合成生物学与国际遗传机器大赛课件

“合成生物学”与“国际遗传机器大赛（internationalGeneticallyEngineeredMachineCompetition，iGEM）”合成生物学SyntheticBiology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“syntheticbiology”（合成生物学）一词。●Lancet杂志最早于1911年7月8日有一篇文章出现“syntheticbiology”（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NatureBiotechnology,27(12),2009-12-7

FocusonSyntheticBiologyThelatestiterationofgeneticengineeringofferstheprospectofthedesignandconstructionofnewlifeformsfrombiologicalparts,devicesandsystems.Geneticengineeringfocusesonindividualgenes(typicallycloningandoverexpression).Thelogicalextensionofthattosystem-widechangeisgenomeengineering.Intermediatebetweentheseismetabolicengineering,whichinvolvesoptimizingseveralgenesatonce.

Syntheticbiologyis‘meta’toalloftheseinestablishingstandardsformodules,intentionallyinteroperableintheirassemblyandfunctioning.Hierarchicalpropertiespermitcomputer-aideddesignatdifferentlevelsofabstraction,fromthesub-molecularleveltosupra-ecosystemlevels.GeorgeChurchProfessorDepartmentofGeneticsHarvardMedicalSchoolBoston,Massachusetts.

Syntheticbiologyinvolvesthedevelopmentandapplicationofengineeringprinciplestomakethedesignandconstructionofcomplexsyntheticbiologicalsystemseasierandmorereliable.Itisthefocusonthedevelopmentofnewengineeringprinciplesandformalismforthesubstrateofbiologythatsetsitapartfromthemorematurefieldsuponwhichitbuilds,suchasgeneticengineering.ChristinaSmolkeAssistantProfessorDepartmentofBioengStanfordUniversityStanford,California.Metabolicengineeringisadoptingsyntheticbiology’sstrategiesofgenesynthesis,veryfinecontrolofgeneexpression,etc.,whilesyntheticbiologyistakingmetabolicengineering’sobjective-drivenstrategiesofengineeringcircuitsandconsiderationofwhole-cellmetabolism.Andbotharemovingtowardsintegrationwithsystemsbiology.SangYupLeeDistinguishedProfessorandLGChemChairProfessorKoreaAdvancedInstituteofScienceAndTechnology

合成生物学的定义SyntheticBiologyis：A)thedesignandconstructionofnewbiologicalparts,devices,andsystems,andB)there-designofexisting,naturalbiologicalsystemsforusefulpurposes.

Howisthisdifferentfromgeneticengineering?

合成生物学与基因工程有何不同？

SyntheticBiologybuildsontoolsthathavebeendevelopedoverthelast30years.GeneticengineeringhasfocusedontheuseofmolecularbiologytobuildDNA(forexample,cloningandPCR)andautomatedsequencingtoreadDNA.

SyntheticBiologyaddstheautomatedsynthesisofDNA(towriteDNA),thesettingofstandardsandtheuseofabstractiontosimplifythedesignprocess.

2004年被美国MIT出版的《TechnologyReview》评为将改变世界的10大新出现的技术之一(10EmergingTechnologiesThatWillChangeYourWorld)。 2009年中科院300多位专家经过一年多研究发布的《创新2050：科技革命与中国的未来》战略研究系列报告中指出：“合成生物学”是可能出现革命性突破的4个基本科学问题之一。合成生物学的发展前景

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是生物的遗传物质基因、基因组和基因组学:

基因(Gene)：遗传功能的单位，是编码蛋白质或RNA分子的一段DNA序列.

基因组(Genome，来自Gene+chromosome)所有DNA分子的总和（分子遗传学定义）

基因组学(Genomics)：研究基因组结构与功能的科学

于1990年正式启动,于2003年4月14日完成了人类基因组全部序列测定其中，中国承担了1%的测序任务人类基因组计划模式生物基因组计划▲

哺乳动物4200种▲

真细菌3600种▲

古细菌180种▲

病毒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……。

ACGT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。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TranscriptomicsDNAmRNA蛋白质代谢物转录翻译催化反应Systemsbiologyasafoundationforgenome-scalesyntheticbiologyChristianLBarrett,TaeYongKim,HyunUkKim,BernhardØPalssonandSangYupLee,CurrentOpinioninBiotechnology2006,17:488–492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

－－第四次科学大发展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123465生物大分子的合成与模块化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DNA从头合成（denovoDNAsynthesis）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(AnExpandedGeneticInformationSystem)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PhiX174（5386bp）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（Genomereduction)●

