化学合成生物学课件

化学合成生物学化学合成生物学1生命是什么？

ErwinSchrödinger1887~1961物理学家对量子力学的研究，应用到对分子生物学的思考。试图用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本性。它是为门外汉写的通俗作品，然而事实证明它已成为分子生物诞生和随后DNA发现的激励者和推动者两个极为重要的结论：基因中存在一种微型密码，以及基因遗传性状的持久性。生命是什么？ErwinSchrödinger1882中心法则转录水平调控翻译水平调控

DNA

RNA

蛋白质

转录

翻译

复制

复制

逆转录

调控调控

中心法则转录水平调控翻译水平调控DNARNA3A)生命体最丰富的六种元素B)生命体遗传物质C)常见氨基酸A)生命体最丰富的六种元素B)生命体遗传物质C)常见氨基酸4Thereareknownknowns;therearethingsweknowweknow.DonaldHenryRumsfeldWealsoknowthereareknownunknowns;thatistosayweknowtherearesomethingswedonotknow.Buttherearealsounknownunknowns–theoneswedon'tknowwedon'tknow.评述伊战：已知与未知Thereareknownknowns;Donald5破解创造合成生物学——Biobuilder破解创造合成生物学——Biobuilder6WaclawSzybalski(1974)通过设计组装自然的基因和蛋白来重塑生命系统，验证基本原理。Adleman(1994)用天然的生物分子组装非天然的系统（使Ecoli闻起来像香蕉）Lehn(1987)用非天然的分子模拟天然分子的功能-仿生化学。如果能用不同结构分子复制生理现象，那证明我们已经理解背后的化学过程。合成生物学概念的发展WaclawSzybalski(1974)通过设计组装7合成生物学A)设计和组装生物组件、设备或系统B)改造自然界已有的生物系统以获得新功能“为了理解生命，就有必要从头开始。”合成生物学A)设计和组装生物组件、设备或系统“为了理解生命8合成生物学代表性事件1980年：Hobom

提出用它表述基因重组技术2000年：Kool重新提出用它定义从基因片段、人工碱基DNA分子、基因调控网络与信号转导路径到细胞的人工设计与合成。

Nature报道了两篇人工合成基因线路研究成果。2008年：吉布森（Gibson）等人报道了世界上第一个完

全由人工化学合成、组装的58万个碱基的细菌

基因组。2010年：在花费了40,000,000美元和15年的努力后，吉布森（Gibson）和他的同事们(CraigVenter)

宣布，世界上第一个由纯人工合成创造的细菌物种“Synthia”诞生了。合成生物学代表性事件1980年：Hobom提出用它表述基因9

Synthia：“合成的细胞”2007细菌基因组间的移植2008全化学合成及组装支原体基因组2009细菌基因组导入酵母细胞拼接修饰2010创造了第一个化学人工合成的基因组Syhthia合成图解Synthia：“合成的细胞”2010

合成生物学兴起的标志-专门研究机构2006年2005年2011年创立2010年创立合成生物学兴起的标志-专门研究机构2006年2005年2011

合成生物学兴起的标志-专门学术期刊2012年创刊2012年起收录2013年创刊2014年创刊FocusIssue合成生物学兴起的标志-专门学术期刊2012年创刊201212合成生物学研究内容1.用人造的分子去模拟组装自然的生命系统分子与系统的组装调控→化学合成生物学对现有生物学定律、原理的验证在基础研究中具有重要意义2.用自然的分子组装自然界没有的系统基因操作→基因工程学、代谢工程学通过对不同物种来源的部件、系统的组装，获得有益的产物积累在应用和开发研究中具有重要意义研究内容上各有侧重研究方法上互相借鉴本质上界限不甚明显合成生物学研究内容1.用人造的分子去模拟组装自然的生命系统分131998年诺贝尔生理学及医学奖，发现NO在心血管系统中起信号分子作用。2014年诺贝尔化学奖，发展了超分辨率荧光显微技术。化学催生众多新兴交叉前沿学科与生命科学相关的诺贝尔化学奖有24次之多1998年诺贝尔生理学及医学奖，2014年诺贝尔化学奖，发展14合成化学SyntheticChemictry合成生物学SyntheticBiology化学合成生物学ChemicalSyntheticBiology合成化学与合成生物学博弈中前行PhilBaranJayKeasling合成化学合成生物学化学合成生物学合成化学与合成生物学博弈中前15化学合成生物学——核酸类似物Boli和Eschenmoser等将RNA呋喃糖替换成吡喃糖，并实现有模板、稀溶液状态下的吡喃糖低聚物的聚合反应。肽核酸(PeptideNucleicAcid，PNA):一类以多肽骨架取代磷酸骨架的DNA/RNA类似物，能模拟Watson-Crick碱基配对并特异性识别DNA/RNA。锁核酸(LockedNucleicAcid，LNA):新型的寡核酸衍生物,β-D-呋喃核糖的2’O与4’C位通过缩水作用形成环形结构，呋喃糖锁定在C3’内型的N构型，形成刚性缩合结构。从头创造生命，尝试可替代生物分子化学合成生物学——核酸类似物Boli和Eschenmoser16PNALNA2'-OMe抑制miRNA效率+++++++++特异性++++++++++抵抗核酸酶能力+++++++++细胞毒性-+-储存温度4℃(long-lasting)-20℃-20℃PNA/LNA广泛应用于荧光原位杂交FISH中。PNA/LNA-siRNA2'-OMe:对RNA是在2’O的位置进行甲基化得到的衍生物。核酸类似物应用PNALNA2'-OMe抑制miRNA效率+++++++++17Hirao’sgroupBenner’sgroupRomesberg’sgroup非天然碱基对（UnnaturalBasePair)具有三大挑战非天然碱基对的设计与应用人造碱基能否扩增遗传密码？Hirao’sgroupBenner’sgroupRom18

