第15章 合成生物学

1、LOGO 内内 容容 1. 合成生物学的发展历史及概念合成生物学的发展历史及概念 2. 研究方式和工具研究方式和工具 3. 4. 展展 望望 美国基因组学先驱克莱格美国基因组学先驱克莱格凡特，在他位于马凡特，在他位于马 里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期15年年 的研究项目中，已成功制造出全球首个的研究项目中，已成功制造出全球首个“合成细合成细 胞胞”，一种称为丝状支原体的细菌。，一种称为丝状支原体的细菌。 目的在于设计和创造新的生物组件和体系，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。对现有的生物体系进行重新设计。从基本的

2、生物从基本的生物 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。进行重新设计、改造、构建。 基因合成基因合成 构建人工生命体构建人工生命体 基于现有的基于现有的 天然生物组件，天然生物组件， 设计构建有新功设计构建有新功 能的生物体系。能的生物体系。 15.2 15.2 合成生物学的研究方法和工具合成生物学的研究方法和工具 （1）合成生物学的研究方法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，工程领域中所有的单元部件都具有独立功能， 可以互换，容易进行模块化得组合，即从零件到可以互换，容易进行模块化得组合，即从

3、零件到 器件再到系统。器件再到系统。 合成生物学包含工程学的理念，任何一个生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命体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有 序组合。序组合。 v标准化标准化 v抽象化抽象化 v复杂系统去偶合复杂系统去偶合 Drew Endy (MIT) Endy created the comic book Adventures in Synthetic Biology to help explain his work to students and other scientists. 标准化标准化 从可更的换部件库，快速构建多组分

4、体系，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。出等通用、便捷的标准。 不同部件间要进行标准化来实现不同部件间要进行标准化来实现“即插即用即插即用” 的性能。的性能。 2003 MIT成立了标准生物部件登记处，数据成立了标准生物部件登记处，数据 库收集了库收集了3200个标准化生物学部件。个标准化生物学部件。 将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立 的简单问题。的简单问题。 复杂系统去偶合复杂系统去偶合

5、抽象化：将生物功能单元划分为不同层次。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、蛋白质、代谢物 相互作用相互作用 系统系统 （2）合成生物学的组成工具合成生物学的组成工具 将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功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。能的生物系统。 生物部件生物部件 part 器件器件 device 系统系统 system 模块模块 module 标准生物部件标准生物部件 具有特定生物学功能的基因编码元件具有特定生物学功能的基因编码元件 启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码 序列、终止子序列、终

6、止子 15.3 合成生物学的研究方向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创建新的基因调控模块和线路 各种蛋白质、各种蛋白质、DNADNA、RNARNA的相互作用形成复杂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。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。用途：调节基因表达和蛋白质功能。 1） 基因拨动开关基因拨动开关 e.g. E. coli v 通过加入不同的诱导物实现开关在两个稳定态之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。间的转

7、换。 v状态转换具有滞后性，具有记忆功能。状态转换具有滞后性，具有记忆功能。 FT1激活它本身和激活它本身和FT2； FT2过量，会抑制过量，会抑制FT1 将藻胆青素合成基因将藻胆青素合成基因( (ho1和和pcyA) )转入大肠杆转入大肠杆 菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素 PCB。 lac Z ompC promoter PCB Black PCBPCB 15.3.2 生命体代谢途径的重新构建生命体代谢途径的重新构建 微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用 E. coli生产生产1000多种多种人类人类蛋白。

8、蛋白。 代谢途径改造代谢途径改造-调节核心组件优化途径调节核心组件优化途径 不同的生物学途径提取出来不同的生物学途径提取出来 优化整合到宿主细胞优化整合到宿主细胞 合成目标化学物质合成目标化学物质 E. Coli 的乙醇代谢重组菌：的乙醇代谢重组菌： 具有五碳糖和六碳糖代谢酶系具有五碳糖和六碳糖代谢酶系 混合酸发酵混合酸发酵 乙醇耐受能力低乙醇耐受能力低 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亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍。倍。 可用于发酵生产乙醇的部分微生物及其主要底物可用于发酵生产乙醇的部分

9、微生物及其主要底物 酵母的乙醇代谢工程酵母的乙醇代谢工程 酿酒酵母是工业上生产乙醇的优良菌株，与酿酒酵母是工业上生产乙醇的优良菌株，与 细菌相比具有较高的乙醇耐受力，对纤维素水解细菌相比具有较高的乙醇耐受力，对纤维素水解 液中的抑制物有较高的抗性。液中的抑制物有较高的抗性。 缺点缺点 酿酒酵母缺乏木糖转化为木酮糖所需的酶酿酒酵母缺乏木糖转化为木酮糖所需的酶， 因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。对其菌因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。对其菌 种改造涉及木糖跨膜运输、吸收利用、磷酸戊糖种改造涉及木糖跨膜运输、吸收利用、磷酸戊糖 途径、糖酵解及胞内氧化还原状态的维持等多个途径、糖酵解及胞内氧化还

