经诱变得到的新菌株发生回复突变7、菌种的复壮方法：纯种分离通过寄主体进行复壮淘汰已衰退的个体8、菌种的保藏的原理根据菌种的生理生化特点,人工创造条件,使孢子或菌体的生长代谢活动尽量降低,以减少其变异;一般可通过保持培养基营养成分在最低水平,缺氧状态,干燥和低温,使菌种处于“休眠”状态,抑制其繁殖能力;9、菌种的保藏方法：A斜面冰箱保藏法B沙土管保藏法C石蜡油封存法D真空冷冻干燥保藏法E液氮超低温保藏法第三章菌种选育1、常用菌种选育方法1自然选育:是指在生产过程中,不经过人工处理,利用菌种的自发突变spontaneousmutation而进行菌种筛选的过程;特点：自发突变的频率较低,变异程度不大;所以该法培育新菌种的过程十分缓慢; 2诱变育种:是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群,促进其突变率大幅度提高,然后采用简便、快速和高效的筛选方法,从中挑选少数符合育种目的的突变株,以供生产实践或科学研究使用;诱变育种的理论基础是基因突变;常用诱变剂：物理诱变剂、化学诱变剂碱基类似物、与碱基反应的物质、在DNA分子中插入或缺失一个或几个碱基物质、生物诱变剂3分子育种DNA重组、基因工程：用人为的方法将所需的某一供体生物的遗传物质DNA分子提取出来,在离体条件下切割后,把它与作为载体的DNA分子连接起来,然后导入某一受体细胞中,让外来的遗传物质在其中进行正常的复制和表达,从而获得新物种的一种崭新的育种技术;4杂交育种Hybridization：常规杂交育种Hybridization：一般是指人为利用真核微生物的有性生殖或准性生殖或原核微生物的接合、F因子转移、转导和转化等过程,促使两个具有不同遗传性状的菌株发生基因重组,以获得性能优良的生产菌株;原生质体融合技术：通过人工方法,使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合,并产生重组子的过程,亦称为“细胞融合”cellfusion;原生质体融合的基本过程：原生质体形成、原生质体融合、原生质体的再生;3、工程菌的不稳定性表现质粒的不稳定质粒的丢失、重组质粒的DNA片段脱落、表达产物的不稳定第三章微生物的代谢调节1、微生物代谢调节方式代谢流向的调控分为代谢物的合成和代谢物的降解；通过快速启动蛋白质的合成和有关的代谢途径,平衡各代谢物流和反应速率来适应外界环境的变化;代谢速度的调控分为酶量粗调酶合成的诱导和酶合成的阻遏和酶活细调酶活性的激活、酶活性的抑制反馈阻遏是转录水平的调节,产生效应慢；影响催化一系列反应的多个酶反馈抑制是酶活性水平调节,产生效应快;只对是一系列反应中的第一个酶起作用底物对酶的影响称为前馈;产物对酶的影响称为反馈;2、微生物初级代谢调节包括酶活调节、酶合成调节、遗传控制1酶活性的调节细调：一定数量的酶,通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率;酶活调节的影响因素包括：底物和产物的性质和浓度、压力、pH、离子强度、辅助因子以及其他酶的存在等等;特点是反应快速;酶活性的调节包括：酶活性的激活和酶活性的抑制反馈抑制2酶合成的调节：通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制;这类调节在基因转录水平上进行,对代谢活动的调节是间接的、缓慢的3酶合成的阻遏：在某代谢途径中,当末端产物过量时,微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成,从而彻底地控制代谢,减少末端产物生成,这种现象称为酶合成的阻遏;末端代谢产物阻遏:由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的反馈阻遏;分解代谢物阻遏：当细胞内同时存在两种可利用底物碳源或氮源时,利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有关的酶合成;这种阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果,而是由这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的,所以称为分解代谢物阻遏过去被称为葡萄糖效应;3、改变细胞膜通透性的方法A限制培养基中生物素浓度在1～5mg/L,控制细胞膜中脂质的合成；B加入青霉素,抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联；C加入表面活性剂如吐温80或阳离子表面活性剂如聚氧化乙酰硬脂酰胺,将脂类从细胞壁中溶解出来,使细胞壁疏松,通透性增加；D控制Mn2+、Zn2+的浓度,干扰细胞膜或细胞壁的形成；E可以通过诱变育种的方法,筛选细胞透性突变株;5、人工控制微生物代谢的两种手段：1生物合成途径的遗传控制2发酵条件的控制6.谷氨酸棒杆菌生物素缺陷型生产谷氨酸的调控第四章微生物次级代谢与调节1、次级代谢产物：某些微生物在生命循环的某一个阶段产生的物质,它们一般是在菌生长终止后合成的;其生物合成至少有一部分是与核内和核外的遗传物质有关,同时也与这类遗传信息产生的酶所控制的代谢途径有关;微生物产生的次级代谢物有抗生素、毒素、色素和生物碱等;2、初级与次级代谢途径相互连接次级代谢物通常是由初级代谢中间体经修饰后形成的修饰初级代谢中间体的三种生化过程生物氧化与还原、生物甲基化、生物卤化3、前体：指加入到发酵培养基中的某些化合物,它能被微生物直接结合到产物分子中去,而自身的结构无多大变化有些还具有促进产物合成的作用;中间体是指养分或基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质,他们均被进一步代谢,最终获得该途径的终产物;4、次级代谢物生物合成的原理①一旦前体被合成,在适当条件下它们便流向次级代谢物生物合成的专用途径;②在某些情况下单体结构单位被聚合,形成聚合物;这些特有的生物合成中间体产物需做后几步的结构修饰,修饰的程度取决于产生菌的生理条件;有些复杂抗生素是由几个来自不同生物合成途径组成的;第五章发酵培养基1、培养基通常指人工配制的供微生物生长、繁殖、代谢和合成所需产物的营养物质和原料,同时,培养基也为微生物等提供除营养外的其它生长所必需的环境条件2、发酵培养基的要求①培养基能够满足产物最经济地合成②发酵后所形成的副产物尽可能的少③培养基的原料应因地制宜,价格低廉；且性能稳定,资源丰富,便于采购运输,适合大规模储藏,能保证生产上的供应;④所用培养基应能满足总体工艺的要求,如不应影响通气、提取、纯化及废物处理等;3、工业上常用的碳源：葡萄糖、乳糖、淀粉、蔗糖工业上常用的氮源：无机氮源：氨水,铵盐,硝酸盐等;有机氮源：玉米浆、豆饼粉、花生饼粉、棉籽粉、鱼粉、酵母浸出液等;生理酸性物质,如硫酸铵;生理碱性物质,如硝酸钠;提供生长因子的农副产品原料：1玉米浆2麸皮水解液3糖蜜4酵母：可用酵母膏、酵母浸出液或直接用酵母粉;产物促进剂是指那些非细胞生长所必需的营养物,又非前体,但加入后却能提高产量的添加剂;4、发酵培养基的设计和优化方法正交试验设计、均匀设计、响应面分析正交试验设计：利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法;它是由试验因素的全部水平组合中,挑选部分有代表性的水平组合进行试验,通过对这部分试验结果的分析,了解全面试验的情况,找出最优的水平组合;正交实验数据分析,见教材P112-114例题,表4-16,同时确定因素的主次顺序、各因素的优水平、各因素水平的最优组合;小数点后保留一位;第六章发酵培养基灭菌和空气净化在发酵工业生产中,为了保证纯种培养,在生产菌种接种培养前,要对培养基、空气系统、消泡剂、流加物料、设备、管道等进行灭菌,还要对生产环境进行消毒,防止杂菌和噬菌体的大量繁殖;1.