Benner非天然碱基对ACSSynthBiol.2014Aug19►Benner非天然碱基对p/z在体外能被转录►不同核酸酶对合成含非天然碱基对的RNA具有特征的降解谱。(T1不能切rZ或rP，而RNaseA能切割rZ而不切rP。提示：Benner非天然碱基对与标准的RNA存在区别)RNAsequence:5′-HO-GGCAGAGAGGAAGAAG-U-AC-GACAGGCAAGCRNAseT1RNAseABenner非天然碱基对ACSSynthBiol.219►Romesberg非天然碱基对有较好的代谢稳定性和出胞能力►LC-MS和测序结果均证实细菌中含有非天然碱基对

Romesberg非天然碱基对Nature.2014May15;509(7500):385-8LC-MSSequencing诞生了第一个扩展遗传密码的细菌►Romesberg非天然碱基对有较好的代谢稳定性和出胞能20ACSChem.Biol.,2014,9(5),pp1104–1112非天然氨基酸合成和应用解决的关键问题包括：►有识别非天然pSer/pTyr氨酰-tRNA合成酶►非天然氨基酸在胞内的积累→Knowdown水解酶ACSChem.Biol.,2014,9(5),21蛋白质人工合成研究意义：►回答组成生命的“少数蛋白”为什么以及如何被选择出来►NBP为研究大分子折叠和稳定性的普适规律，复杂系统设计提供模式工具。结晶牛胰岛素一段编码100个氨基酸，理论上翻译得到20100种蛋白多肽的自然化学连接理论（NativeChemicalLigation,NCL)基于肽酰肼连接的多肽合成DangB.etal..JAmChemSoc.2013Aug14;135(32):11911-9.FangGMetal.AngewChemIntEd.2011.50(33):7645–76491965年1994年2011年蛋白质人工合成研究意义：结晶牛胰岛素一段编码100个氨基酸，22极小细胞（Minimalcellmimicry）合成cell-like系统示意图独立组分→有序的化学系统→组分（如脂质）的合成→生长和分裂NatureChemistry3,755–756(2011)解决关键问题：寻找维持生命最简单的组分极小细胞（Minimalcellmimicry）合成ce23Artemisiaannua代谢工程——青蒿素的生物合成Nature.2006Apr13;440(7086):940-3Artemisiaannua代谢工程——青蒿素的生物合成24紫杉醇的生物合成Science.Oct1,2010;330(6000):70–74.E.coli的异戊烯焦磷酸的上游模块异源的下游萜类化合物形成功能模块►多变量模块化的代谢途径工程方法：调整模块中基因元件表达水平，减少中间抑制物的累积，使紫衫二烯的产量提高15000倍。紫杉醇的生物合成Science.Oct1,2010;25ShotaAetal.Nature.2008(451),86-89生物燃料支链高级醇的生物合成►非发酵合成：通过改造E.coli氨基酸合成代谢途径，以葡萄糖为原料生成酮酸中间体，并最终转化合成了1-丁醇以及其他形式的高级醇。ShotaAetal.Nature.2008(451)26LanEI,andLiaoJCPNAS2012;109:6018-6023CoA依赖的1-丁醇的生物合成EC,E.coli;RE,R.eutropha;CA,C.acetobutylicum;AC,A.caviae;TD,T.denticola;CS,C.saccharoperbutylacetonicumN1-4;CL190,Streptomycessp.strainCL190►通过蓝细菌的光合作用生成ATP，ATP消耗克服热力学壁垒，驱动乙酰COA至乙酰乙酰辅酶A的转化，这是最关键的一步。进一步整合不同来源的催化酶，最终实现光合催化1-丁醇的合成。LanEI,andLiaoJCPNAS2027虾青素三种结构工程番茄第一代表型从单细胞藻类小球藻克隆虾青素合成基因，解决了在植物中积累的关键问题，获得高产虾青素的工程番茄新品种。吃番茄保健。HuangJ.C,etal.MetabolicEngineering.2013.02.005我国代表性进展虾青素三种结构工程番茄第一代表型从单细胞藻类小球藻克隆虾青素28产油酵母的遗传改造GrowthonHygromycinplates►建立了产油酵母的遗传操作平台，为利用其特殊的生产性能，构建新的生物合成体系提供了技术支撑，实现水相发酵。LinXP,etal.FEMSYeastRes.2014,14,547产油酵母的遗传改造GrowthonHygromycin29人工辅酶适配的生命系统糖NAD(P)HNXDH依赖型途径NXD核酸途径–NAD(P)H脂肪酸途径–NAD(P)H异戊烯途径–NAD(P)H氨基酸途径–NAD(P)H糖酵解/三羧酸循环还原物氧化产物►还原力NAD(P)H连接胞内物质代谢和能量代谢，并广泛参与其他生物学过程。问题：如何途径选择性传递还原力?(选择性传递还原力对控制物质代谢，突破生物合成的效率瓶颈具有决定性意义)对策：创建正交氧化还原体系（“NXDH”+新酶）人工辅酶适配的生命系统糖NAD(P)HNXDHNXD核酸途径30Cell出版社刊物:TrendsinBiotechnology2013,31(1),52–60“Copingwithcomplexityinmetabolicengineering”….orthogonalmetabolismwillhavetooperateindependentlyofcofactorregenerationbythehostcell.Wehavealreadyseenthefirststudiesaddressingthisissue