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(或必需)的蛋白质编码基因（Essentialgenes)；●必不可少(或必需)的RNA分子编码基因；●必不可少(或必需)的非编码序列（启动子序列;TFBS;复制起始原点区oriC等);●………………DatabaseofEssentialGenes5210（DEG4.0）No.ChineseNameLatinNameNumberofEssentialGenes1枯草杆菌Bacillussubtilis2712金黄色葡萄球菌Staphylococcusaureus3023大肠杆菌Escherichiacoli6194流感嗜血杆菌Haemophilusinfluenzae6425生殖道支原体Mycoplasmagenitalium3816肺炎链球菌Streptococcuspneumoniae2447幽门螺杆菌Helicobacterpylori266953238幽门螺杆菌HelicobacterpyloriJ993129结核分枝杆菌Mycobacteriumtuberculosis61410鼠伤寒沙门氏菌Salmonellatyphimurium25111新凶手弗朗西丝菌Francisellanovicida39212Baylyi不动杆菌Acinetobacterbaylyi29313酿酒酵母Saccharomycescerevisiae878枯草杆菌

(Bacillussubtilis)No.ofessentialgenes271生殖道支原体

（Mycoplasmagenitalium）No.ofessentialgenes381流感嗜血杆菌

(Haemophilusinfluenzae)

No.ofessentialgenes642

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“合成”将是“分析”的必要补充。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；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PNASNatureScienceMSB合成生物学应用BioEnergy.Cellsarebeingengineeredtoconsumeagriculturalproductsandproduceliquidfuels.BritishPetroleumandtheUSDOEgranted$650milliondollarsforresearchintheSanFranciscoBayArea.DrugProduction.Bacteriaandyeastcanbere-engineeredforthelowcostproductionofdrugs.Examplesincludetheanti-malarialdrugArtemisininandthecholesterol-loweringdrug（降胆固醇药）.Materials.Recombinantcellshavebeenconstructedthatcanbuildchemicalprecursorsfortheproductionofplasticsandtextiles,suchasBio-PDO（1，3－丙二醇）andspidersilk（蛛丝）.Medicine.Cellsarebeingprogrammedfortherapeuticpurposes.BacteriaandT-cellscanberewiredtocirculateinthebodyandidentifyandtreatdiseasedcellsandtissues.对合成生物学的资助(美国，部分）US-NSF2006年投入2000万美元资助建立“合成生物学工程研究中心”(SyntheticBiologyEngineeringResearchCenter-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,$29MforEMERGINGFRONTIERSINRESEARCHANDINNOVATION:1.BioSensing&BioActuation:InterfaceofLivingandEngineeredSystems(BSBA)2.HydrocarbonsfromBiomass(HyBi)US-DOD(DARPA):$3MtoVenter’sInstituteforBioenergyTheBillandMelindaGatesFoundation:$42.6Mforanti-malarialdrug.Harvardreceivesdonationworth$125M

HarvardUniversityhasreceiveda$125milliondonationfromHansjörgWyss,aHarvardalumnusandchairmanofSwissmedicaldevicemakerSynthes.TheuniversityplanstorenameandexpandtheInstituteforBiologicallyInspiredEngineering,whichwillconcentrateonsyntheticbiology,biologicalmaterialsandotherrelatedareas.ConsortiumofventurecapitaliststoSyntheticCompanies(BP-UCB,$5.5亿;ExxonMobil-syntheticgenomics,$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“TechnologyReview”评为将改变世界的10大新出现的技术之一（10EmergingTechnologiesThatWillChangeYourWorld）。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（Microbialdrugfactories），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Artemisiaannua）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NatureBiotechnology和2006年的Nature上。合成生物学研究举例Keasling实验室

ResearchInterests:代谢工程，系统生物学，合成生物学SyntheticBiologyforSyntheticChemistryACSChemicalBiology,2008,3:64-76（合成生物学－合成化学－青蒿素合成举例）ImportanceofsystemsbiologyinengineeringmicrobesforbiofuelproductionCurrentOpinioninBiotechnology2008,19:228–234（系统生物学－生物燃料生产）Metabolicengineeringofmicroorganismsforbiofuelsproduction:frombugstosyntheticbiologytofuels（代谢工程：微生物－合成生物学－生物燃料）CurrentOpinioninBiotechnology2008,19:inpress

