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。

第一步（脱保护活化）是将预先连接在固相载体上其活性基团被保护的核苷酸与三氯乙酸反应，脱去其5，—羟基的保护基团DMT，获得游离的5，—羟基；
第二步（耦联），合成DNA的原料（亚磷酰胺保护核苷酸单体）与活化剂四氮唑混合，得到反应活性很高的核苷亚磷酸活化中间体（它的3’端被活化，5’—羟基仍然被DMT保护），与溶液中游离的5，—羟基发生缩合反应，这个反应时间很快。

第三步是带帽反应，缩合反应中可能有的极少数5，—羟基没有参加反应（合格的合成试剂
缩合效率一定会大于98％，所以未参加反应的少于2％），合成过程使用乙酸酐和l—甲基咪唑使这些核苷5’—羟基反应形成酰，终止其后继续发生反应，这种短片段可以在纯化时分离掉。

这步反应同样是快速高效的；
第四步氧化作用，缩合后在氧化剂碘的作用下，亚磷酰形式转变为更稳定的磷酸三酯。

MICROARRAY，是固定在固体基片上的大量DAN序列的微阵列，是许多复杂核酸
样本中特定DNA序列定性和定量研究的有效工具。

日益引起人们兴趣的MICROARRAY，已经用于基因作图、变异分析和基因表达的检测，并且，有希望成为科学研究和临床应用的标准工具。

从原理上和实践上，基因芯片都是已用于核酸定性、定量研究数十年的杂交方法（Southern blot[12]、Northern blot[13]、克隆杂交和点杂交[14]）的发展：标记样本，再与阵列杂交；杂交足够的时间后，适当地洗膜数次；然后，探针与固定在特定位置上的样本DNA互补杂交而显现杂交印迹。

用MICROARRAY做平行杂交研究的思想本身并不新鲜，排列在滤膜上的阵列已经被用了很多年[15-17]。

然而，不同领域的技术进步已把那些相当笨拙的膜变成了今天更加实用、有效的平行基因分析的方法：首先，大规模的测序工程产生的信息使得DNA集合聚集在一起成为可能，而这些DNA相当于许多组织（从细菌到人）中的全部基因或大部分基因；其次，技术进步已经使得生产高密度DNA阵列成为可能，从而使成千上万个基因展现在比标准的载玻片还小的面积上；最后，核酸荧光标记和荧光检测的进步使得这些芯片的应用更加简便、安全和准确。

Microarray用于靶DNA的制备
靶DNA的选择：对于大规模基因表达的研究，每个被分析的基因都需要一个特定的杂交目标，从本质上讲，因为任何双链DNA样本（以及大部分单链DNA样本）都能被点在处理过的玻璃片上，所以点片用的靶DNA的选择很大程度上取决于所要研究的基因的可获得程度。

对于那些基因组已被完全测序的有机体，最简单的方法是用PCR扩增基因组中已知的、预知的开放阅读框（或研究者感兴趣的子集）。

寡核苷酸合成费用的不断降低（现在大约每对引物10美元）及96孔PCR仪的广泛应用使得这一方法十分可行，甚至对于相对大的基因组也适用。

合成生物学有哪些应用范围？(基因电路、代谢途径、基因组合成)
生物能源
进行细胞工程，将糖、淀粉质、纤维素（农业废物）及二氧化碳中的碳，转化为具效益的产物，包括交通工具所需燃料。

利用可再生原料进行碳中和化合作用，有助减少温室气体的排放。

绿色制造
传统塑胶及纺织制造业牵涉的制作过程，往往需用上高温和有害溶剂，更会产生污染物。

就上述步骤进行细胞工程将可以引伸出一系列程序，其中一些更可以在室温的环境下进行，最后不会产生有害的副产品。

农业
现时，合成生物学获应用于植物工程学，将有助科学家设计一系列能带来更丰硕收成、具抗病能力，及能抵抗极端或恶劣环境的农作植物品种。

制药业
可重新改造细菌及酵母，达致低成本制药的目的，例如采用经基因重组的细菌生产抗疟疾及降胆固醇药物。

上述过程将有效大幅降低生产成本，从而将药物推广于发展中国家的庞大市场。

医疗
重整人类细胞，与人体组织及器官作更佳结合；而细菌及人类免疫细胞则可获转用于发展多项针对不健全细胞及组织的疗法，有助对抗癌病及一些遗传病。

系统生物学(systems biology)
定义：系统生物学是研究生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。

系统生物学不同于以往的分子生物学——仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。

胡德提出生物学为一门信息科学（1）生物学研究的核心——基因组，是数字化的（digital）；（2）生命的数字化核心表现为两大类型的信息，第一类信息是指编码蛋白质的基因，第二类信息是指控制基因行为的调控网络；（3）生物信息是有等级次序的，而且沿着不同的层次流动。

一般说来，生物信息以这样的方向进行流动（中心法则）：
DNA→mRNA→蛋白质→蛋白质相互作用网络→细胞→器官→个体→群体。

生命过程就是一个信息流的过程，系统生物学就是要研究并揭示这种信息的运行规律
研究内容
系统生物学的研究包括两方面的内容。

首先是实验数据的取得, 这主要包括提供生物数据的各种组学技术平台, 其次是利用计算生物学建立生物模型。

因此科学家把系统生物学分为“湿”的实验部分( 实验室内的研究)和“干”的实验部分( 计算机模拟和理论分析)。

研究思路
系统生物学最大的特点即整合。

这里的整合主要包括三重含义。

首先, 把系统内不同性质的构成要素(DNA、mRNA、蛋白质、生物小分子等)整合在一起进行研究; 其次, 对于多细胞生物, 系统生物学要实现从基因到细胞、到器官、到组织甚至是个体的各个层次的整合。

第三, 研究思路和方法的整合。

把水平型研究和垂直型研究整合起来, 成为一种“三维”的研究。

研究方法
对于某种或某些条件的改变去作用于被实验的对象，例如自然产生或人为设定的条件，进行实验并观察结果。

这种对实验对象的影响统称为干涉（perturbation）。

系统生物学最重要的研究手段是干涉(perturbation)。

干涉主要分为从上到下(top- down)或从下到上(bottom-up)两种。

从上到下, 即由外至里, 主要指在系统内添加新的元素, 观察系统变化。

例如, 在系统中增加一个新的分子以阻断某一反应通路。

而从下到上, 即由内到外, 主要是改变系统内部结构的某些特征, 从而改变整个系统, 如利用基因敲除, 改变在信号传导通路中起重要作用的蛋白质的转录和翻译水平。

目前国际上系统生物学的研究方法根据所使用研
究工具的不同可分为两类: 一类是实验性方法, 一类是数学建模方法。

实验性方法主要是通过进行控制性的反复实验来理解系统。

数学建模方法在根据系统内在机制对系统建立动力学模型, 来定量描述系统各元素之间的相互作用, 进而预测系统的动态演化结果。

系统生物学的主要理论方法就是数学建模。

研究热点
基因表达、基因转换开关、信号转导途径, 以及系统出现疾病的机制分析等四个方面是目前系统生物学研究的主要阵地。