合成生物学教材配套电子课件完整版电子教案

合成生物学535页完整版课件正版可修改PPT合成生物学概述合成生物系统的设计合成生物系统的数学模拟与性能分析合成生物学的基础合成生物学的应用研究最新案例与讨论提纲第一章合成生物学概述合成生物学的诞生合成生物学的定义合成生物学的研究内容合成生物学的意义合成生物学的工程本质合成生物学与相关生物学科一、合成生物学的诞生合成生物学诞生的知识积累DNA是生物的遗传物质（1953年）(K)大肠杆菌B大肠杆菌K10

—

4(B)宿主的限制和修饰现象(1952年)1E.O.P成斑率efficiency

of

plating一、合成生物学的诞生合成生物学诞生的知识积累4×10

—

41(B)(B)酶切位点不被修饰噬菌体DNA被切割酶切位点被修饰基因组DNA不被切割限制—修饰的酶学假说（1962年）一、合成生物学的诞生合成生物学诞生的知识积累一、合成生物学的诞生合成生物学诞生的知识积累DNA重组（Recombinant）技术（1973年）一、合成生物学的诞生合成生物学诞生的知识积累乳糖操纵子（阻遏）操纵子（operon）模型（

Jacob

与

Monod

）一、合成生物学的诞生合成生物学诞生的知识积累操纵子思想被认为是基因线路（gene

circuit）的雏形！乳糖操纵子（解阻遏）操纵子（operon）模型（

Jacob

与

Monod

）一、合成生物学的诞生合成生物学诞生的知识积累√哺乳动物√真细菌√古细菌√

病

毒4200种3600种180种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、大肠杆菌……。模式生物基因组计划的实施数学生

工

物物

程

理学

学

学计算机科学化学信息学合成生物学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器生物计算机应用一、合成生物学的诞生合成生物学诞生的学科基础生物质能一、合成生物学的诞生合成生物学的出现与发展√1980年第一次以“基因外科术：合成生物学（synthetic

biology

）的开始”为题出现在德文刊物上√

Focus

on

Synthetic

Biology，NatureBiotechnology,

27(12),

2009-12-7：The

latest

iteration

of

genetic

engineeringoffers

the

prospect

of

the

design

andconstruction

of

new

life

forms

frombiological

parts,

devices

and

systems.一、合成生物学的诞生合成生物学的出现与发展√2010年“人造生命诞生”一、合成生物学的诞生合成生物学的出现与发展√2010年“人造生命诞生”一、合成生物学的诞生合成生物学的出现与发展√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

EmergingTechnologies

That

Will

Change

Your

World)。√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。二、合成生物学的定义什么是合成生物学？√合成生物学的定义目前处于多元化阶段。√J.D.Keasling定义√R.Holt定义√G.Church定义√合成生物学组织网站定义二、合成生物学的定义什么是合成生物学？√J.D.Keasling定义√美国加州大学伯克利分校化学工程系教授，他认为合成生物学是用“生物学”进行工程化，就如用“物理学”进行“电子工程”、用化学进行化学工程一样。J.D.

Keasling二、合成生物学的定义什么是合成生物学？√R.Holt，美国哥伦比亚癌症研究中心主任，认为合成生物学与传统的DNA重组技术的界限任然模糊。根本上，合成生物学利用获得的“元件”对细胞进行实际工程化√G.Church，美国哈佛大学医学院教授，认为合成生物学是利用确定的“零件”进行新生物系统的工程。利用从系统生物学得出的最好分析法加工、制作及检验复杂的生物机器。George

Church二、合成生物学的定义什么是合成生物学？√合成生物学组织网站定义（A)

the

design

and

construction

of

new

biologicalparts,

devices,

and

systems,

and（B)

the

re-design

of

existing,

natural

biologicalsystems

for

useful

purposes.强调“设计”和“重设计”。设计、模拟、实验室合成生物学的基础。Applications二、合成生物学的定义什么是合成生物学？SystemsParts

&FabricationDesignToolsRegistriesSynthesisMeasurement二、合成生物学的定义什么是合成生物学？√标准化√底盘机架二、合成生物学的定义什么是合成生物学？Abstraction

in

computer

and

biology三、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和多细胞系统研究数学模拟和功能预测（1）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核酸分子的人工合成蛋白质的工程化改造与模块化合成生物学设计能够相对独立、可以被组装的蛋白模块。问题：天然蛋白在模块化和功能化方面无法满足人工生物系统要求。如何解决？？√根据调节蛋白自身域结构的重新组合来巧妙的实现：√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。蛋白质的工程化改造与模块化Single

