医学ppt课件大全合成生物学与国际遗传机器大赛

“合成生物学”与“国际遗传机器大赛 （ international Genetically Engineered Machine Competition， iGEM）” 宋 凯： 合成生物学 Synthetic Biology 何时出现合成生物学这一名字？ Science杂志最早于1911年33卷有两篇文章出现 “synthetic biology” （合成生物学）一词。 LancetLancet杂志最早于1911年7月8日有一篇文章出现 “synthetic biology ” （合成生物学）一词。 在1980年第一次以“基因外科术：合成生物学的开 始”为题出现在德文刊物上。 2000年以后，“合成生物学”一词在学术刊物及互 联网上逐渐大量出现 Nature Biotechnology, 27(12),2009-12-7 Focus on Synthetic Biology The latest iteration of genetic engineering offers the prospect of the design and construction of new life forms from biological parts, devices and systems. Whats in a name? (pp1071 1073) Defining an emerging field can be challenging, Nature Biotechnology asked 20 experts for their views on the term synthetic biology. Genetic engineering focuses on individual genes (typically cloning and over expression). The logical extension of that to system-wide change is genome engineering. Intermediate between these is metabolic engineering, which involves optimizing several genes at once. Synthetic biology is meta to all of these in establishing standards for modules, intentionally interoperable in their assembly and functioning. Hierarchical properties permit computer-aided design at different levels of abstraction, from the sub-molecular level to supra-ecosystem levels. George Church Professor Department of Genetics Harvard Medical School Boston, Massachusetts. Synthetic biology involves the development and application of engineering principles to make the design and construction of complex synthetic biological systems easier and more reliable. It is the focus on the development of new engineering principles and formalism for the substrate of biology that sets it apart from the more mature fields upon which it builds, such as genetic engineering. Christina Smolke Assistant Professor Department of Bioeng Stanford University Stanford, California. Metabolic engineering is adopting synthetic biologys strategies of gene synthesis, very fine control of gene expression, etc., while synthetic biology is taking metabolic engineerings objective- driven strategies of engineering circuits and consideration of whole- cell metabolism. And both are moving towards integration with systems biology. Sang Yup Lee Distinguished Professor and LG Chem Chair Professor Korea Advanced Institute of Science And Technology 维基百科全书：合成生物学旨在设计和构建工 程化的生物系统，使其能够处理信息、操作化 合物、制造材料、生产能源、提供食物、保持 和增强人类的健康和改善我们的环境。 /Synthetic_biology 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。 合成生物学的定义 Synthetic Biology is： A) the design and construction of new biological parts, devices, and systems, and B) the re-design of existing, natural biological systems for useful purposes. / How is this different from genetic engineering? 合成生物学与基因工程有何不同？ Synthetic Biology builds on tools that have been developed over the last 30 years. Genetic engineering has focused on the use of molecular biology to build DNA (for example, cloning and PCR) and automated sequencing to read DNA. Synthetic Biology adds the automated synthesis of DNA (to write DNA), the setting of standards and the use of abstraction to simplify the design process. 