合成生物学与基因回路

1、合成生物学合成生物学与与基因回路基因回路 Synthetic Biology and Genetic Circuits 一一. 什么是合成生物学什么是合成生物学 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。 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

2、 Nature Biotechnology, 27(12), 2009 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. 基因工程的最新研究成果提 供了通过生物元件生物元件、装置装置和 系统系统设计和组装新生命形式新生命形式 的前景 Nature Reviews, 10(6), 2

3、009 维基百科：合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统，使其能够处理信息处理信息、 操作化合物操作化合物、制造材料制造材料、生产能源生产能源、提供食物提供食物、保持和增强人类的健康保持和增强人类的健康和改善我改善我 们的环境们的环境。 /wiki/Synthetic_biolog y 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、健康和环保等问题解决能源、材料、健康和环保等问题。 合成生物学的定义合成生物学的定义 Synthetic Biology is： A) t

4、he design and construction of new biological parts, devices, and systems, and B) the re-design of existing, natural biological systems for useful purposes. / 199820002002200420062008 200 0 400 0 600 0 800 0 100 00 0 20 40 60 80 100 120 0 网 络 信 息 期 刊 / 专 利 数 量 Sciru网络信息 Scir

5、us 检索专利 Scopus检索期刊 Scirus 检索期刊 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)。 合成生物学的发展前景与基础合成生物学的发展前景与基础 DNA是生物的遗传物质 为了整理和分析这些序列信息，诞生了一门新为了整理和分析这些序列信息，诞生了一门新 兴的交叉学科兴的交叉学科 生物信息学生物信息学(Bioinformatics) 是合成生物学的学科基础之一是合成生物学的学科基础之一。 细胞细胞: 奇异绝妙的小工厂

6、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各个层次上如何做相应的变更, , 并建立数学模并建立数学模 型对总体应答作出预测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 Chr

7、istian L Barrett, Tae Yong Kim, Hyun Uk Kim, Bernhard Palsson and Sang Yup Lee, Current Opinion in Biotechnology 2006, 17:488492 系统生物学是在基因组层面上合成生物学 的基础 基因组超大量的序列和结构数据 重大的生物技 术 合成生物学发生与发展的学科基础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

8、器 生物 计算机 合成生物学的发展过程合成生物学的发展过程 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

9、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人工合成生物全基因组 合成生物学的研究内容合成生物学的研究内容 合成代谢网络合成代谢网络 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。 遗传遗传/基因线路的设计与构建基因线路的设计与构建 1961年F. Jacob和J. Monod提出的

10、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数学模拟和功能预测 二二. 合成生物学的研究方法合成生物学的研究方法 基因回路（基因回路（Genetic Circuits）设）设 计计 合成生物学领域三大目标：合成生物学领域三大目标： 一、有别于以往拆解生命体的方式，它是一、有别于以往拆解生命体的方式，它是 通过合成来理解生命。通过合成来理解生命。 二、将遗传工

11、程所使用的元件标准化，使二、将遗传工程所使用的元件标准化，使 其能与现有系统相结合，创造出其能与现有系统相结合，创造出多、功多、功 能能复杂的系统。复杂的系统。 三、将电子工程领域的系统设计三、将电子工程领域的系统设计论应用论应用 到生物系统，重组到生物系统，重组DNA基因工程，产生真基因工程，产生真 正可由程序控制的生物，设计生物计算机。正可由程序控制的生物，设计生物计算机。 基基 因因 回回 路路 设设 计计 流流 程程 建立建立DNA 元件库元件库 根据设计目标根据设计目标 决定基因回路决定基因回路 结构结构 调用库元调用库元 件模型件模型 利用计算机仿利用计算机仿 真软件确认输真软件确

12、认输 出及功能正确？出及功能正确？ 建立集成生建立集成生 物回路（物回路（IC） 检测基因回路检测基因回路 性能稳定可靠？性能稳定可靠？ 建立集成生物建立集成生物 回路（回路（IC） 成功建立稳定可成功建立稳定可 调控的基因回路调控的基因回路 基基 因因 回回 路路 设设 计计 流流 程程 特定的信使RNA（mRNA）的分子的浓度代表一个逻辑信 号。左图，输入的mRNA是缺失，则细胞转录基因输出 mRNA。右图，输入的mRNA存在，细胞把此mRNA翻译 成输入蛋白，此蛋白与基因上的启动子相结合，阻止细胞 合成mRNA输出。 生物化学反相器-非门（NOT） 用原核生物基因调用原核生物基因调 控模