Zinc-finger

stucture蛋白自身域结构的重新组合：人工设计多锌指蛋白polyZinc-fingerprotein获得崭新的酶底物结合特异性蛋白质的工程化改造与模块化计算化学指导突变：无酶活性的核糖体结合蛋白按照丙糖磷酸异构酶活性中心结构突变天然的丙糖磷酸异构酶（TIM）具有TIM活性的核糖体结合蛋白A.

Dwyer

et

al.

Computational

Design

of

a

Biologically

Active

Enzyme,Science,

2004,304(25):1967-1971蛋白质的工程化改造与模块化蛋白-蛋白相互作用：具具有有TTIIMM活活性性的的核核糖糖体体结结合合蛋蛋白白Yeast

matingpathway酵母杂合途径J.

Bashor

et

al.

Using

Engineered

Scaffold

Interactions

to

Reshape

MAPKinase

Pathway

Signaling

Dynamics,

Science,

2008,319(14):

1539-1546负调控核酸分子的人工合成√允许高效构建相关的在特殊区域有所改变的基因簇；√允许目标基因的柔性设计而不需常规基因重组或克隆所需的中间步骤；√允许用户选择只包括期望功能和途径的人工合成基因，简化或切断生物进化作用所带来的影响；√允许用户插入任意期望的模块，具有可扩展性；√如设计成只有在实验室特殊条件中才能存活的形式，则更具有安全性。核酸分子的人工合成DNA从头合成（denovoDNAsynthesis）技术：目前主要是通过断链片段的拼核苷酸并通过PCR装配成较长的DNA接，，以以及及化化学学合合成成寡寡片片段段。。Synthesis

of

poliovirus

in

the

absenceof

natural

template核酸分子的人工合成➢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

(An

Expanded

GeneticInformation

System)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。➢人工合成生物全基因组➢生物基因组的简化与重构（2）基因组的合成、简化与重构人工合成生物全基因组2002年纽约州立大学石溪分校（E.Wimmer）小组用3年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14天时间从头合成了噬菌体Phi

X174（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”。Little

lesionsoflung

tissuefrom

a

Tx/91-infectedmouseLung

from

mice

infected

withsynthesed

influenza

virus人工合成生物全基因组2008年J.C.Venter小组又合成了Mycoplasmagenitalium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。Linear

GenomBenchrepresentationof

the

circular

582,970-bp

M.

genitaliumJCVI1.0

genome.

Overlapping

synthetic

DNA

cassettes

that

comprise

the

wholegenome

sequence,

485

M.

genitalium

protein

coding

genes,

43

M.

genitaliumrRNA,

t

RNA,

and

structural

RNA

genes,

and

B-series

assemblies.生物基因组的简化与重构生物体自身的各种代谢路径、信号传导途径及内源噪声对于人工模块功能的执行时一种干扰。天然基因功能的多效性和冗余性也给模拟算法的应用带来障碍。如何解决？最小基因组（minimal

genome）必需基因（essential

gene）生物基因组的简化与重构最小基因组（minimal

genome）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);生物基因组的简化与重构Bacillus

subtilis

No.

ofessential

genes

271Mycoplasma

genitalium

No.of

essential

genes

386Haemophilus

influenzaeNo.

of

essential

genes

642现在已有14种原核生物和7种真核生物基因组的必需基因被掌握，存放在必需基因数据库DEG5.2中。生物基因组的简化与重构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。➢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。（3）合成代谢网络美国科学家合成青蒿素的前体物质青蒿酸美国加利福尼亚大学伯克利分校的教授JayKeasling及其同事2006年利用酵母合成了青蒿素的前体物质———青蒿酸，发表在《自然》杂志上。（3）合成代谢网络The

process

for

the

microbial

production

ofartemisinin.

Using

synthetic

biology➢遗传线路（genetic

circuit），俗称基因线路（genecircuit），是由各种调节元件和被调节的基因组合成的遗传装置（genetic

device）。➢功能分类：➢逻辑基因线路-借鉴控制理论和逻辑电路的设计规则➢其他功能的遗传线路-利用基因模块原有功能。（4）遗传/基因线路的设计与构建Toggle

switch（4）遗传/基因线路的设计与构建Repressor

1

inhibits

transcription

from

Promoter

1

and

is

induced

by

Inducer

1.

