优选合成生物学Ppt
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启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码 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 e.g. E. coli
（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。
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
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.
优选合成生物学
LOGO
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。
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 胞”，一种称为丝状支原体的细菌。
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
可发酵的主要底物
酵母
酿酒酵母 (S. cervisiae)
将藻胆青素合成基因(ho1和pcyA)转入大肠杆 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
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
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，
葡萄糖、果糖、半乳塘、麦芽糖、麦芽三糖和 木酮糖
卡尔斯伯酵母 (S. carlsbergensi)
葡萄糖、果糖、半乳塘、麦芽糖、麦芽三糖和 木酮糖
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)
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பைடு நூலகம்糖、乳糖 葡萄糖、木糖
休哈塔假丝酵母 (C. shehatae) 假热带假丝酵母 (C. pseudotropicalis)
葡萄糖、木糖 葡萄糖、半乳糖、乳糖
热带假丝酵母(C. tropicalis) 树干毕赤酵母 (P. stipitis) 细菌
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 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。
葡萄糖、木糖、木酮糖 葡萄糖、木糖
运动发酵单胞菌 (Zymomonas mobilis) 热纤维梭菌 (C. Thermocellum) (嗜热)
葡萄糖、果糖和蔗糖 葡萄糖、纤维二糖和纤维素
热硫化氢梭菌 (C. Thermohydrosulfricum) 葡萄糖、木糖、蔗糖、纤维二糖淀粉 (嗜热)
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
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。
将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立 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
模块 module
系统
system
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
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 e.g. E. coli
（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。
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
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.
优选合成生物学
LOGO
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。
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 胞”，一种称为丝状支原体的细菌。
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
可发酵的主要底物
酵母
酿酒酵母 (S. cervisiae)
将藻胆青素合成基因(ho1和pcyA)转入大肠杆 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
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
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，
葡萄糖、果糖、半乳塘、麦芽糖、麦芽三糖和 木酮糖
卡尔斯伯酵母 (S. carlsbergensi)
葡萄糖、果糖、半乳塘、麦芽糖、麦芽三糖和 木酮糖
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)
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பைடு நூலகம்糖、乳糖 葡萄糖、木糖
休哈塔假丝酵母 (C. shehatae) 假热带假丝酵母 (C. pseudotropicalis)
葡萄糖、木糖 葡萄糖、半乳糖、乳糖
热带假丝酵母(C. tropicalis) 树干毕赤酵母 (P. stipitis) 细菌
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 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。
葡萄糖、木糖、木酮糖 葡萄糖、木糖
运动发酵单胞菌 (Zymomonas mobilis) 热纤维梭菌 (C. Thermocellum) (嗜热)
葡萄糖、果糖和蔗糖 葡萄糖、纤维二糖和纤维素
热硫化氢梭菌 (C. Thermohydrosulfricum) 葡萄糖、木糖、蔗糖、纤维二糖淀粉 (嗜热)
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
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。
将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立 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
模块 module
系统
system
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