13、组模拟电子工程控模组模拟电子工程 逻辑门逻辑门。上方图示 出调控启动子活性的 因子。RNAP：RNA 聚合酶，TF：转录因 子。 (Silva-Rocha and de Lorenzo, FEBS Letters 582 (2008) 12371244) Bio-Informatics要做的事要做的事 Looking at life as an information system DNA as a database（数据库）（数据库） RNA as a decision network（决定网络）（决定网络） Proteins and genes as runtime DLLs（运行时间动态

14、链接库）（运行时间动态链接库） Modeling gene regulatory networks Simulating life as a computer program Using silicon to validate biological models Goal of Digital Cells（数字细数字细 胞胞） Simulate a Gene Regulatory Network Goal of e-cell, CellML, and SBML projects Test microarray data for biological model Run expression d

15、ata through GRN functions Create biological cells with new functions Splice in promoters to control expression Create oscillating networks using operons 拼接启动子来控制表达拼接启动子来控制表达 利用操纵子创建振荡网络利用操纵子创建振荡网络 Digital Cell Components 数字细胞元件数字细胞元件 Bio-logic gates Inverters, oscillators Creating genomic circuitry

16、Promoters, operons and genes Multigenic oscillating solutions Ron Weiss is the pioneer in the field /rweiss/ To 电子回路的工程设计基础电子回路的工程设计基础 基因回路（基因回路（Genetic Circuits）设）设 计计 编程并控制细胞行为的第一步是建立一 个精心设计的元件库，作为更复杂的生物系 统的基石。在构建具有一定的遗传功能的逻 辑门时，与电子逻辑门的输入和输出的电信 号（H/1或L/0）相对应的是特定DNA与蛋白 质结合以及它

17、们诱导物分子的浓度高（H，1） 或低（L，0）。 建立在原核生物调控模式上的建立在原核生物调控模式上的 数字细胞元件（生物数字细胞元件（生物逻辑门逻辑门）模型）模型 - -基因回路元件设计基因回路元件设计 在细胞内，这些分子与其它蛋白质相 互作用，绑定特定的DNA结合位点，并最 终调节其他蛋白表达。这些调控活动，可以 用数字逻辑功能及模拟信号处理来实现。 任何基因转录翻译成蛋白质的首要条 件是：RNAp(RNA polymerase, RNA聚 合酶)与基因上游区域的启动子结合，启动 转录，随后RNAp将基因转录为信使 RNA(mRNA)，然后mRNA被翻译成蛋白 质。若RNAp不能与启动子结

18、合，后面的过 程就不能进行。 1. 1. 非门或反相器（非门或反相器（NOT） 生物学过程：B阻遏因子，当它存在时，B抢占了RNAp与 启动子结合的位点。因此阻碍了基因P进行转录表达。 电学过程：B为输入信号，当其输入量高时，输出为低； 反之亦然。输入与输出反相，也称反相器反相器。 1. 1. 非门或反相器（非门或反相器（NOT） 左图表示当无左图表示当无mRNA输入时，启动子未被抑制时，基因输入时，启动子未被抑制时，基因 转录出转录出mRNA，有，有mRNA输出；右图表示当有输出；右图表示当有mRNA 输入时，在细胞中转录成蛋白质，蛋白质与启动子区域输入时，在细胞中转录成蛋白质，蛋白质与启动

19、子区域 的基因结合，抑制了基因的表达，无的基因结合，抑制了基因的表达，无mRNA 输出。此输出。此 处输入的处输入的mRNA的缺失或存在决定了下游的缺失或存在决定了下游mRNA是否是否 输出。输出。 2. 2. 缓冲器门（缓冲器门（Amplifier or Buffer） 生物学过程：A为转录因子，可以调控基因P使其进行 转录表达。 电学过程：A为输入信号，只有当其输入量满足能启 动基因P转录表达的阈值时，输出信号才为高。A与P 同相。 3. 3. 与门（与门（AND） 生物学过程：）、两个均为转录因子） 为转录因子，为激活因子； 以上两种情况都要求只有当、都同时存在时，才 能启动基因P转录表

20、达。 3. 3. 与门（与门（AND） 电学过程：、为两个不同的输入信号，只有当 的输入量同时满足能启动基因P转录表达的阈值时， 才会使输出信号高表达（输出信号表示基因的表达 量）。 3. 3. 与门（与门（AND） 已发现或证实的例子（参考文献）： 1）Tropel, D. and Van Der Meer, J.R. (2004) Bacterial transcriptional regulators for degradation pathways of aromatic compounds. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 68, 474500. 2）Buchl