Repressor

2

inhibits

transcription

from

Promoter

2

and

is

induced

by

Inducer

2.S.

Gardne

et

al.

Construction

of

a

genetic

toggle

switch

in

Escherichia

coliNature,

2000,

403(20):339-342逻辑或门遗传线路（4）遗传/基因线路的设计与构建Hasty

et

al.

Engineered

gene

circuits.

Nature,

2002,

420(14):224-230（5）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。A

microfluidic

bioreactor

enables

long-termculture

and

monitoring

of

extremely

smallpopulations

of

bacteria

with

single-cell

resolution.The

device

can

observe

the

dynamics

of

E.

colicarrying

a

synthetic

‘‘population

control’’

circuiregulates

cell

density

through

a

feedbackmechanism

based

on

quorum

sensing.K.

Balagadde

etal.

Long-Term

Monitoring

of

Bacteria

UndergoingProgrammed

Population

Controlin

a

Microchemostat.

Science,

2005,309:137-142（5）细胞群体系统及多细胞系统研究With

the

circuit

ON,

the

cell

density

is

broadcast,

whichin

turn

modulates

the

expression

of

a

killer

gene.

Thekiller

gene

regulates

cell

density

by

controlling

the

celdeath

rate.Optical

micrographshowing

sixmicrochemostatsGrowth

of

cells

with

the

population-

control

circuit

ON

(reactors

1

to

3),

OFF

(reactors

5

to

6),

or

absent

(re-

actor

4)

on

a

singlechip➢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。（6）数学模拟和功能预测Interplay

between

engineering

tools

with

a

biological

hierarchyMarguet

et

al.

Biology

bydesign:

reduction

and

synthesisof

cellularcomponents

and

behaviour.

J

R

Soc

Interface,

2007,

4:607–623➢目的：将生物系统的合成与遗传线路的连接工程化，与集成电路的制造方法一样，先设计、再制造、再设计。Andrianantoandro

et

al.

Synthetic

biology:

new

engineering

rules

foran

emerging

discipline.

Molecular

Systems

Biology

，2006,

1–14➢最终目的是通过这种理性设计和再设计的过程，获得人们所需要的生物功能，并通过实验得以实现。四、合成生物学的意义需要工程化、标准化的策略，加速生物学研究和应用进程。将研究人员从日复一日的重复性操作中解脱出来。致力于工程化自组装细胞装置，制作崭新的分子和生物系统，推进疾病诊断、药物学、基因编码功能及生物起源方面的研究。利用人工合成的生物系统验证和深化人类对于生物及生命的理解。□“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。四、合成生物学的意义五、合成生物学的工程本质三个工程化概念标准化（standardization）：建立生物功能的意义、建立识别生物部件的方法及标准生物部件的注册登记。实现即插即用。。New

BioBrick

vector

parts.五、合成生物学的工程本质三个工程化概念解耦（decoupling）：将复杂问题分解为简单问题、将复杂系统分解为简单要素，在统一框架下分别设计。Two

reresentative

examplesbuilding

projects,

which

are

often

separated

intoarchitecture,

engineering

,

construction,

projectmanagement

and

inspection

tasks.very-large

scale

integrated(VLSI)electronics,which

is

an

engineering

technology

that

only

becamepractical

once

rules

were

worked

out

to

enable

theseparation

of

chip

design

from

chip

fabrication。五、合成生物学的工程本质三个工程化概念抽提（abstraction）：建立装置和模块的层次，允许不同层次间的分离和有限的信息交换、开发重新设计的简化装置和模块，构建具有统一接口的部件库等。An

abstractionhierarchy

thatsupportstheengineering

ofintegrated

geneticsystemsEndy.Foundationsfor

engineeringbiology.