[49].……正交代谢途径必须独立于宿主内源的辅酶再生体系。我们已经看到解决该难题的首例研究[49]按照该策略，改造ATP–依赖型蛋白也很有希望MampelJ,BuescherJM,MeurerG,EckJCell出版社刊物:TrendsinBiotechno31Angew.Chem.In.Ed.2013,39,12308-12312Org.Lett.

2012,

14

(16),4142-4145复用组合生物合成(MultiplexCombinatorialBiosynthesis,MCB)1.以抗霉素产生体系为模型构建双内酯天然产物类似物库2.组合化学的思路应用于生物合成双内酯天然产物类似物Angew.Chem.In.Ed.2013,39,32在酵母中人工构建的极化网络：利用嵌合信号蛋白工具箱在空间上指导磷脂酰肌醇-3磷酸(PIP3)合成与降解。具有组合模体的环路生成了明确的人造PIP3极化网络，持续近1小时。遗传时序逻辑门元件：构建双稳定的记忆模块，同时构建双抑制启动子NOR模块，通过定向进化整合两个模块，成为一个push-on&push-off开关MolSystBiol.2010;6:350.Cell.2012Oct12;151(2):320-32.合成元件与系统在酵母中人工构建的极化网络：利用嵌合信号蛋白工具箱在空间上指33化学合成生物学未来在何方？化学合成生物学

合成新生命合成"机器"让合成一切成为可能！合成非天然大分子化学合成生物学未来在何方？化学合成生物学合成新生命合34展望一、发展更多功能性元件，发展足够大的元件库ACSSynth.Biol.,2014,3(4),pp204–209ACSSynth.Biol.,2014,3(6),pp410–415代谢途径的人工关联实现了两个细胞间的通讯cell-free体系中通过单个蛋白或多肽的合成来设计和筛选合成的操纵子，发展新元件librarysyntheticoperon重点：足够大的元件库，成功设计组装并实现个体调控展望一、发展更多功能性元件，发展足够大的元件库ACSS35构建群体效应开关维持细胞密度关键酶的定向改造进化促进产物积累人工构建导入代谢运载蛋白促进代谢分泌减少有毒物的积累展望二、代谢工程研究更加全面深入重点：利用细胞代谢工程实现非天然大分子的生物合成以及产物的回收抗生素合成工程化，结构多元化构建群体效应开关关键酶的定向改造进化人工构建导入代谢运载蛋白36天然药物（化学）合成生物学中药现代化确定活性成分寻找靶标确定药效确定活性分子gene合成簇基因（代谢）工程大规模生产合成生物学JayKeasling，美国《发现》杂志评选为2006年度最有影响的科学家之一，第18届HeinzAward得主。屠呦呦，2011