微生物热阻：微生物在某一特定条件下主要是温度和加热方式下的致死时间;2.对数残留定律中各符号的意义;3.理论灭菌时间的计算间歇实罐灭菌时间的计算连续灭菌的灭菌时间计算：4.灭菌温度的选择：随着温度升高,灭菌速率常数增加的倍数大于培养基中营养成分的分解速率常数的增加倍数;即当灭菌温度升高时,微生物杀灭速度提高,培养基营养成分破坏的速度减慢;5.影响培养基灭菌的因素：所污染杂菌的种类、数量、灭菌温度和时间,培养基成分、pH值、培养基中颗粒、泡沫等对培养基灭菌也有影响;6.无菌空气：指通过除菌处理使空气中含菌量降低至一个极低的百分数,从而能控制发酵污染至极小机会;此种空气称为“无菌空气”;7.介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层,将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中,而达到除菌的目的;是大多数发酵厂广泛采用的方法;按除菌机制可分为：绝对表面过滤和深层介质过滤;介质过滤除菌的机理：空气流通过这种介质过滤层时,借助惯性碰撞、拦截滞流、静电吸附、扩散等作用,将其尘埃和微生物截留在介质层内,达到过滤除菌目的;第七章种子的扩大培养1、种子扩大培养：指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后,再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种过程;这些纯种培养物称为种子2、种子扩大培养的目的与要求1种子扩培的目的①接种量的需要②菌种的驯化③缩短发酵时间、保证生产水平2种子的要求①菌种细胞的生长活力强,移种至发酵罐后能迅速生长,延迟期短②生理性状稳定③菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求④无杂菌污染⑤保持稳定的生产能力;3、种子罐级数：是指制备种子需逐级扩大培养的次数,取决于菌种生长特性、孢子发芽及菌体繁殖速度、所采用发酵罐的容积;种子罐级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响;级数大,难控制、易染菌、易变异,管理困难,一般2～4级;4、种子制备分两个阶段：实验室种子制备阶段生产车间种子制备阶段5、种龄：是指种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间;接种量：是指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例;通常接种量：细菌1-5%,酵母菌5-10%,霉菌7-15%,有时20-25%青霉素生产的种子制备过程：安瓿管→斜面孢子→大米孢子→一级种子→二级种子→发酵第八章发酵工艺控制1、微生物发酵的生产水平取决于生产菌种本身的性能和合适的环境条件;2、发酵过程的代谢变化从产物形成来说,代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化培养基和培养条件和产物形成速率这三者之间的关系;在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系,将微生物产物形成动力学分为①生长关联型和②非生长关联型;3、发酵方式1补料－分批发酵：指分批培养过程中,间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法;优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度;低基质浓度的优点：①可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾；②克服养分的不足,避免发酵过早结束;2半连续发酵：是指在补料－分批发酵的基础上,间歇地放掉部分发酵液的培养方法;优点：①可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾；②克服养分的不足,避免发酵过早结束；③缓解有害代谢产物的积累;3连续发酵：指培养基料液连续输入发酵罐,并同时放出含有产品的发酵液的培养方法;在这样的环境中培养,菌的生长就受到所提供基质的限制,培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态;与传统的分批发酵相比,连续培养有以下优点：①维持低基质浓度：可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾；②避免培养基积累有毒代谢物；③可以提高设备利用率和单位时间的产量,节省发酵罐的非生产时间；④便于自动控制;4、发酵控制参数按性质分类：物理参数、化学参数、生物参数按检测手段分类：①直接参数：⑴在线检测参数⑵离线检测参数②间接参数5、发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量;Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射生物热biologicalheat是菌体生长过程中直接释放到体外的热能,使发酵液温度升高;搅拌热agitationheat是搅拌器引起的液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生的热量;6、发酵过程pH值的一般变化规律1生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质,生成铵离子,使pH上升至碱性；随着菌体量增多,铵离子的消耗也增多,另外糖利用过程中有机酸的积累使pH 值下降;2生产阶段：这个阶段pH值趋于稳定;3自溶阶段：随着养分的耗尽,菌体蛋白酶的活跃,培养液中氨基氮增加,致使pH又上升,此时菌体趋于自溶而代谢活动终止;7、引起发酵液pH值异常波动的因素pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件pH下降：①培养基中碳、氮比例不当;碳源过多,特别是葡萄糖过量,或者中间补糖过多加上溶氧不足,致使有机酸大量积累而pH下降；②消泡剂加得过多；③生理酸性物质的存在,铵被利用,pH下降;pH上升：①培养基中碳、氮比例不当;氮源过多,氨基氮释放,使pH上升；②生理碱性物质存在；③中间补料氨水或尿素等碱性物质加入过多;8、临界氧浓度criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration：指不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度;如对产物形成而言便称为产物合成的临界氧浓度;呼吸强度又称氧比消耗速率,是指单位质量的干菌体在单位时间内所吸取的氧量,以QO2表示,单位为mmolO2／g干菌体·h;耗氧速率又称摄氧率,是指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