199820002002200420062008 2000 4000 6000 8000 1000 0 0 20 40 60 80 100 120 0 网 络 信 息 期 刊 / 专 利 数 量 Sciru网络信息 Scirus 检索专利 Scopus检索期刊 Scirus 检索期刊 合成生物学领域由合成生物学领域由ScirusScirus 搜索的学术论文数、专搜索的学术论文数、专 利数和网络信息以及由利数和网络信息以及由Scopus Scopus 搜索的学术论文数搜索的学术论文数 赵学明老师提供 20042004年被美国年被美国MITMIT出版的出版的Technology Technology ReviewReview评为将改变世界的评为将改变世界的1010大新出现的技术大新出现的技术 之一之一(10 (10 Emerging Emerging Technologies Technologies That That Will Will Change Your World)Change Your World)。 20092009年中科院年中科院300300多位专家经过一年多研究多位专家经过一年多研究 发布的发布的创新创新20502050：科技革命与中国的未来：科技革命与中国的未来战战 略研究系列报告中指出：略研究系列报告中指出：“ “合成生物学合成生物学” ”是可能出现是可能出现 革命性突破的革命性突破的4 4个基本科学问题之一。个基本科学问题之一。 合成生物学的发展前景 合成生物学发生与发展的学科基础 1953年，Watson 和Crick阐明了DNA的 双螺旋结构。 标志着分子生物学时代的到来。 分子生物学是合成生物学的重要基础 。 DNA是生物的遗传物质 人类的人类的DNADNA序列是序列是 人类的真谛，这个世人类的真谛，这个世 界上发生的一切事情界上发生的一切事情 ，都与这一序列息息，都与这一序列息息 相关。相关。 R. Dulbecco, 1986R. Dulbecco, 1986 Renato Dulbecco Renato Dulbecco （1914 -1914 -） 基因、基因组和基因组学: 基因基因 ( (GeneGene) )：遗传功能的单位，是编码蛋：遗传功能的单位，是编码蛋 白质或白质或RNARNA分子的一段分子的一段DNADNA序列序列. . 基因组基因组 ( (GenomeGenome，来自来自Gene Gene + + chromosomechromosome) ) 所有所有DNADNA分子的总和（分子遗传学定义）分子的总和（分子遗传学定义） 基因组学基因组学 ( (GenomicsGenomics) )：研究基因组结构与：研究基因组结构与 功能功能的科学的科学 于于19901990年正式启动年正式启动, ,于于20032003年年 4 4月月1414日完成了人类基因组全日完成了人类基因组全 部序列测定部序列测定 其中，中国承担了其中，中国承担了1% 1% 的测的测 序任务序任务 人类基因组计划人类基因组计划 模式生物基因组计划 哺乳动物 4200 4200 种 真 细 菌 3600 3600 种 古 细 菌 180 180 种 病 毒 1750 1750 种 已完成测序的 模式生物：小鼠、线虫、拟 南芥、果蝇、水稻、酵母、古细菌、真细菌 、病毒 。 A C G TA C G T 为了整理和分析这些序列信息，诞生了一门新兴的 交叉学科-生物信息学是合成生物学的 学科基础之一。 生物信息学是一门交叉学科。它包含了生物信生物信息学是一门交叉学科。它包含了生物信 息的获取、处理、存储、分发、分析和解释等息的获取、处理、存储、分发、分析和解释等 在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科 学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数 据所包含的生物学意义。据所包含的生物学意义。 细胞: 奇异绝妙的小工厂 系统生物学研究细胞对外界环境变化或刺激在各个 层次上如何做相应的变更, 并建立数学模型对总体 应答作出预测. 基因组代谢物组蛋白质组转录物组 基因组学 Genomics 代谢物组学 Metabolomics 蛋白质组学 Proteomics 转录物组学 Transcriptomics DNAmRNA蛋白质代谢物 转录 翻译 催化反应 Systems biology as a foundation for genome-scale synthetic biology Christian L Barrett, Tae Yong Kim, Hyun Uk Kim, Bernhard Palsson and Sang Yup Lee, Current Opinion in Biotechnology 2006, 17:488492 基因组超大量的序列和结构数据 重大的生物技术 数据积累引起的科学发现数据积累引起的科学发现 第四次科学大发展第四次科学大发展 合成生物学发生与发展的学科基础 数 学 物 理 学 工 程 学 生 物 学 计 算 机 科 学 化 学 信 息 学 合成生物学 生物 质能 生物医学 环境修复 精细 化学品 食品 原料 生物材料 生物传 感器 生物 计算机 应用应用 合成生物学的研究内容 生物大分子的合成与模块化 生物基因组的合成、简化与重构 合成代谢网络 遗传/基因线路的设计与构建 细胞群体系统及多细胞系统研究 数学模拟和功能预测 1 2 3 4 6 5 生物大分子的合成与模块化 u蛋白质的工程化改造与模块化 根据调节蛋白自身域结构的重新组合来巧妙的实现： 一类是锌指蛋白， 另一类是甾类受体。 例如：崭新的酶底物结合特异性等。 利用计算化学指导突变，构建具有崭新功能的蛋白质或 活性酶。 利用信号蛋白可以在蛋白-蛋白相互作用水平进行功能的 重编程，对信号通路进行构造和改变。例如，工程化的 支架蛋白。 氨基酸的相互作用使分子链发生折叠形成蛋白 质的二级和三级结构，高度复杂的过程，很难 预测。发展水平远落后于DNA部件的发展水平 。 核酸分子的人工合成 允许高效构建相关的在特殊区域有所改变的基因簇； 允许目标基因的柔性设计而不需常规基因重组或克隆所 需的中间步骤； 允许用户选择只包括期望功能和途径的人工合成基因， 简化或切断生物进化作用所带来的影响； 允许用户插入任意期望的模块，具有可扩展性； 如设计成只有在实验室特殊条件中才能存活的形式，则 更具有安全性。 生物大分子的合成与模块化 核酸分子的人工合成 DNA从头合成（de novo DNA synthesis）技术 S. A. Benner等人人工制造了两种核苷：K和X，组成了 被其称之为AEGIS (An Expanded Genetic Information System)的系统，而且证明了核苷酸的种类可以多达12 种之多。 