Nature,438(24):449-4536、合成生物学与相关生物科学与遗传工程的关系个别外源基因在宿主内的表达从头设计和构建自然界不存在的人工生物体系对现有生物的重新设计与改造遗传工程合成生物学6、合成生物学与相关生物科学与遗传工程的关系使用较少数学工具广泛使用数学工具遗传工程合成生物学6、合成生物学与相关生物科学与遗传工程的关系很少进行细胞网络分析网络分析是核心内容遗传工程合成生物学6、合成生物学与相关生物科学与分子生物学和细胞生物学的关系分子生物学：通过对生物大分子的结构、功能和生物合成方面的研究阐明事生物现象的本质。细胞生物学：以细胞为研究对象，从细胞整体水平、亚显微水平、分子水平三个层次，以动态的观点研究细胞与细胞器的结构和功能、细胞的生物史和各种生物活动规律。➢合成生物学：利用分子生物学和细胞生物学的研究成果设计构造新生物分子、遗传线路及细胞，验证分子和细胞生物学理论。6、合成生物学与相关生物科学与分子生物学和细胞生物学的关系分子生物学阐明生命现象细胞生物学阐明生物活动规律合成生物学重视重新设计与构建6、合成生物学与相关生物科学与系统生物学和功能基因组学的关系➢系统生物学：在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究生物分子及其相互作用，并通过计算生物学阐明和预测生物系统的功能、表型和行为。合成生物学可以看做是系统生物学新出现的合理补充和验证。合成生物学的方法为系统生物学和功能基因组学提供将细胞作为系统的分析角度。➢系统生物学和功能基因组学在生物系统进化方面的洞察力也是基因组水平合成生物学的基础。6、合成生物学与相关生物科学系统生物学基因组学转录组学蛋白质组学代谢组学生化反应产品系统生物学6、合成生物学与相关生物科学Systems

biology

as

a

foundation

for

genome-scale

synthetic

biologySystems

biology

aims

at

the

exploration

of

the

nature

of

the

cell

onthe

basis

ofhigh-throughput

experiments,

reconstruction

and

integration

of

cellular

systeand

modeling

and

simulation.

Synthetic

biology

exploits

cellular

componentsand

their

cross-interactions

to

redesign

the

cell

and

parts

of

it

with

novel

andimproved

abilities.6、合成生物学与相关生物科学与生物信息学的关系➢生物信息学：将计算机科学和数学应用于生物大分子信息的获取、加工、存储、分类、检索。基因的分析与注释表达谱分析基因芯片蛋白质结构6、合成生物学与相关生物科学与生物信息学的关系➢生物信息学的发展推动合成生物学发展。computationallyidentified

geneover-expressiontargets

forisoprenoidprecursorpathwayA.

Boghigian

et

al.

Comput

tional

identification

of

gene

over-expressiontargeformetabolic

engineering

of

taxadiene

production.AMB,2012,93:2063-29736、合成生物学与相关生物科学与生物信息学的关系➢生物信息学的发展推动合成生物学发展。Specific

taxadienetiter

for

thecomputationallyidentified

targetscombined

withover-expressionofidiA.

Boghigian

et

al.