21、er, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141. 4. 4. 或门（或门（OR） 生物学过程：和都是基因的转录因子，当和 其中一个存在时，或者两者同时存在时都能启动基 因转录表达。即仅当两者都不存在时，转录才 无法进行。 4. 4. 或门（或门（OR） 电学过程：和B是两个不同的输入信号，当A 、B其 中一个的输入量满足能启动基因P转录表达的阈值时， 或者两者同时满足所要求的阈值时，

22、输出信号表现为 高表达。 4. 4. 或门（或门（OR） 已发现或证实的例子（参考文献）： 1）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 100, 51365141. 2）Fernandez, S., Shingler, V. and De Lorenzo, V. (1994) Crossregulation by XylR and DmpR activators of Pseudomonas

23、 putida suggests that transcriptional control of biodegradative operons evolves independently of catabolic genes. J. Bacteriol. 176, 50525058. 5. 5. 与非门（与非门（NAND） 生物学过程：A与B都是抑制基因P转录表达的因子， 称为阻遏因子。仅当A与B同时存在时，基因P才不能 正常的进行转录表达。因为此时A与B“抢占”了 RNAp与启动子的结合位点，阻碍了转录的启动。 5. 5. 与非门（与非门（NAND） 电学过程：A 、B为两个不同的输入信号，

24、仅当两者的 输入量同时满足能启动基因P转录表达的阈值时，才使 得输出信号为低表达。可以将NAND门电路拆分为 AND和NOT的组合。 5. 5. 与非门（与非门（NAND） 已发现或证实的例子（参考文献）： 1）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，100, 51365141 2）Escolar, L., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1999)

25、Opening the iron box: transcriptional metalloregulation by the Fur protein. J. Bacteriol. 181, 62236229. 3）Bertoni, G., Marques, S. and de Lorenzo, V. (1998) Activation of the toluene-responsive regulator XylR causes a transcriptional switch between sigma-54 and sigma-70 promoters at the divergent P

26、r/Ps region of the TOL plasmid. Mol. Microbiol. 27, 651659. 4）Bertoni, G., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1997) Genetic evidence of separate repressor and activator activities of the XylR regulator of the TOL plasmid, pWW0, of Pseudomonas putida. Mol. Microbiol. 23, 12211227 6. 6. 非与门（非与门（ANDN

27、） 生物学过程：A为转录的激活因子，能使基因转录表达；B 为阻遏因子，当存在时，就会抢占启动子结合位点，使 RNAp不能与启动子结合，因此不能启动基因进行转录表 达。因此只有当存在并且不存在时，基因转录表达才能 正常进行。 6. 6. 非与门（非与门（ANDN） 电学过程：只有当信号满足能启动基因P转录表达的阈值 （以下简称为“高表达”），并且信号低于该阈值时 （简称为“低表达”），输出才会高表达。 6. 6. 非与门（非与门（ANDN） 已发现或证实的例子（参考文献）： Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcriptio

28、nal regulation by competing transcription factor modules. PLoS Comput. Biol. 2, e164. 7. 7. 或非门（或非门（NOR） 生物学过程：、均为阻碍转录表达的阻遏因子。两者都 阻碍了RNAp与启动子的结合。 因此，只有当两者都不存在时，基因的转录表达才能进行。 7. 7. 或非门（或非门（NOR） 电学过程：只有当信号与都低表达时，输出才会高表达。 8. 8. 非或门（非或门（ORN） 生物学过程：B是阻遏因子，A是能够降解B的蛋白质。当只 有B存在时，B与启动子结合，阻碍了RNAp与启动子结合， 因此使基因P

29、不能正常进行转录表达。当A存在时，即使B也 同时存在，但是A能降解B，使B的活性降低，使B不能与启 动子结合或结合性减弱，因此使基因P能进行转录表达。 8. 8. 非或门（非或门（ORN） 电学过程：A与B都是入信号，当只有B高表达并且A低 表达时，输出为低。其余三种情况均为高表达。 8. 8. 非或门（非或门（ORN） 已发现或证实的例子（参考文献）： Erill, I., Campoy, S. and Barbe, J. (2007) Aeons of distress: an evolutionary perspective on the bacterial SOS response.