斯坦福大学的化学家E. T. Kool在原有的四种碱基上增加 苯环，形成新的四种碱基，并制造了加长的双螺旋新分 子“xDNA”，增加了DNA双链的间距，使DNA分子双链 的氢键断裂温度提高。这段双螺旋能在黑暗的环境中发 光并且能在较高的温度下仍然保持稳定。 生物大分子的合成与模块化 1979年H. G. Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因（207bp）； 2002年纽约州立大学石溪分校魏玛（E.Wimmer）小组用了3年的 时间合成出了脊髓灰质炎病毒（Poliovirus）的全基因组，7500bp 。 2003年，J. C. Venter 研究小组用了14天时间从头合成了噬菌体 Phi X174（5386 bp）基因组。 2004年，人工合成了1918年造成全世界上千万人死亡的“西班牙流 感病毒”。 2008年J. C. Venter小组又合成了Mycoplasma genitalium生殖道支 原体基因组（582790kb），这是迄今为止人类在合成生物过程中 走得最远的一步。 J. C. Venter小组 的另外一项工作却获得了成功：不久前将关系较 近的两株支原体中一株的基因组用另外一株的基因组替换，结果仍 能正常“工作”。 人工合成生物全基因组 基因组简化（Genome reduction) 2006年SCIENCE 发表了美国威斯康星大学 Blattnerj教授小组的论文：“减少了大肠杆菌基 因组所出现的性质”。使所设计的菌种基因组减 少高达15，但却保留了好的生长状态和蛋白 质生产。 基因组减少还导致了没有料想到的有益性质：高 的电穿孔效率、重组基因和质粒的精确繁殖， 而这些质粒在其它菌种中是不稳定的。该研究 为设计构建简单高效菌株奠定了很好的基础。 最小细菌基因组的必要条件 必不可少必不可少( (或必需或必需) )的蛋白质编码基因的蛋白质编码基因 （Essential genes)Essential genes)； 必不可少必不可少( (或必需或必需) )的的RNARNA分子编码基因；分子编码基因； 必不可少必不可少( (或必需或必需) )的非编码序列（启动的非编码序列（启动 子序列子序列;TFBS; ;TFBS; 复制起始原点区复制起始原点区 oriCoriC 等等);); /deg/ Database of Essential Genes 5210 （DEG 4.0） No.Chinese NameLatin Name Number of Essential Genes 1枯草杆菌Bacillus subtilis271 2金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus302 3大肠肠杆菌Escherichia coli619 4流感嗜血杆菌Haemophilus influenzae642 5生殖道支原体Mycoplasma genitalium381 6肺炎链链球菌 Streptococcus pneumoniae 244 7幽门门螺杆菌Helicobacter pylori 26695323 8幽门门螺杆菌Helicobacter pylori J99312 9结结核分枝杆菌 Mycobacterium tuberculosis 614 10鼠伤伤寒沙门门氏菌Salmonella typhimurium251 11新凶手弗朗西丝丝菌Francisella novicida392 12Baylyi 不动动杆菌Acinetobacter baylyi293 13酿酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae 878 枯草杆菌 (Bacillus subtilis) No. of essential genes 271 生殖道支原体 （Mycoplasma genitalium） No. of essential genes 381 流感嗜血杆菌 (Haemophilus influenzae) No. of essential genes 642 第一步是重新注释野生型噬菌体T7基因组 。 第二步是将含有39977个碱基对的T7噬菌 体基因组划分为73个单元，每个单元包含 一个或多个元件。 4.9重构（Refactoring）T7噬菌体基因组 增加了1424个碱基对 合成生物学的研究内容 合成代谢网络 利用转录和翻译控制单元调控酶的表达以合成或分解代谢物。 主要以代谢物浓度作为控制元件的输入信号。 例如：利用酿酒酵母和大肠杆菌合成抗疟疾药物青蒿素的前体物质。 遗传/基因线路的设计与构建 1961年F. Jacob和J. Monod提出的乳糖操纵子模型第一次明 确提出了基因表达的调控概念，被认为是分子生物学发展的第二个 里程碑。 细胞群体系统及多细胞系统研究 基于细胞间交流的细胞群体系统及多细胞系统的开发，主要是研究细 胞群体间的同步基因表达、信号交流、异步功能配合等。 数学模拟和功能预测 一种科学只有在成功地运用了数学时，才算真正达到完善的地步。 卡尔马克思 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。 验证和深化对于生物现象的理解 p“合成”将是“分析”的必要补充。 p成功固然会帮助我们建立合成生物学的基本原则和生 物系统的工程化技术； p失败也是人类的理解与自然生物本质间存在鸿沟的直 接佐证，并会为我们如何更好的理解和运用源自于自 然的技术提供指引。 发表合成生物学较多的刊物及新创刊的刊物 PNAS Nature Science MSB 合成生物学应用 BioEnergy. Cells are being engineered to consume agricultural products and produce liquid fuels. British Petroleum and the US DOE granted $650 million dollars for research in the San Francisco Bay Area. Drug Production. Bacteria and yeast can be re-engineered for the low cost production of drugs. Examples include the anti- malarial drug Artemisinin and the cholesterol-lowering drug （降 胆固醇药）. Materials. Recombinant cells have been constructed that can build chemical precursors for the production of plastics and textiles, such as Bio-PDO （1，3丙二醇）and spider silk（蛛丝 ）. Medicine. Cells are being programmed for therapeutic purposes. Bacteria and T-cells can be rewired to circulate in the body and identify and treat diseased cells and tissues. 