Comput

tional

identification

of

gene

over-expressiontargeformetabolic

engineering

of

taxadiene

production.AMB,2012,93:2063-2973合成生物学•合成生物学的模块化设计•标准化生物模块——生物积块•标准定量机制•生物系统的层次化结构提纲合成生物学的模块化设计在合成生物学中我们称具有标准接口、功能相对独立的生物大分子、信号转导路径、基因线路等为“模块”。模块的规模可大可小，小到具体的启动子、终止子，大到单细胞、多细胞及细胞群体系统。模块化设计和构建是“标准化、解耦和抽提”三个概念的综合运用，最大限度的体现了合成生物学的思想精髓，是合成生物学的标志性内容。合成生物学的模块化设计每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的期望功能。模块的基本属性外部特性接口功能状态内部特性逻辑合成生物学的模块化设计模块化的目的降低合成生物系统设计的复杂度简化实验的设计、验证和优化所谓的模块化系统设计不只是简单的逐个基因的连接，而是首先利用“解耦”的思想，将整个系统按照某一标准（功能、时间等）进行分割，分割成相对独立的子系统；以“标准化”的思想定义和验证各子系统之间的输入、输出连接关系；利用逐步细化的“抽提”方法得到一系列以功能模块（子系统）为单位的算法描述。合成生物学的模块化设计保持“功能独立”是模块化设计的基本原则只有“功能独立”的模块才可以降低开发、测试、维护等阶段的成本但是“功能独立”并不意味着模块之间绝对的孤立。一个系统要完成某种任务，需要各个模块相互配合才能实现，此时模块之间就要进行信息交流。可以这样认为：“功能独立”的模块具有各自的作用，但只有当所有的模块完美配合，系统的功能才能以最佳状态最大限度发挥。模块设计的三个特征因素信息隐藏为了尽量避免某个模块的行为干扰同一系统中的其他模块，在设计模块时就要注意信息隐藏。信息隐藏是指在设计和确定模块时，一个模块内包含的信息对于不需要这些信息的其他模块来说是不能访问或知晓的。独立的模块彼此之间仅仅交换那些为了完成系统功能所必需的信息，而是将其他一切内容“隐藏”起来。模块的信息隐藏可以通过接口设计来实现，一个模块仅提供有限个接口，充当模块与模块之间必不可少的信息交流的媒介和通道。在生物系统中，接口是各种信号分子、蛋白质、RNA等生物介质。生物模块的信息隐蔽可以理解为尽量不产生不必要的信号物质，尽量将信号物质快速降解以避免对其他模块产生干扰。模块设计的三个特征因素内聚-耦合内聚（cohesion）是一个模块内部各成分之间相关联程度的度量；耦合（coupling）是模块之间依赖程度的度量内聚和耦合密切相关，与其他模块存在强耦合的模块通常意味着弱内聚，而强内聚的模块通常意味着与其他模块之间存在弱耦合模块设计追求强内聚、弱耦合。通俗的说，就是增加生物模块内部组分间的依赖性，削弱模块与模块之间的依赖性和相互作用需要指出的是，生物系统由于自身的特性而具有区别于其他工程领域的模块化设计。合成模块和宿主细胞的内在过程具有一定的依赖性，会互相约束彼此的行为。宿主细胞的任何波动都会传播到模块并影响其功能；反之，模块的波动也会影响宿主细胞的过程。模块设计的三个特征因素封闭性-开放性如果一个模块可以作为一个独立体被应用，则称模块具有封闭性；如果一个模块可以被扩充，则称模块具有开放性。从字面上看，让模块具有“封闭性-开放性”是矛盾的，但这种特征是客观存在的。当着手一个新问题时，我们很难一次性解决问题，应该先综观问题的一些重要方面，同时做好以后补充的准备。因此，让模块存在“开放性”并不是坏事。然而，“封闭性”也是需要的，因为我们不能等到完全掌握解决问题的信息后再用模块。目前对于生物模块的研究，主要集中在“封闭性”上，要求模块对不希望的输入信号具有“绝缘”的能力，从而保证自身功能不被干扰。细胞本底环境对模块设计的影响对于生物而言，模块无法想电容、电阻等电子器件那样独立存在。细胞中的模块的功能不仅取决于它的组分装置和连接性，也取决于其运行的细胞本底环境。细胞本底环境DNA、RNA新陈代谢可用的氨基酸ATP水平蛋白质合成细胞周期与分裂与外源模块相互作用的内源信号通路细胞本底环境对模块设计的影响相同的合成生物系统在不同的宿主细胞中也会表现出不同的行为。新模块的整合及其功能也会对宿主细胞过程产生根本性影响，从而改变细胞本底环境，而本底环境又会反过来改变模块的行为。合成生物学在定义功能模块时，不仅需要对特殊生物功能模块进行标准化定义，还需要对本底细胞元素的状态进行标准化，充分考虑模块与宿主细胞本底之间的联系。模块 宿主无细胞生物合成系统为了克服细胞本底以及细胞自身内环境的影响，一些学者正在研究无细胞环境下合成生物系统的组装原则无细胞表达系统建立在细胞提取物基础上，提供了必要的替代体内蛋白质合成的方法优势：基因和聚合酶浓度的可控性、报告物测量的量化，以及可供研究的大范围参数空间，并适合于高通量方法、大范围蛋白质产量的蛋白质体外进化等无细胞生物合成系统Dan

Luo.

A

cell-free

protein-producing

gel.

NATURE

MATERIALS.