量,以r表示,单位为mmolO2／L·h;9、引起溶氧异常下降,可能有下列几种原因：①污染好气性杂菌,大量的溶氧被消耗掉,可能使溶氧在较短时间内下降到零附近,如果杂菌本身耗氧能力不强,溶氧变化就可能不明显；②菌体代谢发生异常现象,需氧要求增加,使溶氧下降；③某些设备或工艺控制发生故障或变化,也可能引起溶氧下降,如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢,影响供氧能力,使溶氧降低;10、泡沫的形成及其对发酵的影响在大多数微生物发酵过程中,通气、搅拌以及代谢气体的逸出,再加上培养基中糖、蛋白质、代谢物等表面活性剂的存在,培养液中就形成了泡沫;形成的泡沫有两种类型：一种是发酵液液面上的泡沫,气相所占的比例特别大,与液体有较明显的界限,如发酵前期的泡沫；另一种是发酵液中的泡沫,又称流态泡沫fluidfoam,分散在发酵液中,比较稳定,与液体之间无明显的界限大量的泡沫引起的负作用：发酵罐的装料系数减少、氧传递系统减小；增加了菌群的非均一性；造成大量逃液,增加染菌机会；严重时通气搅拌无法进行,菌体呼吸受到阻碍,导致代谢异常或菌体自溶；消泡剂的添加将给提取工序带来困难;泡沫的消除调整培养基中的成分如少加或缓加易起泡的原料或改变某些物理化学参数如pH 值、温度、通气和搅拌或者改变发酵工艺如采用分次投料来控制,以减少泡沫形成的机会;采用菌种选育的方法,筛选不产生流态泡沫的菌种,来消除起泡的内在因素;采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫;常用的消泡剂有4大类：天然油脂类、脂肪酸和酯类、聚醚类、硅酮类11、造成染菌的主要原因设备渗漏空气带菌种子带菌灭菌不彻底技术管理不善第十章下游加工过程概论1、下游技术工程downstreamprocessing：对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料,经提取分离、加工并精制目的成分,最终使其成为产品的技术;2.发酵液的特点1含水多,产物含量低；2含菌体蛋白；3溶有原来培养基成分；4相当多的副产物和色素；5易被杂菌污染或使产物进一步分解；6易起泡,粘性物质多;3、整个下游加工过程应遵循下列四个原则1时间短；2温度低,选择在生物物质的温度范围内；3pH适中;4严格清洗消毒包括厂房、设备及管路,注意死角;4、一般下游加工过程可分为4个阶段1培养液发酵液的预处理和固液分离；2初步纯化提取；3高度纯化精制；4成品加工;5、下游加工过程的一般流程第十二章发酵液的预处理和固液分离方法1、改善发酵液过滤特性的物理化学方法：调酸等电点、热处理、电解质处理、添加凝聚剂、添加表面活性物质、添加反应剂、冷冻-解冻及添加助滤剂等;2、凝聚——指在电解质作用下,由于胶粒之间双电层电排斥作用降低,电位下降,而使胶体体系不稳定的现象；常用的凝聚剂电解质有：硫酸铝Al2SO4318H2O明矾；氯化铝AlCl36H2O;三氯化铁FeCl3;硫酸亚铁FeSO4·7H2O；石灰；ZnSO4；MgCO3絮凝——指在某些高分子絮凝剂存在下,基于桥架作用,使胶粒形成较大絮凝团的过程;工业上使用的絮凝剂可分为三类：1有机高分子聚合物,如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物；2无机高分子聚合物,如聚合铝盐、聚合铁盐等；3天然有机高分子絮凝剂,如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等;目前最常见的高分子聚合物絮凝剂有机合成的聚丙烯酰胺polyacrylamide类衍生物3、杂蛋白的去除方法有沉淀法、变性法、吸附法4、固液分离的方法：重力沉降、浮选、旋液分离、介质过滤、离心;5、根据过滤机理,过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤;第十三章细胞破碎1、细胞破碎的阻力：细菌破碎的主要阻力:肽聚糖的网状结构,网状结构越致密,破碎的难度越大,革兰氏阴性细菌网状结构不及革兰氏阳性细菌的坚固；酵母细胞壁破碎的阻力:主要决定于壁结构交联的紧密程度和它的厚度；霉菌细胞壁中含有几丁质或纤维素的纤维状结构,其强度比细菌和酵母菌的细胞壁有所提高;2、常用破碎方法机械法：珠磨法固体剪切作用、高压匀浆法液体剪切作用、超声破碎法液体剪切作用、X-press法固体剪切作用;非机械法：酶溶法酶分解作用、化学渗透法改变细胞膜的渗透性、渗透压法渗透压剧烈改变、冻结融化法反复冻结-融化、干燥法改变细胞膜渗透性3、破碎率的测定方法1直接测定法2目的产物测定法3导电率测定法第十四章沉淀法Precipitation1、固相析出技术：通过加入某种试剂或改变溶液条件,使生化产物溶解度降低,以固体形式沉淀和晶体从溶液中沉降析出的分离纯化技术;结晶法：在固相析出过程中,析出物为晶体称为结晶法;沉淀法：在固相析出过程中,析出物为无定形固体称为沉淀法;常用的沉淀法：盐析法、有机溶剂沉淀法和等电点沉淀法等;2、盐析Saltinducedprecipitation：在高浓度的中性盐存在下,蛋白质酶等生物大分子物质在水溶液中的溶解度降低,产生沉淀的过程;原因如下：1无机离子与蛋白质表面电荷中和,形成离子对,部分中和了蛋白质的电性,使蛋白质分子之间的排斥力减弱,从而能够相互靠拢；2中性盐的亲水性大,使蛋白质脱去水化膜,疏水区暴露,由于疏水区的相互作用导致沉淀；Ks盐析法：在一定pH和温度下,改变体系离子强度进行盐析的方法；β盐析法：在一定离子强度下,改变pH和温度进行盐析；常用的盐析用盐：硫酸铵、硫酸钠,磷酸盐,柠檬酸盐;3、有机溶剂沉淀：在含有溶质的水溶液中加入一定量亲水的有机溶剂,降低溶质的溶解度,使其沉淀析出;原理：1降低了溶质的介电常数,使溶质之间的静电引力增加,从而出现聚集现象,导致沉淀;2有机溶剂的水合作用,降低了自由水的浓度,降低了亲水溶质表面水化层的厚度,降低了亲水性,导致脱水凝聚;常用的有机溶剂沉析剂：乙醇：沉析作用强,挥发性适中,无毒常用于蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的沉析；丙酮：沉析作用更强,用量省,但毒性大,应用范围不广；4、等电点沉淀：调节体系pH值,使两性电解质的溶解度下降,析出的操作称为等电点沉淀;原理：蛋白质是两性电解质,当溶液pH值处于等电点时,分子表面净电荷为0,双电层和水化膜结构被破坏,由于分子间引力,形成蛋白质聚集体,进而产生沉淀;第十五章膜过滤法1、膜过滤法指以压力为推动力,依靠膜的选择性,将液体中的组分进行分离的方法;基本原理是筛孔分离过程;在压差的推动下,原料液中的溶剂和小的溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧,所得到的液体一般称为滤出液或透过液,而大的粒子组分被膜截留;包括微滤MF、超滤UF、纳滤NF和反渗透RO四种过程;在工业上用得最广的膜材料是醋酸纤维素和聚砜;浓差极化：当溶剂透过膜,而溶质留在膜上,使膜面浓度增大,并高于主体中浓度,这种浓度差导致溶质自膜面反扩散至主体中,这种现象称为浓差极化;在超滤中,为减少浓差极化,通常采用错流操作;膜的污染：膜在使用中,尽管操作条件保持不变,但通量仍逐渐降低的现象;污染原因：膜与料液中某一溶质的相互作用；吸附在膜上的溶质和其它溶质的相互作用;。
现代分子生物学重点