30、FEMS Microbiol. Rev. 31, 637656. 9. 9. 异或门（异或门（XOR） 生物学过程生物学过程：基因：基因P能沿着能沿着DNA从两个方向进行转录表达。从两个方向进行转录表达。 转录因子转录因子A使基因沿着左端进行转录表达，转录因子使基因沿着左端进行转录表达，转录因子B使基使基 因沿着右端进行转录表达。但是当两者同时存在时，因沿着右端进行转录表达。但是当两者同时存在时，A会抢会抢 占占B的的RNAp与启动子结合的位点（或者说是与启动子结合的位点（或者说是B会抢占会抢占A的的 RNAp与启动子结合的位点），使得基因与启动子结合的位点），使得基因P不能沿着不能沿着DNA

31、 进行转录。因此，当且仅当进行转录。因此，当且仅当A 、B其中一个存在时，基因其中一个存在时，基因P 才能进行正常的转录表达。才能进行正常的转录表达。 9. 9. 异或门（异或门（XOR） 电学过程：当且仅当输入信号A、B其中一 个存在，并且它的表达量高时，才能使输出 表达高。此时，我们可以将XOR门看成是两 个ANDN门的组合。 9. 9. 异或门（异或门（XOR） 已发现或证实的例子（参考文献）： Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Pr

32、oc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141. 10. 10. 同或门（同或门（XNOR） 生物学过程： 基因P（P）可以沿着DNA向着左右两端进行 转录表达。但是沿着P（左端）进行转录，启动子的活性比 较弱，需要两个转录因子同时作用才可进行；沿着P方 向，转录因子则变成了阻碍RNAp与启动子结合的阻遏因子， 因此沿着P方向，当或两者之一存在时，转录过程就会 受到抑制。 ）当两者都不存在时，受抑制，而P没受到阻碍， 可以沿着P方向进行转录，所以输出为。 ）当只有或其中一个转录因子存在时，由于不满 足方向条件（需要两者同时存在），而此时这个转录因 子阻碍了P方向的

33、与启动子结合，使P方向的转 录也不能进行。所以输出为。 ）当与同时存在时，虽然转录因子阻碍了P方向 的与启动子结合，使P方向的转录不能进行，但 是此时满足了沿着方向进行转录的条件，所以输出为。 10. 10. 同或门（同或门（XNOR） 电学过程：只有当、两个输入信号同时高或者同 时低时，输出才为高；否则输出为低。可以看做是可以看做是 与与XOR与与NOT组成的组成的XOR的相反过程的相反过程。 10. 10. 同或门（同或门（XNOR） 已发现或证实的例子（参考文献）： ）Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcripti

34、onal regulation by competing transcription factor modules. PLoS Comput. Biol. 2, e164 ）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141. 11. 11. 触发器触发器 生物学过程：触发器是一个能保持双稳态的合成基因网络。 触发器包含两个蛋白R1、R2，分别抑制启动子P1、P2。两 个诱导剂

35、I1、I2，分别能使抑制蛋白R1、R2无效化，导致 P1、P2表达。相当于下面的回路包含两个互联的ORN门。 12. 12. 环形振荡器环形振荡器 环形振荡器包含三个蛋白质和三个它们对应的启动子，设 定蛋白质Px抑制蛋白质Py的表达，而蛋白质Py抑制蛋白质 Pz的表达，蛋白质Pz抑制蛋白质Px的表达 。基因网络配 置对应一个环形振荡器逻辑电路。 12. 12. 环形振荡器环形振荡器 在PLtetO-1启动子的下游标放一个绿色荧光标记的蛋白以 便显示在任何特定细胞中cI的近似浓度。 右图显示了在一个特定的细胞中荧光强度随时间的变化， 表现为振荡，图中的小条描绘细胞的分裂活动。其他细胞 的振荡行为

36、差别很大。 三三. 基因回路的设计成果实基因回路的设计成果实 例例 发表合成生物学较多的刊物及新创刊的刊发表合成生物学较多的刊物及新创刊的刊 物物 PNAS Nature Science MSB Nature, 2010 1.由基因编码“与非门”构成其他更复杂的 逻辑门； 2.基因编码门间的化学连接。 基因编码的“或非”门 在大肠杆菌（在大肠杆菌（E. Coli)中，中， 2个串联的启动子作为输入个串联的启动子作为输入 驱动阻遏子的转录。驱动阻遏子的转录。 1个菌株形成个菌株形成1个或非门。个或非门。 群体感应分子（群体感应分子（quorum molecules）AHL（ Acyl homo-

37、serine lactone ） 可以形成门间的连线。可以形成门间的连线。 由多个或非门间的相互连接由多个或非门间的相互连接 组成各种复杂的逻辑门。组成各种复杂的逻辑门。 基因编码的“或非”门 PBAD、PTet分别由arabinose (Ara)和 anhydrotetracycline (aTc)激活。它门作为或非门 的2个输入启动子。 YFP（Yellow Fluorescent Protein，黄色荧光蛋白）作 为输出基因。 流式细胞仪（flow cytometry）测量结果 或门 CI阻遏基因 或非门 5 5E-1 5E-2 5E-3 5E-4 0 其他输入信号： 3OC12-HSL