2009,

8:

432-437标准化生物模块——生物积块为了克服常规基因操作中繁琐的切、连、转、筛，即DNA片段的分离、体外连接、导入受体细胞和筛选的过程，以及从成百上千种限制性内切核酸酶和底物中进行选择的困难中解脱出来，更加灵活、高效、方便的使用DNA元件，合成生物学家创造性的提出了生物积块（BioBrick）的概念，并构建了相应的DNA元件文库——iGEMRegistry。标准化生物模块——生物积块

生物积块也有大小之分，小型的生物积块通常是具有一定功能的DNA片段，就是我们所说的组件（Part），例如一个RBS或者一个终止子，几十或者几百个bp；稍大一些的可以是由几个Part组成的基因调控线路，就是我们常说的Device；再大些可以是由调控线路组成的级联线路、调控网路、甚至调控系统（System）。只要经过标准化处理、具有标准的酶切位点，都可以称为生物积块。Part

Device

System生物积块标准化的优点生物积块是标准化的生物模块，种类多，相互之间容易连结，可供选择的余地大相当多的生物积块经过遗传工程手段的改造和实验的检验，在模式菌等菌种中具有很好的生物功能，这就克服了直接从自然生物中克隆基因所必需面对的异源表达问题标准化的酶切位点省去了寻找和优化限制性内切核酸酶、连接酶等DNA重组工具的繁琐工作，大大节省了时间，提高了效率标准化的描述文件和分类的方法，为使用者迅速找到理想的模块提供了便利标准化的动力学参数模拟、载体和宿主背景，为生物模块的功能预测奠定了参考、比较和优化的平台体

会Part:

functional

and

usableDevice:

controllable

and

tunableSystem:

expanded

and

maintainableBioBrick命名规则作为一个新兴的工程化学科，合成生物学对于自己的零件——BioBrick有着相关的定义和描述。PromoterRibosomeBinding

SitesCloning

andrestrictionenzyme

sitesBioBrick的连接

iGEM

Registry中的BioBrick的标准化体现在每一个DNA模块的结构都是标准化的：除了本身的功能序列以外，它们都具有相同的前缀和后缀，每一个BioBrick的前缀中都包括EcoRI和XbaI两个酶切位点，后缀中包括SpeI和PstI两个酶切位点，并且经过特殊的遗传工程手段处理，确保真正的编码序列中不含有这四个酶切位点。EcoRIXbaISpeIPstIGeneBioBrick的连接有了上述四个标准化的酶切位点之后，需要组装的部分可以分为插入片段和载体两个部分。插入片段由限制性内切核酸酶处理以后可以从载体上切割出来，通过琼脂糖凝胶电泳分离回收后可得到纯度足够高的插入片段。载体经过酶切处理后可打开一个小口，并留下两个粘性末端，处理过的载体可经乙醇沉淀或者琼脂糖电泳纯化。BioBrick的连接BioBrick标准化的连接方式标准定量机制

除了用标准化的功能模块作为承载功能的硬件之外，还需要标准化的系统量化平台和抽象的概念信号作为承载功能的软件，为此，iGEM

Registry提供了衡量和代表输入输出信号的标准——PoPS（RNA

polymerase

per

second）和RIPS（ribosomal

initiations

per

second）

。PoPS

PoPS（RNA

polymerase

per

second，RNA聚合酶每秒）用于衡量基因的被转录水平，对于每个DNA拷贝来讲RNA聚合酶分子每秒种通过DNA分子上某一点的数量。PoPS类似于流经电线特定位置的电流流量。这个度量单位有时也被称为PAR（polymerasearrivalrate），即每秒种到达每一特定DNA位点的RNA聚合酶的数量。PoPS

在上述的各种生物部件中，启动子可以看作是

PoPS源（类似于电路中的电流源——电池），产生PoPS的稳定输出，但是没有输入。终止子相当于PoPS接收器或者接地的装置，即以PoPS作为输入，但是没有输出。启动子电源RBS导线基因电阻终止子接地PoPS

基于PoPS的转换器（inverter）通常包含一个RBS、阻遏蛋白（repressor）编码区域、终止子和同源启动子。此时高水平的PoPS输入会导致阻遏蛋白表达并与启动子结合，产生低水平输出信号；相反，低水平的PoPS输入时无阻遏蛋白表达，启动子被启动而产生PoPS。RBS的作用相当于导线，允许PoPS信号通过。类似的，编码区域也是导线，但却具有一定的阻抗，即其输出的PoPS小于它的输入，可以看作是电路中的电阻元件。PoPS