现代分子生物学重点现代分子生物学 [键入文字]现代分子生物学1、DNA重组技术：又称基因工程,是将DNA片段或基因在体外经人工剪接后,按照人们的设计与克隆载体定向连接起来,在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达,产生影响受体细胞的新的遗传性状。
2、基因组：指某种生物单倍染色体中所含有的基因总数,也就是包含个体生长、发育等一切生命活动所需的遗传信息的整套核酸。
3、功能基因组：又称后基因组，是在基因组计划的基础上建立起来的，它主要研究基因及其所编码蛋白质的结构与功能，指导人们充分准确地利用这些基因的产物。
1、简述分子生物学的基本含义：从广义来讲:分子生物学是从分子水平阐明生命现象和生物学规律的一门新兴的边缘学科。
它主要对蛋白质和核酸等生物大分子结构和功能以及遗传信息的传递过程进行研究。
从狭义来讲：分子生物学的范畴偏重于核酸（或基因）的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调节控制等过程，当然其中也涉及到与这些过程有关的蛋白质与酶的结构和功能的研究 2、早期主要有那些实验证实DNA是遗传物质？写出这些实验的主要步骤主要是两个实验：肺炎链球菌转化实验和噬菌体侵染细菌实验步骤：肺炎链球菌转化实验首先将光滑型致病菌（S型）烧煮杀灭活性以后再侵染小鼠，发现这些死细菌自然丧失了治病能力，再用活的粗糙型细菌（R型）来侵染小鼠，也不能使之发病，因为粗糙型细菌天然无治病能力。
讲经烧煮杀死的S型细菌和活的R型细菌混合在感染小鼠时，实验小鼠都死了，解剖小鼠，发现有大量活的S型（而不是R型）细菌，推测死细菌的中的某一成分转化源将无治病力的细菌转化成病原细菌。
噬菌体侵染细菌的实验：用分别带有S标记的氨基酸和P标记的核苷酸的细菌培养基培养噬菌体，自带噬菌体中就相应的含有S标记的蛋白质或P标记的核酸，分别用这些噬菌体感染没有被放射性标记的细菌，经过1~2个噬菌体DNA复制周期后发现，子代噬菌体中几乎不含带S标记的蛋白质，但含有30%以上的P标记，这说明在噬菌体传代过程中发挥作用的可能是DNA，而不是蛋白质。
生物学中引物概念
生物学中引物概念引物在生物学里，就像是一把神奇的钥匙。
这把钥匙不是开普通的门，而是开启DNA复制这个神秘大门的关键家伙。
你看啊，DNA复制就像一场超级精密的建筑工程。
这时候呢，DNA自己没办法一下子就开始复制工作，就好比盖房子，你不能直接让砖头自己一块一块垒起来吧，得有个起始的东西。
引物就是这个起始的东西，它就像建筑工人手里的第一块砖，给后面的工程开了个头。
引物一般是一小段单链的RNA或者DNA。
它能和DNA模板链按照碱基互补配对原则结合。
这就像两个拼图块，严丝合缝地凑到一块儿。
一旦引物和模板链结合上了，就像是给DNA聚合酶发出了一个信号：嘿，这儿可以开始工作啦。
DNA聚合酶就像一个勤劳的小工匠，沿着模板链，以引物为起点，一个一个地添加核苷酸，慢慢地把新的DNA链给合成出来。
那引物是怎么来的呢？在生物体内，有专门的酶来合成引物。
这就像在一个大工厂里，有专门的机器来生产这个特殊的钥匙。
不同的生物，合成引物的方式可能会有点小差别，不过大体的原理都是一样的。
引物在很多生物技术里也特别重要。
比如说PCR技术，这可是现代生物学研究里超级常用的技术。
PCR就像是一个DNA复印机，能把一小段DNA大量地复制。
在这个过程中，引物的作用可太大了。
如果没有引物，就像复印机没有启动按钮一样，整个PCR就没法进行了。
我们再打个比方，把DNA比作一条长长的铁轨。
引物呢，就是放在铁轨上的小标记，告诉那些负责铺设新铁轨（合成新DNA链）的小机器（酶）从这儿开始干活。
要是这个小标记放错了位置或者根本没有，那新铁轨就没法按照正确的方向和位置铺设了。
引物的长度和序列也不是随便定的。
它得根据要结合的DNA模板链来确定。
这就好比开锁的钥匙，每一把钥匙的齿纹都得和锁芯匹配才行。
如果引物的序列不合适，就像拿错了钥匙，根本就插不进DNA这个锁里，也就没办法启动复制这个过程了。
引物在生物学的舞台上扮演着不可或缺的角色。
它是DNA复制开始的信号，是很多生物技术得以进行的关键要素。
生物工程技术
生物工程技术生物工程技术是指利用生物学原理和工程技术手段，通过改造和运用生物体的基因信息、代谢活性和分布动力学等特性，以实现物质的转化、生物产物的制备、生物过程的调控和病理变化的研究等目的的技术领域。
生物工程技术的发展与逐渐成熟，为人类带来了广阔的发展前景和巨大的经济效益。
一、生物工程技术的应用领域生物工程技术在农业、医学、环境保护、能源开发等多个领域都得到了广泛应用。
1. 农业领域生物工程技术为农业生产提供了新的手段和方法。
通过基因工程技术，农作物的抗病虫害性能得到加强，产量和品质也得到提高。
例如，转基因作物的广泛种植，使人们在粮食和植物油等农产品方面得到了更多的选择和供应。
2. 医学领域在医学领域，生物工程技术主要应用于生物药物的研发和生产。
通过基因工程技术，人类利用微生物或细胞系统扩增产生重要的蛋白质药物，如生长激素、胰岛素和抗体等。
这些药物的研发和生产，为人类的健康事业做出了巨大的贡献。
3. 环境保护领域生物工程技术在环境保护领域的应用主要包括污染物的降解和废弃物的处理。
通过利用微生物的代谢特性，可以对污染物进行降解和转化，使其成为无害物质。
此外，也可以利用微生物对废水、固体废物等进行处理，实现资源的回收和减少对环境的污染。
4. 能源开发领域生物工程技术在能源开发领域主要应用于生物质能源的利用和生物燃料的生产。
通过利用生物质材料的降解和转化能力，可以将生物质转化为生物燃料，如乙醇和生物柴油，从而实现可再生能源的开发和利用。
二、生物工程技术的发展趋势随着科学技术的不断进步和认识的深入，生物工程技术正不断发展和改进。
以下是生物工程技术发展的几个趋势：1. 基因组学和蛋白质组学的发展基因组学和蛋白质组学的快速发展将为生物工程技术提供更多的研究材料和方法。
通过对基因组和蛋白质组的研究，可以更好地了解生物体的功能和特性，为生物工程技术的应用提供更精准和可靠的依据。
2. 新一代测序技术的出现新一代测序技术的出现使得基因组学研究更加高效和经济。
合成生物学技术研究进展
合成生物学技术研究进展合成生物学技术是一种基于生物系统的工程学方法，通过设计、构建和优化生物部件、设备和系统，实现新功能或改善现有功能。
随着近年来科研技术的不断发展，合成生物学技术在各个领域都取得了显著的研究成果。
本文将综述合成生物学技术的研究现状、关键技术及其在不同领域的应用进展，并探讨未来的研究方向。
合成生物学技术的研究现状合成生物学技术的研究范围广泛，包括基因编辑、生物传感器、基因表达调控等方面。
目前，合成生物学技术已经应用于医药、农业、环保等领域，并取得了良好的成果。
在医药领域，合成生物学技术的最新进展包括基于合成生物学技术的基因疗法、细胞疗法和药物研发。
例如，通过基因编辑技术纠正致病基因突变，治疗遗传性疾病；利用合成生物学方法设计新型药物，提高药物疗效和降低副作用。
在农业领域，合成生物学技术的应用包括基因编辑技术改良作物、生物传感器监测环境因素和基因表达调控优化农作物产量。
合成生物学技术在解决全球粮食安全和生态环境问题方面也发挥了重要作用。
在环保领域，合成生物学技术的应用包括设计生物传感器检测环境污染、基因编辑技术改善污染物降解菌以及基因表达调控研究生态修复等。
例如，通过合成生物学技术提高微生物对重金属的抗性和降解能力，降低污染物的环境影响。
合成生物学技术的关键技术基因编辑技术：基因编辑技术是合成生物学中的核心技能之一，它能够实现对DNA序列的精确修改。