Theprocessforthemicrobialproductionofartemisinin.Usingsyntheticbiology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—AmyrisBiotechnologies,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”（BacterialFactories）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AmyrisBiotechnologies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。ChristinaDSmolke研究组最新论文ProductionofbenzylisoquinolinealkaloidsinSaccharomycescerevisiae

NatureChemicalBiology,2008,4(9):564-573Higher-OrderCellularInformationProcessingwithSyntheticRNADevices

Science,2008,322,456-460Model-guideddesignofligand-regulatedRNAiforprogrammablecontrolofgeneexpression

MolecularSystemsBiology,2008,4;No.224;ChristinaD.SmolkeDivisionofChemistryandChemicalEngineeringCaliforniaInstituteofTechnologyFoundationaladvancesinRNAengineeringappliedtocontrolofbiosynthesisASyntheticGene-MetabolicOscillator

Fung,E.,Wong,W.W.,Suen,J.K.,Bulter,T.,Lee,S.G.andLiao,J.C.(2005)Nature,435,118-122.

wedesignedandconstructedasyntheticcircuitinEscherichiacoliK12,usingglycolyticfluxtogenerateoscillationthroughthesignallingmetaboliteacetylphosphate.Iftwometabolitepoolsareinterconvertedbytwoenzymesthatareplacedunderthetranscriptionalcontrolofacetylphosphate,thesystemoscillateswhentheglycolyticrateexceedsacriticalvalue.Weusedbifurcationanalysistoidentifytheboundariesofoscillation,andverifiedtheseexperimentally.Thisworkdemonstratesthepossibilityofusingmetabolicfluxasacontrolfactorinsystem-wideoscillation,aswellasthepredictabilityofadenovogene–metaboliccircuitdesignedusingnonlineardynamicanalysis.MetabolicEngineeringandSystemsBiologyLab.

ProfessorJamesC.Liao,UCLA

Non-FermentativePathwaysforSynthesisofBranched-ChainHigherAlcoholsasBiofuels,

Nature,451:86-89

HerewepresentasyntheticapproachusingEscherichiacolitoproducehigheralcoholsincludingisobutanol,1-butanol,2-methyl-1-butanol,3-methyl-1-butanoland2-phenylethanolfromarenewablecarbonsource,glucose.Thisstrategyleveragesthehost’shighlyactiveaminoacidbiosyntheticpathwayanddivertsits2-ketoacidintermediatesforalcoholsynthesis.Inparticular,wehaveachievedhighyield,highspecificityproductionofisobutanolfromglucose.Thestrategyenablestheexplorationofbiofuelsbeyondthosenaturallyaccumulatedtohighquantitiesinmicrobialfermentation.

Fig.1Productionofhigheralcoholsthroughthesyntheticnon-fermentativepathways.ResistancetoDiet-InducedObesityinMicewithSyntheticGlyoxylateShunt

CellMetabolism,9：525-536,2009UCLA的化学与生物分子工程学教授廖俊智（JamesLiao）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（JamesCollins）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。Directphotosyntheticrecyclingofcarbondioxidetoisobutyraldehyde,NB,27(12):1177-1180.2009HerewegeneticallyengineeredSynechococcuselongatusPCC7942toproduceisobutyraldehyde(异丁醛)andisobutanoldirectlyfromCO2andincreasedproductivitybyoverexpressionofribulose1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase(Rubisco).Isobutyraldehydeisaprecursorforthesynthesisofotherchemicals,andisobutanolcanbeusedasagasolinesubstitute.Thehighvaporpressureofisobutyraldehydeallowsinsituproductrecoveryandreducesproducttoxicity.Theengineeredstrainremainedactivefor8dandproducedisobutyraldehydeatahigherratethanthosereportedforethanol,hydrogenorlipidproductionbycyanobacteria（蓝藻）oralgae.ATaleofTwoEnergyProblems:

FuelShortageandObesity(Awardlecture,1h)

AIChE'sSocietyforBiologicalEngineering(SBE)hasawardeditsfifthannualJamesE.BaileyAwardtoDr.JamesC.Liaoforadvancesinmetabolicresearch.

LiaoistheChancellor'sProfessorattheUniversityofCalifornia,LosAngeles.Hehasmademajorcontributionstobiochemicalengineeringwithhistheoreticalandhisexperimentalwork,andhasaninternationalreputationthatextendswellbeyondthechemicalengineeringcommunity.

JamesE.BaileyAwardtoProfessorJamesC.LIAONov.10,2009BioengineersSucceedinProducingPlasticWithouttheuseofFossilFuelsAteamofpione