PoPS只是一个转录水平上通用的信号载体，其提出的初衷是为了提供一个标准的衡量单位和信号描述方式，方便对基因线路规范化的表述。但

PoPS并不是一个可以广泛使用的信号。翻译水平和代谢水平的组件不涉及RNA聚合酶和转录过程，因此也就无法采用此种量化方法。RIPS

RIPS（ribosomalinitiations

persecond）用于衡量mRNA的翻译水平，对于每一个mRNA来讲，是指核糖体分子每秒钟通过mRNA分子上某一点的数量。生物系统的层级化结构

生物系统的层次化结构是合成生物学工程化本质的又一典型体现，具有一定功能的DNA序列组成的最简单的BioBrick称为基因部件——Part，不同功能的基因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Device协同运作组成更加复杂的生物系统——System，含有多种不同功能System的生物体彼此通讯互相协调组成再复杂些的多细胞或细胞群体生物系统。生物部件“Part”

遗传系统中最简单、最基本的生物积块称为生物部件——Part。Part是指具有特定功能的核苷酸或者蛋白质序列，能够通过标准化组装方法与其他Part组装成具有更复杂功能的模块。

每一个Part都有一个标准的名字编码，我们可以很方便的从一块DNA的名字编码中判断出它在具体生物过程中所发挥的功能。生物部件“Part”终止子蛋白质编码基因报告基因信息传递组件引物组件标签组件蛋白质发生组件转换器启动子Part的种类启动子启动子（promoter）是操纵子（operon）的一个组成部分，专一的与RNA聚合酶结合并决定转录从何处起始的部位，控制基因表达（转录）的起始时间和表达程度。启动子就像“开关”，与称为转录因子的蛋白质结合，控制基因的活动。转录因子是“起始复合物”的组成成分，指导RNA聚合酶的转录起始。生物中有许多启动子，如大肠杆菌约有2000个启动子，各启动子的效率并不相同，强启动子每2s启动一次转录，而弱启动子每10min才启动一次。细菌的启动子通常具有一些为RNA聚合酶与启动子相结合所必需的特定的结构保守区，其碱基变化会影响RNA聚合酶的识别能力和结合亲和力，控制转录水平的高低。启动子原核表达系统中常用的可调控的启动子Plac（乳糖启动子）启动子原核表达系统中常用的可调控的启动子Ptrp（色氨酸启动子）启动子原核表达系统中常用的可调控的启动子T7噬菌体启动子启动子课题组以eGFP作为报告基因，克隆得到的大肠杆菌和酿酒酵母中糖酵解途径的启动子大肠杆菌糖酵解途径启动子酿酒酵母糖酵解途径启动子RBS

RBS——核糖体结合位点（ribosome

binding

site）是指mRNA分子中紧靠启动子下游、起始密码子AUG上游的一段非翻译区序列，用于结合核糖体以便开始转录。翻译起始密码子位于它的下游位置，其功能是初始化翻译。RBS

原核生物的RBS中有SD序列，长度一般为4~9个核苷酸，富含G、A。该序列与核糖体16S

rRNA的3’端互补配对，促使核糖体结合到mRNA上，有利于翻译的起始。RBS的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码子AUG之间的距离，相距一般以4~10个核苷酸为佳，9个核苷酸为最优。由于核苷酸的变化能够改变mRNA5’端的二级结

构，影响核糖体30S亚基与mRNA的结合自由能，

从而造成蛋白质合成效率上的差异，因此SD序列的微小变化往往就会导致表达效率上百倍甚至上千倍的差异。终止子

终止子——是指结束基因转录的DNA信号序列。

在一个基因的3’端或是一个操纵子的3’端往往有特定的核苷酸序列，具有终止转录的功能，这一

序列称之为转录终止子，简称终止子（terminator）。所有的原核生物的终止子在终止

点之前都有一个回文架构，它转录出来的RNA可以形成一个茎环式的发夹架构。终止子按其作用是否需要蛋白因子的协助至少可以分为两类：一类是不依赖ρ因子的终止子，另一类是依赖ρ因子的终止子。终止子

不依赖ρ因子的终止子，这类终止子在序列上有一些共同的特点，即有一段富含GC的反向重复序列，其后跟随一段富含AT的序列，因而转录生成的mRNA序列中能形成发夹式结构，后继一连串寡聚