CRISPR-Cas9系统是近年来最受欢迎的基因编辑工具，它能够在指定位置切割DNA，并允许研究人员插入或删除基因序列。
生物传感器：生物传感器是另一种关键技术，它利用生物分子识别特定目标，并转化为可检测的信号。
生物传感器的应用范围广泛，包括环境监测、食品工业和临床诊断等领域。
基因表达调控：基因表达调控是合成生物学技术的另一个关键领域。
它涉及对遗传信息的转录、翻译和修饰进行精确控制，以实现所需蛋白质的时空表达。
通过基因表达调控，研究人员可以优化生物系统的性能，并实现新功能的开发。
高中生物名言警句
高中生物名言警句1. 达尔文说过：“能够生存下来的物种，并不是那些最强壮的，也不是那些最聪明的，而是那些对变化作出快速反应的。
”这就像是在高中生物里讲的自然选择学说一样，物种要适应环境的变化才能生存繁衍。
就好比长颈鹿的脖子不是一开始就那么长，而是在环境的选择下，长脖子的长颈鹿更容易吃到高处的树叶，所以就逐渐被筛选出来了。
2. 童第周讲过：“应该记住，我们的事业，需要的是手，而不是嘴。
”在生物学习中，我们不能光说不做，实验操作非常重要。
就像我们做细胞观察实验，必须亲手去制作玻片标本，用显微镜仔细观察细胞的结构，光靠嘴说可没法真正理解细胞的奥秘。
3. 巴斯德说：“科学虽没有国界，但是学者却有他自己的国家。
”在生物科学领域，全世界的科学家都在探索生物的奥秘，像研究全球性的传染病防治，大家共享研究成果，但每个科学家又都在为自己国家的生物科技发展贡献力量。
4. 克里克说：“我们的工作是如此基本，以至于可以说，我们已经触及了生命的奥秘。
”这就如同我们在高中生物里探索DNA的结构和功能，这可是生命最基本的奥秘之一，知道了DNA的双螺旋结构，就像打开了一扇通往理解生命遗传本质的大门。
5. 摩尔根说：“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找。
”细胞是生命的基本单位嘛。
就像我们学习细胞呼吸，细胞内的线粒体就像个小小的发电厂，为细胞提供能量，细胞的各种生命活动都依赖于细胞内的各种结构和反应。
6. 施莱登说：“植物，不论发展到多么高级，都是由充分个体化的、各自独立的、分离的物体组成的，这些物体就是细胞。
”这清楚地强调了细胞在植物中的重要性。
在学习植物结构的时候，从最外层的表皮细胞，到里面的叶肉细胞，再到导管筛管细胞，植物的每一部分都是由细胞构成的。
7. 施旺说：“动物细胞与植物细胞相似，也是由细胞膜、细胞质、细胞核组成。
”这让我们在学习生物的时候，可以通过对比植物细胞和动物细胞的结构，更好地理解细胞的共性和特性。
比如说动物细胞没有细胞壁，而植物细胞有，这就导致了它们在形态和功能上有很多差异。
合成生物学的重要原则
合成生物学的重要原则示例文章篇一：《合成生物学的重要原则》嘿，同学们！你们知道什么是合成生物学吗？这可是个超级酷的领域！合成生物学就像是一个神奇的魔法世界，科学家们在这里就像拥有了神奇的魔法棒，可以创造出各种各样新奇的东西。
想象一下，我们把细胞看作是一个小小的工厂，而合成生物学就是那个能让我们重新设计这个工厂的魔法。
它能让这个小工厂生产出我们想要的东西，比如说能治病的药物，或者是超级环保的材料。
这难道不神奇吗？合成生物学有几个特别重要的原则，就像是游戏里的规则一样。
首先是“设计原则”。
这就好像我们盖房子之前要先画好设计图一样。
科学家们在进行合成生物学的研究时，也要先好好设计一番。
他们要想清楚自己想要让细胞做什么，然后制定出详细的计划。
比如说，如果想要细胞生产出一种新的蛋白质，那就要设计好细胞里面的基因序列，就像给细胞下达了一道精确的命令。
难道这不像我们给小伙伴分配任务，要讲清楚怎么做一样吗？还有“模块化原则”呢！这就好比我们搭积木，每个积木块都有自己独特的功能和形状。
在合成生物学里，各种生物分子和基因片段就像是这些积木块，科学家们可以把它们组合在一起，形成不同的功能模块。
比如说，一个模块负责生产某种物质，另一个模块负责检测环境变化。
这样，就可以像搭积木一样搭建出复杂而有用的生物系统啦！你说这是不是很有趣？“标准化原则”也是很关键的哟！这就好像我们在学校里都要遵守统一的规则一样。
在合成生物学中，科学家们也需要遵循一些标准，这样不同的研究成果才能相互交流和使用。
不然的话，就像大家都说着不同的语言，怎么能互相理解和合作呢？合成生物学的这些原则，让科学家们能够创造出很多对我们生活有帮助的东西。
比如说，制造出更有效的药物来治疗疾病，让那些生病的人能够快点好起来；或者创造出更环保的材料，让我们的地球变得更美丽。
同学们，你们难道不觉得合成生物学充满了无限的可能吗？我觉得呀，未来的世界，合成生物学一定会给我们带来更多的惊喜！它就像一颗闪耀的星星，照亮着我们前进的道路。
分子生物学基础
分子生物学基础分子生物学是现代生命科学领域中最具活力和前景的学科之一。
它以分子为研究基础，探索生命的奥秘，揭示生物体的生命活动规律。
本文将介绍分子生物学的基础知识，包括DNA、RNA、蛋白质和细胞信号转导等。
一、DNA：生命的遗传密码DNA，即脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid），是生物体的遗传物质，负责储存和传递遗传信息。
DNA由四种碱基组成：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。
这些碱基按照特定的顺序排列，形成一串串的密码子，指导细胞合成相应的蛋白质。
DNA的复制是生命延续的基础。
在分裂间期，DNA双链解开，形成单链模板，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。
在分裂期，DNA双链进一步解开，形成两条单链染色体，分配到两个子细胞中。
二、RNA：翻译过程中的重要角色RNA，即核糖核酸（Ribonucleic Acid），是DNA转录的产物，也是蛋白质合成的中间产物。
RNA分为三种：mRNA、tRNA和rRNA。
mRNA 是编码蛋白质的RNA，携带由DNA转录而来的信息；tRNA是转运RNA，负责将氨基酸转运到核糖体上；rRNA是核糖体RNA，与蛋白质一起构成核糖体，为蛋白质合成提供场所。
在翻译过程中，mRNA根据密码子的顺序指导氨基酸合成多肽链。
tRNA 将氨基酸转运到核糖体上，按照mRNA的密码子顺序依次连接成肽链。
rRNA与蛋白质构成核糖体，为翻译过程提供场所和能量。
三、蛋白质：生命活动的执行者蛋白质是生物体内最重要的分子之一，是生命活动的主要执行者。
蛋白质由氨基酸组成，具有特定的空间构象和功能活性。
不同的蛋白质具有不同的结构和功能，如酶、激素、抗体、载体等。
蛋白质的合成以mRNA为模板，经过翻译过程合成多肽链。
多肽链经过折叠和修饰后形成具有特定结构和功能的蛋白质。
蛋白质的合成和降解受到严格的调控，以确保生命活动的正常进行。
四、细胞信号转导：细胞通讯的基础细胞信号转导是指细胞间通过传递信号分子来实现信息交流和沟通的过程。
原料药合成中的基础知识
控制反应速率 控制反应机理
得到预期的产品。
❖ 化学动力学的研究对象
化学动力学研究化学反应的速率和反应的机理以及 温度、压力、催化剂、溶剂和光照等外界因素对反 应速率的影响，揭示反应的机理，从而控制化学反 应的过程，为生产、科研服务。