对合成生物学的资助(美国，部分） US-NSF 2006 年投入2000 万美元资助建立“合成生物学工程研究中心”( Synthetic Biology Engineering Research Center- SynBERC), 由UCB、哈 佛大学、MIT、加州大学旧金山分校等共同组建 US-NSF:08-599,$29M for EMERGING FRONTIERS IN RESEARCH AND INNOVATION: 1. BioSensing Exxon Mobil-synthetic genomics, $6 亿) 合成生物学研究举例 “合成生物学”2004年被美国MIT出版的“Technology Review” 评为将改变世界的10大新出现的技术之一（10 Emerging Technologies That Will Change Your World）。 短短几年的实践已经证明该预见的正确性。 通过使用自然界提供的简单模块，许多合成生物学研究者在 进行两方面的研究：建立有用装置；研究可以取代自然生物 系统的人造生物系统。这些进展主要涉及如下几方面：（a） 合成振荡器和开关；（b）人造细胞细胞相互作用系统；（ c）工程化的信号转导系统；（d）代谢途径工程；（e）通过 蛋白质工程制造的新型生物传感器；（f）最小细胞及合成基 因组。这方面的进展已经有许多专门的综述 。 （1）美国UCB化学工程系教授、劳伦斯国家实验室合成生 物学中心主任Keasling本科曾获得化学与生物学双学位 ，后来又获得化学工程博士学位。所以在他从事代谢工 程及合成生物学的研究中能很好地将化学、生物学、化 学工程学相结合。在他从事抗疟疾药的生物合成研究中 ，始终把细胞当作微生物制药工厂（Microbial drug factories），进行设计、加工、集成、组装、控制。 体现在合成生物学技术上包括DNA的合成、来自细菌、 酵母及植物（青蒿Artemisia annua）等多种基因及代 谢途径的组装、多基因的精密调控等。他们关于抗疟疾 药物生物合成的研究成果先后发表在2003年Nature Biotechnology和2006年的Nature上。 合成生物学研究举例 Keasling 实验室 Research Interests: 代谢工程， 系统生物学，合成生物学 Synthetic Biology for Synthetic Chemistry ACS Chemical Biology, 2008,3:64-76 （合成生物学合成化学青蒿素合成举例） Importance of systems biology in engineering microbes for biofuel production Current Opinion in Biotechnology 2008, 19:228234（系统生物学生物燃料生产） Metabolic engineering of microorganisms for biofuels production: from bugs to synthetic biology to fuels（代谢工程：微生物合成生物学生物燃料） Current Opinion in Biotechnology 2008, 19: in press The process for the microbial production of artemisinin. Using synthetic biology用合成生物学生产抗 疟疾药青蒿素 为了尽快使研究成果产业化，Keasling等人专门建立了 新的公司Amyris Biotechnologies, 用合成生物学技 术进行抗疟疾药及生物能源的生产。2005年MIT“技术 评论”将“细菌工厂”（Bacterial Factories）作为 将影响世界的新出现的10大技术之一，用大量篇幅以 Keasling的工作及Amyris Biotechnologies公司为例， 对细菌工厂进行了介绍。由于在生物合成抗疟疾药物的 突出成就，Keasling教授被美国“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。 Christina D Smolke 研究组最新论文 Production of benzylisoquinoline alkaloids in Saccharomyces cerevisiae Nature Chemical Biology, 2008, 4(9):564- 573 Higher-Order Cellular Information Processing with Synthetic RNA Devices Science,2008,322,456-460 Model-guided design of ligand-regulated RNAi for programmable control of gene expression Molecular Systems Biology , 2008, 4; No.224; Christina D. Smolke Division of Chemistry and Chemical Engineering California Institute of Technology Foundational advances in RNA Foundational advances in RNA engineering applied to control engineering applied to control of biosynthesisof biosynthesis A Synthetic Gene-Metabolic Oscillator Fung, E., Wong, W.W., Suen, J.K., Bulter, T., Lee, S.G. and Liao, J.C. (2005) Nature, 435, 118-122. we designed and constructed a synthetic circuit in Escherichia coli K12, using glycolytic flux to generate oscillation through the signalling metabolite acetyl phosphate. If two metabolite pools are interconverted by two enzymes that are placed under the transcriptional