10、原状态的维持等多个 方面。方面。 酵母的木糖代谢工程酵母的木糖代谢工程 运动发酵单胞菌的乙醇代谢工程运动发酵单胞菌的乙醇代谢工程 大肠杆菌的乙醇代谢工程大肠杆菌的乙醇代谢工程 EMP 主要优势主要优势 大肠杆菌能够利用非常广泛的碳源，其中包大肠杆菌能够利用非常广泛的碳源，其中包 括六碳糖括六碳糖(葡萄糖，果糖葡萄糖，果糖)和五碳糖和五碳糖(木糖，阿拉伯木糖，阿拉伯 糖糖)以及糖酸等物质，这一特性使得大肠杆菌能以及糖酸等物质，这一特性使得大肠杆菌能 利用木质纤维素降解产生的各种糖类，同时又由利用木质纤维素降解产生的各种糖类，同时又由 于大肠杆菌遗传背景清楚，因此在原核微生物乙于大肠杆菌遗传背景清

11、楚，因此在原核微生物乙 醇代谢工程以及木质纤维素的高效利用中具有重醇代谢工程以及木质纤维素的高效利用中具有重 要的研究价值。要的研究价值。 大肠杆菌的乙醇代谢工程大肠杆菌的乙醇代谢工程 大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题 梭菌梭菌 利用来自多种生物的基因及用来生产脂肪酸的利用来自多种生物的基因及用来生产脂肪酸的 生化途径生化途径, 用合成生物学方法创造出一些代谢模块用合成生物学方法创造出一些代谢模块, 插入微生物后插入微生物后, 通过不同的组合通过不同的组合,这些模块可以诱这些模块可以诱 导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的化学导微生物生产原油、柴油、汽油或基于

12、烃的化学 品。品。 他们通过计算他们通过计算, 设计制造出微生物以所希望的设计制造出微生物以所希望的 方式生产并分泌出长度及分子结构符合公司要求方式生产并分泌出长度及分子结构符合公司要求 的烃分子。的烃分子。 不需要能耗非常高的乙醇精馏技术不需要能耗非常高的乙醇精馏技术, 从而可使能耗从而可使能耗 降低降低65% ; 由于采用了合成生物学与系统生物学创造微生物由于采用了合成生物学与系统生物学创造微生物 这种尖端技术这种尖端技术, 而且这种石油烃是可再生的、清洁而且这种石油烃是可再生的、清洁 的、国内可生产的、成本可竞争的、与现有的汽的、国内可生产的、成本可竞争的、与现有的汽 车发动机及汽油供应

13、系统是可兼容的车发动机及汽油供应系统是可兼容的. 29 岁的岁的Berry 获得了获得了MIT“技术评论技术评论”2007 年年 TR35 的最高奖的最高奖( 2007 Innovator of the Year)。 2. 疟疾疟疾 典型的疟疾多呈周期性发作，表现为间歇性典型的疟疾多呈周期性发作，表现为间歇性 寒热发作。发作时先有明显的寒战，全身发抖，寒热发作。发作时先有明显的寒战，全身发抖， 面色苍白，接着体温迅速上升，达面色苍白，接着体温迅速上升，达4040或更高，或更高， 面色潮红，全身大汗淋漓，大汗后体温降至正常面色潮红，全身大汗淋漓，大汗后体温降至正常 或正常以下。或正常以下。 经过

14、一段间歇期后，又开始重复上述间歇性经过一段间歇期后，又开始重复上述间歇性 定时寒战、高热发作。定时寒战、高热发作。 每年每年5亿人感染，亿人感染，100万死亡。目前最有效的万死亡。目前最有效的 是青蒿素，生产周期长、成本昂贵。是青蒿素，生产周期长、成本昂贵。 中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯 药物。药物。 Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成利用合成生物学，将大肠杆菌改造成 青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌 中，改造获的中，改造获的E. coli 青蒿酸的产量青蒿酸的产量300mg/L。

15、 由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就, Keas ling 被美国被美国“发现发现”杂志评选为杂志评选为2006 年度最有影响年度最有影响 的科学家。的科学家。 该项目已经获得比尔该项目已经获得比尔- 梅林达盖茨基金会梅林达盖茨基金会4300 万美元的资助万美元的资助, 进行进一步的实验室研究、中试、进行进一步的实验室研究、中试、 临床实验等后续工作。临床实验等后续工作。 Church v 对对2020种番茄红素合成有关的基因进行突变；种番茄红素合成有关的基因进行突变； v 将突变的将突变的9090个个DNADNA片段，转入大肠杆菌；片段，转入大肠杆菌； v

16、3 3天内产生了天内产生了150150亿基因突变体；亿基因突变体； v 从中筛选到使番茄红素产量提高从中筛选到使番茄红素产量提高5 5倍的基因倍的基因。 4. 利用合成生物学生产新能源利用合成生物学生产新能源 Kaslling利用利用13个可逆的酶促反应组合起来创个可逆的酶促反应组合起来创 建一条非天然的催化路径。建一条非天然的催化路径。 淀粉淀粉 + 水水 H2 15.3.3 最小基因组与合成生物学最小基因组与合成生物学 v 从下而上：从核苷酸合成新生命体。从下而上：从核苷酸合成新生命体。 1. 从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。 v2002年年 W

17、immer小组脊髓灰质炎病毒的合成小组脊髓灰质炎病毒的合成 vVenter 合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组 不同物种间基因组的移植不同物种间基因组的移植 将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。 丝状支原体丝状支原体 Blattnerj小小 最小基因组优点最小基因组优点 v 选择性的保留所需的代谢途径和功能；选择性的保留所需的代谢途径和功能； v 成为合成基因网络理想的容器；成为合成基因网络理想的容器； v 为插入模块提高最简单无干扰的环境。为插入模块提高最简单无干扰的环境。 理想的细胞底盘应具备的条件理想的细胞底盘应具备的条件 15.4 展望展望 v 细菌能估计刺激物的距离，