可用于分离的物质的性质物理性质力学性质密度摩擦因素表面张力尺寸质量热力学性质熔点沸点临界点蒸汽压溶解度分配系数吸附电磁性质电导率介电常数迁移率电荷淌度磁化率输送性质扩散系数分子飞行速度化学性质热力学性质反应平衡常数化学吸附平衡常数离解常数电离电位反应速度反应速度常数生物学性质生物亲和力生物吸附平衡生物学反应速度常数二常用的分离方法与技术根据物质溶解度差别进行分离结晶与重结晶1基本原理利用混合物中各种成分在溶剂中溶解度的差别使所需成分以结晶状态析出从而达到分离精制的目的
❖ 溶胶－凝胶法
定义：溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化 合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并 进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透 明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三 维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流 动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化 制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
4. 溶剂热法是在水热方法的基础上发展起来的 一种新的材料制备方法，将水热中的水换成
有机溶剂（例如：醇、有机胺、苯或四氯化
碳等），采用类似水热法的原理制备在水溶
液中无法生长，易氧化、易水解或对水敏感
的材料。溶剂热法的优点主要体现在如下几 个方面：（1）在有机溶剂中进行的反应能够 有效地抑制产物的氧化过程或空气中氧的污 染。（2）由于有机溶剂的低沸点，在同样的 条件下可以达到比水热更高的气压，从而有 利于产物的结晶。（3）非水溶剂的采用使得 溶剂热法可选择原料的范围大大扩大。
合成生物学和生物信息学的融合研究
合成生物学和生物信息学的融合研究随着科学技术的不断进步，合成生物学和生物信息学被赋予了越来越重要的角色。
生物信息学和合成生物学结合起来，能够进一步推进生物实验技术、生物学研究和现代医学的发展。
在合成生物学中，科学家们通过对微生物细胞进行遗传改造和基因编辑等手段，来改变它们的代谢网络，从而使其产生符合人类需要的物质。
这意味着，微生物可以被重构成一种工具，以帮助我们实现人类对生物化学产物的需求。
但是，这种研究仅依赖于实验室基础设施和不断提高的技术，而缺少有效的生物信息学工具和算法对数据的处理和分析，限制了该领域的发展。
生物信息学则主要研究如何从大量的生物学数据中提取信息，对于加速生物学研究起着至关重要的作用。
例如，大规模基因测序技术，为人类进一步认识生物界打下了基础。
然而，许多生物学数据相对较复杂且可变性较大，因此，如何从这些数据中提取有用的信息，需要依赖强大的生物信息学分析工具和技术。
生物信息学和合成生物学之间的融合，可以相互强化，互相促进。
例如，当我们研究合成生物过程时，我们可以使用生物信息学工具来对其基因组数据进行分析，以了解其基因表达情况，解剖其代谢网络，进而改进合成生物实验和设计方法。
同时，合成生物学也可以为生物信息学提供大量标准化的数据和标本样品，从而促进生物信息学研究的进展。
这种交流和跨学科融合可以进一步推进生命科学的发展，为现代医学和工业生产提供帮助。
虽然合成生物学和生物信息学的结合已经取得了一些重要成果，但是，随着大数据时代的到来，我们需要更多的算法和工具来推动这一领域的发展。
比如，目前新型病原体研究中的COVID-19研究，就将生物信息学和合成生物学的方法融合在了一起。
利用生物信息学技术可以快速测序分析出病毒基因组及其变异情况；合成生物学可以设计并合成出类似的病毒，以此来更好地理解病毒传播、病毒变异和疫苗研制等过程。
此外，随着人们对疾病、趋势和生物界的认知不断深入，生物信息学和合成生物学也将面临许多新挑战和机遇。
分子生物学技术
分子生物学技术引言分子生物学技术是指利用分子生物学方法和工具进行生物学研究和应用的技术手段。
随着分子生物学的发展，许多可靠、高效的分子生物学技术被广泛应用于基础研究、医学诊断、基因工程、药物开发等领域。
本文将介绍几种常见的分子生物学技术，并讨论其原理、应用以及前景。
PCR技术PCR（Polymerase Chain Reaction）是一种通过不断复制目标DNA片段的技术。
它是由美国科学家凯瑟琳·莫尔斯于1983年首次提出的。
PCR技术利用一个DNA聚合酶、一对引物和一种DNA模板，通过不断重复的三步循环反应来复制目标DNA片段。
这种技术可以快速、高效地产生大量特定DNA片段，广泛应用于基因克隆、基因检测、疾病诊断等领域。
PCR技术的原理是利用DNA聚合酶将两个引物结合到DNA模板的两端，然后在适当的温度下进行DNA的变性、连接和扩增。
在循环反应的每一轮中，引物会结合到模板DNA的两端，聚合酶会合成新的DNA链。
通过连续反复的循环反应，目标DNA片段的数量呈指数增长。
PCR技术的应用非常广泛。
在基因克隆方面，PCR技术可以快速地从全基因组DNA中扩增出目标基因，用于构建基因工程载体。
在基因检测方面，PCR技术可以用于检测基因突变、基因拷贝数变异等，对遗传病的诊断具有重要意义。
此外，PCR技术还可以用于病原微生物的检测、药物开发等领域。
PCR技术的未来发展方向主要包括提高扩增效率和准确度，减少扩增偏差，缩短反应时间等。
同时，与其他分子生物学技术的组合应用也是一种发展趋势，如与DNA测序技术的结合可以实现快速而准确的基因分型。
DNA测序技术DNA测序技术是指通过分析DNA序列来确定DNA中碱基的排列顺序的技术。
DNA测序技术是20世纪70年代末到80年代初发展起来的，它的发展使得人们能够更深入地研究DNA的结构和功能，对遗传病的研究也产生了深远的影响。
DNA测序技术的原理是利用DNA聚合酶和DNA链终止剂，在DNA复制过程中有选择地将碱基添加到正在合成的DNA链上。
分子生物学基本技术
分子生物学基本技术包括核酸的纯化，体外合成、分子杂交、基因克隆、基因表达研究技术等第一节DNA的体外合成一、DNA的化学合成（无要求）－亚磷酸三酯法DNA的化学合成广泛用于合成寡核苷酸探针和引物，有时也用于人工合成基因和反义寡核苷酸。
目前寡核苷酸均是用DNA合成仪合成的，大多数DNA合成仪是以固相亚磷酸三酯法为基础设计制造的合成的原理：核酸固相合成的基本原理是将所要合成的核酸链的末端核苷酸先固定在一种不溶性高分子固相载体上，然后再从此末端开始将其他核苷酸按顺序逐一接长。
每接长一个核苷酸残基则经历一轮相同的操作，由于接长的核酸链始终被固定在固相载体上，所以过量的未反应物或反应副产物可通过过滤或洗涤的方法除去。
合成至所需长度后的核酸链可从固相载体上切割下来并脱去各种保护基，再经纯化即可得到最终产物。
（末端核苷酸的3′-OH与固相载体成共价键，5′-OH被二甲氧基三苯甲基(DMT)保护，下一个核苷酸的5′-OH亦被DMT保护，3′-OH上的磷酸基上氨基亚磷酸化合物活化。
碱基上的氨基用苯甲酸保护。
每延伸一个核苷酸需四步化学反应(1) 脱DMT游离出5′-OH 。
(2) 缩合（偶联反应）：新生成的5′-OH与下一个核苷活化的3′单体缩合成亚磷酸三酯使链增长(3) 盖帽（封端反应）：有少量(小于0.5%)未缩合的5′-OH 要在甲基咪唑或二甲氨基吡啶催化下用乙酸苷乙酰化封闭，以防进一步缩合造成错误延伸。
(4) 氧化：新增核苷酸链中的磷为三价亚磷，需用碘氧化成五价磷（磷酸三酯）。
