(24)-9.3 合成生物学的研究方向

第三节合成生物学的研究方向一、创建新的基因调控模块和线路

各种蛋白质、DNA、RNA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。基因线路1）基因拨动开关e.g.E.coli报告基因诱导物A阻遏物A启动子B启动子A阻遏物B诱导物B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。状态转换具有滞后性，具有记忆功能。2）基因振荡器FT1激活它本身和FT2；FT2过量，会抑制FT13）大肠杆菌成像系统

将细菌改造成感光胶片，像素1平方米1亿像素分辨率。

将藻胆青素合成基因(ho1和pcyA)转入大肠杆菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素PCB。lacZompC

promoter

PCBBlackPCBPCB二、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E.coli生产1000多种人类蛋白。代谢途径改造----调节核心组件优化途径

不同的生物学途径提取出来优化整合到宿主细胞合成目标化学物质1.

青蒿酸合成线路的设计构建疟疾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，面色苍白，接着体温迅速上升，达40℃或更高，面色潮红，全身大汗淋漓，大汗后体温降至正常或正常以下。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。

每年5亿人感染，100万死亡。目前最有效的是青蒿素，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药物。Keasling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中，改造获得E.coli

青蒿酸的产量300mg/L。困难：难以预计的复杂性这一工作几乎是150人一年工作的结果，这些工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能基因组合在一起的运作机制。

由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就,Keasling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。2.

代谢途径的快速进化基因突变改造代谢途径生产目标化合物

对20种番茄红素合成有关的基因进行突变；将突变的90个DNA片段，转入大肠杆菌；

3天内产生了150亿基因突变体；从中筛选到使番茄红素产量提高5倍的基因。3.

利用合成生物学生产新能源

Kaslling利用13个可逆的酶促反应组合起来创建一条非天然的催化路径。

淀粉+水H2三、最小基因组与合成生物学合成生物学最终目标：

合成独立的可遗传的人工生命体

人工生命的基本要素具有膜系统能进行新陈代谢具有自己的基因研究最简化生命的两种方法从下而上：从核苷酸合成新生命体。从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。1.人工构建合成生命体

2002年Wimmer小组脊髓灰质炎病毒的合成Venter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

将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。

丝状支原体2.最小基因组的构建

Blattnerj小组删除大肠杆菌基因组的15%（高达82Kb）,细菌仍保持了良好的生存状态。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。电穿孔

Endy小组用12kb人工合成的DNA取代野生T7基因组中的11kb的非必须DNA构建新的生命体。

最小基因组优点选择性的保留所需的代谢途径和功能；成为合成基因网络理想的容器；为插入模块提供最简单无干扰的环境。理想的细胞底盘应具备的条件长期培养中保持基因稳定能够在低营养培养基中生长以降低成本同时协调多基因的表达能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径四、构建多细胞体系多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。

群体效应：微生物通过自身产生的一种化学信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的行为。细菌QS系统作用细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境中的变化。枯草芽胞杆菌利用QS系统对细胞的发育进行调控当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展；营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。

合成生物学的工程本质

“工程化”是合成生物学的一个显著特点，也是合成生物学区别现有生物学其它学科的主要特征之一。合成生物学家力图通过工程化方法，将复杂生物系统简化以探索自然生物现象及其应用，并利用基因等元素设计和构建具有崭新功能的合成生物系统。自上至下（逆向工程）和自下至上（前/正向工程）是合成生物学的过程化研究主要有两种策略。自上至下策略主要用于分析阶段，试图利用抽提和解耦方法降低自然生物系统的复杂性，将其层层凝练成工程化的标准模块。自下至上的策略通常是指通过工程化方法，利用标准化模块，由简单到复杂构建具有期望功能的生物系统的方法。合成生物系统的层次化结构

具有一定功能的DNA序列组成最简单的生物积块，称为生物部件（Part）；不同功能的生物部件按照一定的逻辑和物理连接组成复杂的生物装置（Device）；不同功能的生物装置协同运作组成更加复杂的生物