38、激活的 PLas启动子也可 作为输入。 PBAD、PTet PBAD、PLas PTet、PLas 不同逻辑门的构成 不同逻辑门的构成 Gene Regulatory Network 基因调控网络基因调控网络 Basic GRN Circuit Flow Gross anatomy of a minimal gene regulatory network (GRN) embedded in a regulatory network. A regulatory network can be viewed as a cellular input-output device. http:/doege

39、/ / Gene regulatory networks interface with cellular processes 合成生物学应用合成生物学应用 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 Sa

40、n 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 f

41、or 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. （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Ke

42、asling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

43、物学研究举例合成生物学研究举例 Keasling 实验室实验室 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

44、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用合成生物学生产抗疟疾药青蒿素 Chris

45、tina D. Smolke Division of Chemistry and Chemical Engineering California Institute of Technology 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 co

46、li 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

47、 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

48、using nonlinear dynamic analysis. Resistance to Diet-Induced Obesity in Mice with Synthetic Glyoxylate Shunt Cell Metabolism, 9：525-536, 2009 UCLA(加州大学洛杉矶分校 )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

49、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。 国际遗传机器大赛（国际遗传机器大赛（international Genetically Engineered Machine Competition， iGEM） Assembling Building Blocks for Novel

50、 Functions DNA元件库 生物系统基因机器 构建组装 Synthesis! DNA 2.0 DNA 2.0 Inc. is a leading provider for synthetic biology. With our gene synthesis process you can get synthetic DNA that conforms exactly to your needs, quickly and cost effectively. Applications of custom gene synthesis include codon optimization f

51、or increased protein expression, synthetic biology, gene variants, RNAi trans- complementation and much more. Information vs. Processing Just as in a computer, data bits and processing bits are made from the same material, 0 or 1, or A, T, C, G, or U in biology Nature as a Computer Biological system

52、s like DNA and RNA especially appear to be more than networks of information. RNA itself can be seen as a molecular decision network E-Cell E-Cell System is an object-oriented software suite for modeling, simulation, and analysis of large scale complex systems such as biological cells. Version 3 all

53、ows many components driven by multiple algorithms with different timescales to coexist Computer Modeling Metabolic Pathways BioCyc collection of organism specific metabolic pathway databases cellML is an XML based format for exchanging biological data from genes to proteins to metabolism Digital Cel

54、ls Meet Synthetic Biology Model the circuit Validate the circuit Tinker with the circuit Then Alter the gene to build a new protein SNPs will give you a first approach See if the new protein is well tolerated Gene Therapy Gene therapy using an Adenovirus vector. A new gene is inserted into an adenov

55、irus vector, which is used to introduce the modified DNA into a human cell. If the treatment is successful, the new gene will make a functional protein. /wiki/Gene_therapy DNA Vaccines The ultimate method to train the immune system against a multitude of threats Inject a known

56、sequence of DNA Trick the cell into expressing it, then seeing it as an antigen to ward against. Used to fight cancer. Animal Model Systems Mice make perfect models as they are: Cheap (reasonably) Fast / easy growing Very inbred Mouse DNA arrays and the mouse genome are fairly well known, characteri

57、zed Stem Cell Technology Once you have an altered genome ready to test beyond a simple one cell environment, you leverage the ability of stem cells to mass produce your synthetic biology solution Cell as a Nanosystem Bilayer outer lipid membrane Energy apparatus Diffuse metabolome Proteome with sign

58、aling network DNA / RNA operating system, nucleosome miRNA control units Green Algae at Work Making H2 Algal cell suspension / cells Thylakoid membrane These little critters are very happy just to be working! Proposed Engineered H2 Bacterium /pdfs/tr_hydrogen_prod_utilization.

59、pdf In Vitro Photo-Production of H2 Yellow arrow marks insertion of hydrogenase promoter. Right side data cell optimized for continuous H2 production. Synthetic Biology Roadmap Understanding of gene elements and transcriptional control at miRNA level Ability to model protein structure, and surface p

60、otential / folding / function Ability to create functional operons and regulated / feedback transcriptional control Stem cell and gene therapy synergism Role of Bioinformatics Where are genes? What are the regulatory inputs? What are the proteins? Where are post translational modifications? What are