上述步骤循环一次，核苷酸链向5′方向延伸一个核苷酸二、聚合酶链式反应技术聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)是一种体外特定核酸序列扩增技术。
一)PCR的基本原理双链DNA热变性成两条单链，降温使反应体系中的两个引物分别与两条DNA单链两侧的序列特异性复性，在合适的条件下，耐热DNA聚合酶以单链DNA为模板，利用反应体系中的4种dNTP 合成其互补链(延伸)，在适宜的条件下，这种变性→复性→延伸的循环重复1次DNA的量可以增加1倍，30次循环后，DNA的量增加230倍。
生物技术复习资料（完整整理版）
⽣物技术复习资料（完整整理版）⽣物技术复习资料第⼀章基因⼯程⼀．专业符号Tetr 四环素抗性 R/M体系Ampr 氨苄青霉素抗性 pBR322 质粒载体M13 单链噬菌体载体 cosmid 科斯质粒IPTG 异丙基-β-D硫代半乳糖苷 DNA ligase DNA连接酶EcoRI ⼀种限制酶 host 宿主Plasmid 质粒 Ori 复制起始位点vector 载体 cDNA 互补DNAsouthern blot DNA印迹转移技术 MCS 多克隆位点⼆．名词解释⽣物⼯程bioengineering——利⽤⽣物有机体（包括微⽣物和动、植物）或其组成部分（包括器官、组织、细胞、细胞器）和组织成分（包括DNA、RNA、蛋⽩质、酶、多糖、抗体等），形成新的技术⼿段来发展新产品和新⼯艺的⼀种技术体系。
也是采⽤先进⽣物学和⼯程学技术，有⽬的、有计划定向加⼯制造⽣物产品的⼀个新兴技术领域。
免疫分析法——免疫分析法是利⽤抗原抗体特异性结合反应检测各种物质（药物、激素、蛋⽩质、微⽣物等）的分析⽅法。
基因⼯程——指按照⼈们的意愿，在体外将核酸分⼦插⼊病毒、质粒或其他载体分⼦，构成遗传物质的新组合，并使之转⼊到原先没有这类分⼦的宿主细胞内，形成能持续稳定繁殖的新物种。
其⽬的是为⼈类提供有⽤产品及服务。
感受态细胞——能从其周围摄⼊DNA的细胞称为感受态细胞。
同聚物加尾法——利⽤末端脱氧核苷酸转移酶(TdT)转移核苷酸的特殊功能，将同种核苷酸（dNTP)加到DNA分⼦单链延伸末端的3‘-OH上。
如果在⽬的基因两侧加polydA，则在载体两侧加polydT。
长度⼀般10~40个残基。
可以连接任何两段DNA分⼦的普遍性⽅法。
原位杂交技术——根据核酸杂交原理，利⽤基因探针检出培养板上重组转化体菌落位置的技术称之为原位杂交技术。
DNA接头——它是⼀类⼈⼯合成的⼀头具有某种限制酶粘性末端，另⼀头为平末端的特殊的双链寡核苷酸短⽚段。
合成生物学的应用领域
合成生物学的应用领域《合成生物学的应用领域》我有一个朋友叫小李，他是个超级科技迷。
有一天，我们一起去参观一个科技展览。
展览厅里人头攒动，大家都对那些新奇的科技展品充满了好奇。
小李就像个兴奋的小孩子，眼睛里闪烁着光芒，拉着我在各个展品之间穿梭。
在一个不起眼的角落里，我们发现了一个关于合成生物学的展示区。
那里摆放着一些奇怪的模型和图表，旁边还有一位讲解员在耐心地给参观者讲解。
小李一下子就被吸引住了，他凑上前去，眼睛一眨不眨地盯着那些展品。
讲解员看到小李这么感兴趣，笑着问他：“你知道合成生物学吗？这可是一门超级神奇的学科呢！”小李挠挠头，有点不好意思地说：“只听说过一点，不是很清楚。
”讲解员便开始了生动的讲解。
合成生物学就像是一个超级建筑师，不过它构建的不是高楼大厦，而是微生物或者细胞。
它把生物学的各个部分像积木一样组合起来，创造出全新的生物系统或者改进现有的生物系统。
这就好比我们搭乐高积木，用不同的小零件组合成各种各样的造型。
先说说在医药领域的应用吧。
你看，我们现在很多疾病都很顽固，就像一个个难以攻克的小怪兽。
但是合成生物学就像是超级英雄，来拯救我们了。
比如说，现在有一些细菌感染，普通的抗生素可能已经不太管用了。
合成生物学就可以设计出一种特殊的噬菌体，这噬菌体就像精确制导的导弹，专门去攻击那些有害的细菌，而且不会伤害我们身体里的有益细菌，就像区分好人和坏人一样精准。
还有呢，在药物研发方面，合成生物学可以帮助我们生产一些原本很难获取的药物成分。
它可以改造微生物，让微生物像一个个小工厂一样，源源不断地生产出我们需要的药物。
这可比传统的药物生产方式高效多了，就像从手工小作坊一下子变成了现代化的大工厂。
再看看农业方面。
农民伯伯们总是担心病虫害，辛辛苦苦种的庄稼要是被虫子吃光了，那得多伤心啊。
合成生物学就想出了妙招。
可以把一些植物进行基因改造，让它们自己就具备抵抗病虫害的能力，这就像是给植物穿上了一层坚固的铠甲。
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生物技术132 孟庆猛1309011066合成生物学中那些不得不说的技术20 世纪的生物学研究一直着眼于对生物系统的不断分解，解剖至细胞中单个蛋白或基因，研究其结构和功能来解释生命现象。
但随着当代分子生物学技术的迅猛发展，以系统化设计和工程化构建为理念的合成生物学成为新一代生物学的发展方向。
合成生物学旨在对多种天然的或人工设计的生物学元件进行合理而系统的组合以获得重构的或非天然的“生物系统”，其涵盖的研究内容可以大体分为 3 个层次：一是利用已知功能的天然生物模体（motif）或模块（module）构建成新型调控网络并表现出新功能；二是采用从头合成（de novo synthesis）的方法，人工合成基因组DNA 并重构生命体；第三个层次则是在前两个研究领域得到充分发展之后，创建完整的全新生物系统乃至人工生命体（artificial life）。
合成生物学强调利用工程化的设计理念，实现从元件到模块再到系统的“自下而上”设计。
利用生物系统最底层的DNA、RNA、蛋白质等作为设计的元件，利用转录调控、代谢调控等生物功能将这些底层元件关联起来形成生物模块，再将这些模块连接成系统，实现所需的功能。
这是一门涉及微生物学、分子生物学、系统生物学、遗传工程、材料科学以及计算科学等多个领域的综合性交叉学科。
它有别于传统的基因工程，其目的在于组装各种生命元件来建立人工生物体系，让它们能像电路一样在生物体内运行，使生物体能按预想的方式完成各种生物学功能。
合成生物学的最高境界是灵活设计和改造生命，重塑生命体。
本文就目前合成生物学采用的关键技术和研究应用进展两方面进行综述。
基因组的人工合成技术2010 年5 月20 日，Science 报道了Venter 研究组采用化学方法合成了一个 1.08 Mb 的蕈状支原体基因组，并将其移植入一个山羊支原体受体细胞，从而创造了一个仅由合成基因组控制的新的蕈状支原体细胞。
这项成果在合成生物学的发展史中具有里程碑的意义。
在此之前，也有许多基因组合成的成功报道。
2002 年，纽约州立大学Wimmer 实验室合成了脊髓灰质炎病毒，这是人类历史上第一个人工合成的病毒。
多年来，Venter 等一直致力于合成基因组的研究。
2003 年，合成了长达5386 bp 的ΦX174 噬菌体基因组，实现了用寡核苷酸合成的方法精确合成了 5 ~ 6 kb 的DNA 序列；2008 年，Venter 实验室又合成了生殖支原体基因组，该基因组全长582970 bp，是已知的生物体中独立生存的最小基因组；2010 年10 月他们又发明了迄今最简单有效的基因合成技术，并以此合成了实验小鼠的线粒体基因组。
Dymond 等的研究更进了一步，他们于2011 年报道成功设计合成了酿酒酵母的部分染色体，这是酿酒酵母基因组人工合成计划（SC2.0 Project）取得的第一个成果，该项目的最终目标是人工合成构建酿酒酵母基因组。