control of acetyl phosphate, the system oscillates when the glycolytic rate exceeds a critical value. We used bifurcation analysis to identify the boundaries of oscillation, and verified these experimentally. This work demonstrates the possibility of using metabolic flux as a control factor in system-wide oscillation, as well as the predictability of a de novo genemetabolic circuit designed using nonlinear dynamic analysis. Metabolic Engineering and Systems Biology Lab. Professor James C. Liao, UCLA Non-Fermentative Pathways for Synthesis of Branched-Chain Higher Alcohols as Biofuels, Nature, 451:86-89 Here we present a synthetic approach using Escherichia coli to produce higher alcohols including isobutanol, 1-butanol, 2-methyl-1- butanol, 3-methyl-1-butanol and 2- phenylethanol from a renewable carbon source, glucose. This strategy leverages the hosts highly active amino acid biosynthetic pathway and diverts its 2-keto acid intermediates for alcohol synthesis. In particular, we have achieved high yield, high specificity production of isobutanol from glucose. The strategy enables the exploration of biofuels beyond those naturally accumulated to high quantities in microbial fermentation. Fig.1 Production of higher alcohols through the synthetic non -fermentative pathways. Resistance to Diet-Induced Obesity in Mice with Synthetic Glyoxylate Shunt Cell Metabolism, 9：525-536, 2009 UCLA的化学与生物分子工程学教授廖俊智（James Liao）借鉴了合成生物学的的研究策略，发现了一项 新的、具有煽动效应的研究结果。他们将细菌和植物 中燃烧脂肪的途径植入老鼠的体内。这种基因改变能 使动物将脂肪转化成二氧化碳，并且在食用同样的快 餐食谱的情况下保持苗条。 波士顿大学的合成生物学家詹姆斯考林斯（James Collins）说：“这项研究令我着迷的地方在于，我 们可以以一种全新的方法、用合成生物学的方法治疗 人类疾病。”当前的基因或蛋白治疗方案主要集中于 单个分子，比如说替换一个缺失的分子，如胰岛素， 或者在癌症中抑制一个有害蛋白的表达。换个思路， 考林斯认为，科学家们可以试着考虑利用工程学的方 法，使身体具有原先不具备的功能。 Direct photosynthetic recycling of carbon dioxide to isobutyraldehyde, NB,27(12):1177-1180.2009 Here we genetically engineered Synechococcus elongatus PCC7942 to produce isobutyraldehyde(异丁醛) and isobutanol directly from CO2 and increased productivity by overexpression of ribulose 1,5- bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco). Isobutyraldehyde is a precursor for the synthesis of other chemicals, and isobutanol can be used as a gasoline substitute. The high vapor pressure of isobutyraldehyde allows in situ product recovery and reduces product toxicity. The engineered strain remained active for 8 d and produced isobutyraldehyde at a higher rate than those reported for ethanol, hydrogen or lipid production by cyanobacteria （蓝藻）or algae. A Tale of Two Energy Problems: Fuel Shortage and Obesity (Award lecture, 1 h) AIChEs Society for Biological Engineering (SBE) has awarded its fifth annual James E. Bailey Award to Dr. James C. Liao for advances in metabolic research. Liao is the Chancellors Professor at the University of California, Los Angeles. He has made major contributions to biochemical engineering with his theoretical and his experimental work, and has an international reputation that extends well beyond the chemical engineering community. James E. B