酵母基因组人工合成将是合成生物学发展史上又一重要的里程碑。
DNA 合成是支撑合成生物学发展的核心技术，它不依赖于DNA 模板，可根据已知的DNA 序列直接合成，在基因及生物元件的合成、基因回路和生物合成途径的重新设计组装，以及全基因组的人工合成中发挥重大作用。
由于化学合成的DNA 片段长度有限，要合成长的DNA 片段需要先合成短的寡核苷酸，然后再将寡核苷酸进行拼接。
因此，基因组合成的基本思路为：①按照原始基因组序列设计合成寡核苷酸；②利用各种方法将寡核苷酸拼接成较长的DNA 序列；③以较长的序列为基础，进一步拼接得到更长的DNA 序列，拼接成完整的基因组；④将合成的基因组移植到细胞中，并验证其功能。
一、寡核苷酸的合成目前寡核苷酸一般采用固相亚磷酰胺三酯法合成。
寡核苷酸的长度是一个重要的参数，随着长度的延长，产率下降，纯度也降低，积累的合成错误大大增加。
较短的寡核苷酸会有较少的错误，但是需要增加组装所需的重叠序列，使合成成本增加。
使用60-mer 的寡核苷酸，可以最大程度地降低错配率和生产成本。
二、由寡核苷酸拼接成较长的DNA 片段寡核苷酸可以通过各种方法拼接成几百bp 到几千bp 的DNA 片段。
常用的体外拼接方法有以下两种：连接酶链式反应（ligase chain reaction，LCR）和快速聚合酶链式组装法（polymerase chain assembly，PCA）。
LCR 法利用Taq 连接酶将首尾相连、重叠杂交的寡核苷酸片段连接起来，连接反应在较高温度下进行，因而可以排除DNA 二级结构的干扰；但是基因合成的成本大大增加。
PCA 法是两条具有部分重叠的寡核苷酸互为引物互为模板进行聚合酶的延伸，延伸得到的序列再通过与其他寡核苷酸退火、延伸，进行多次循环后，最终合成目的序列。
PCA 法合成成本较连接酶法大大降低。
这种方法逐渐得到广泛使用，并且衍生出一系列的DNA拼接方法，包括TBIO 法（thermodynamically balanced inside-out）、双重不对称PCR（dual asymmetric PCR）、重叠延伸PCR（overlap extension PCR，OE-PCR）和连续PCR 等。
此外，Venter 小组报道将两端带有重叠序列的寡核苷酸片段和载体转入酵母细胞中，利用酵母体内的同源重组可以拼接起来并克隆到载体上，可以实现38 个寡核苷酸片段同时拼接。
三、DNA 大片段和基因组的组装利用LCR 和PCA 法一般可将寡核苷酸拼接成几千bp 以下的基因序列。
更长的大片段和基因组DNA 则需要进一步拼接。
常用的拼接方法有以下几种：①利用限制性内切酶和连接酶的连接这是最简单的方法，通过连接将片段连成全长。
但是当进行多个DNA 片段连接时，往往很难找到合适的酶切位点，而且连接片段会有几个碱基的残留，因此该方法在多个DNA 片段连接时有很大的局限性。
合成生物学中的Biobrick 连接法巧妙地设计了 4 个限制性内切酶，通过酶切连接可以将DNA 片段拼接起来。
还有一种筛选连接法（ligation by selection，LBS），使用IIs 型限制性内切酶Bsa I 和Bbs I，并通过抗性筛选实现无痕拼接。
Kodumal 等利用这种方法最终组装成了32 kb 长的聚酮合酶基因簇。
②基于重叠序列和聚合酶延伸的方法包括重叠延伸PCR（OE-PCR）法和环形聚合酶延伸法（circular polymerase extension cloning，CPEC）。
OE-PCR 法是相邻的具有重叠序列的DNA 片段变性退火后形成互补双链，通过DNA聚合酶进行延伸，再利用末端引物将其扩增出来。
该方法方便有效，但依赖于聚合酶的高保真度，合成的大片段长度有限，约在20 kb 以下。
CPEC 法原理与OE-PCR 类似，但是不需要扩增引物，可将多个相互重叠的DNA 片段与载体一步连接成完整的环状质粒，然后直接转化细胞，在体内进行扩增。
③不依赖于基因序列和连接反应的克隆方法利用T4 DNA 聚合酶在无dNTPs 的情况下发挥的3' ~ 5' 外切酶活性，能将DNA 片段消化产生含有同源序列的5'-ssDNA 突出端（15 ~ 30 个碱基），DNA 片段之间及DNA 与载体依靠同源序列退火，形成环状中间体，直接转化细胞，利用大肠杆菌本身的修复系统修复成完整的环状质粒。
这种克隆方法不需要连接酶，也不需要考虑插入片段的序列，可实现多个DNA 片段的一次性连接重组，用途非常广泛。
国外公司已经开始将其用于商业，比如Novagen 公司的Radiance TM系统及Invitrogen 公司GatewayTM 系统都是基于此技术的原理开发的。
Schmid-Burgk 等对不依赖于基因序列和连接反应的克隆方法（sequence and ligation- independent cloning，SLIC）进行了改进，设计一段特殊序列，但是这种方法会在连接序列中引入多余的碱基，适用于基因之间的拼接，可用于合成生物学中基因回路的构建及生物途径的组装。
④Gibson 等温一步拼接法该法是SLIC 法的延伸。
选用核酸外切酶、DNA 聚合酶和DNA 连接酶 3 种酶进行拼接。
相邻的具有重叠序列的片段，加入上述 3 种酶和dNTPs 共同孵育。
核酸外切酶能从5′降解核苷酸，且不与DNA 聚合酶竞争。
双链DNA 被消化产生突出的单链DNA，重叠序列特异性退火，此时，外切酶逐渐热失活。
DNA 聚合酶和DNA 连接酶修复连接成完整的双链DNA 分子，从而实现无痕拼接。
Gibson 等利用此方法成功地将 4 个大于100 kb 的片段在体外组装成完整的583 kb 的生殖支原体基因组。
此外，他们还尝试将600 个长60-mers 的寡核苷酸（寡核苷酸之间带有20 个重叠序列）成功地合成了小鼠的线粒体基因组（16.3 kb）。
这种方法方便、快速、高效，能组装长达900 kb 的DNA 大片段，而且出错率会大大降低。
体外重组拼接一般选用细菌人工染色体（BAC）为载体，但是当DNA 片段达到一定长度时（约300 kb），BAC 在大肠杆菌中不稳定，达到转化的极限，更大的片段需要在微生物体内进行重组。
⑤酵母体内同源重组拼接法利用酵母细胞内高效的同源重组系统来实现多个相互存在同源序列的DNA 片段的组装。
Venter 研究组在2008 年的Mycoplasma genitalium JCVI-1.0（582970 bp）基因组合成中最后一步拼接就是在酿酒酵母中完成的[2]。
虽然利用体外重组系统可以组装成完整的基因组，但是BAC 载体在大肠杆菌内不稳定，为此他们建立了转化介导的重组克隆方法（transformation-associated recombination，TAR），利用酵母人工染色体（YAC）能大大提高稳定性及TAR 克隆效率。
TAR 载体与1/4 基因组片段同时转化到酵母中，这些片段之间的重叠序列使它们发生同源重组。
由于YAC 带有着丝粒、自主复制序列及筛选标记，因此不需整合到酵母染色体中进行重组，通过设计同源臂可以得到环状的完整的基因组，便于与酵母染色体分离。
同样地，Venter 研究组利用酵母同源重组完成1078 条平均1080 bp 的DNA 片段的组装，最终合成了 1.08 Mb 的M. mycoides JCVI-syn1.0 基因组。
选用Ycp 型的酵母-大肠杆菌穿梭载体，在酵母体内拼接，然后提取质粒转化到大肠杆菌中进行扩增。
酵母同源重组拼接法是目前报道的最高效的组装DNA 大片段的方法，在合成更长的DNA 如细菌基因组时有很大的优势。