U序列。正是RNA聚合酶转录生成的这段mRNA的结构阻止RNA聚合酶继续沿

DNA移动，并使聚合酶从DNA链上脱落下来，终止转录。终止子

依赖ρ因子的终止子，即其终止转录的作用需要ρ因子的协同，或至少是受ρ因子的影响，终止前无寡聚U序列，回

文对称区不富含GC。终止子

不同终止子的作用也有强弱之分，有的终止子几乎能完全停止转录；有的则只是部分终止转录，还有一部分RNA聚合酶能越过这类终止序列继续沿DNA移动并转录。如果一串结构基因群中间有这种弱终止子的存在，则前后转录产物的量会有所不同，这也是终止子调节基因群中不同基因表达产物比例的一种方式。转录终止的机制较为复杂，结论尚不统一。在构建表达载体时，为了稳定载体系统，防止克隆的外源基因表达干扰载体的稳定，一般都在多克隆位点的下游插入一段很强的转录终止子。操纵子

操纵子是细菌的基因表达调节装置，由启动子和其他DNA调节元件与串联的多个相关基因组成，

由同一套调节蛋白调节。操纵子通常由2个以上的编码序列、启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。某些操纵序列是原核阻遏蛋白的结合位点，当操纵序列结合阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使

RNA聚合酶不能沿着DNA向前移动，阻遏转录，介导负调节（negativeregulation）。原核操纵子调节序列中还有一种特异DNA序列可结合激活蛋白，使转录激活，介导正调节（positiveregulation）。生物装置“Device”

有了上述标准化的“Part”部件，就可以利用转录激活因子、转录阻遏蛋白、转录后机制（如DNA修饰酶）等构建稍微复杂些的生物装置

“Device”

生物装置通过调控信息流、代谢作用、生物合成功能以及与其他装置和环境进行交流等方式处理

“输入”产生“输出”。可以说生物装置包含一系列转录、翻译、蛋白质磷酸化、变构调节、配体/受体结合、酶反应等生化反应。不同装置各自的生物化学属性具有各自的优势和限制。生物装置“Device”

利用iGEM

Registry提供的标准化系统量化方法，我们可以将一些生物装置进行标准化抽提，描述成如下形式：具有一定生物学功能，并且能够为外源物质所控制的一串DNA序列。报告基因（reporter）——其产物易于被检出的基因，在分子生物学实验中用于替换天然基因的位置，以检验其启动子及调节因子的结构组成和效率，常用的为各种荧光蛋白编码

信号转导装置（signaling）——是指环境与细胞之间或者邻近的细胞与细胞之间接受信号和传递信号的装置。转换器（inverter）——一种遗传装置，它在接受到某种信号时停止下游基因的转录，而未接收到信号时开启下游基因的转录。

蛋白质生成装置（proteingenerator）——产生具有一定功能蛋白质的装置。生物装置“Device”目前已经工程化的遗传装置有很多，如控制基因表达的各种基因开关、切换基因表达状态的双稳态开关。Timothy

S.

Gardner.

Construction

of

agenetictoggle

switch

in

Escherichia

cNATURE.

2000,

403:

339生物装置“Device”

除此以外还有三种阻遏蛋白相继表达的

Repressilator。Michael

B.

Elowitz.

A

synthetic

oscillatory

network

of

transcriptional

regulNATURE.

2000,

403:

335生物系统“System”为了得到更加复杂的调控行为或生物功能，可将装置以串联、反馈或者前馈等形式连接，组成更加复杂的级联线路或者调控网络，即所谓的生物系统。自然生物系统中的调控级联线路是非常普遍的，如大肠杆菌和酵母菌调控网络中包含的级联线路。级联线路调控基因的递进式表达，可以触发大肠杆菌鞭毛、酵母菌孢子的形成或者控制细菌的细胞周期。生物系统“System”Examples

of

network

motifs

inthe

yeast

regulatory

networkRegulators

are

represented

byblue

circles;

gene

promoters

arerepresented

by

red

rectangles.Binding

of

a

regulator

to

apromoter

is

indicated

by

a

solidarrow.

Genes

encoding

regulatorsare

linked

to

their

respectiveregulators

by

dashed

arrows.Tong

Ihn

Lee.

Transcriptional

Regulatory

Networks

inSaccharomyces

cerevisiae.

Science.

2002,298:

799生物系统“System”Model

for

the

yeast

cell

cycletranscriptional

regulatory

network.Each

blue

box

represents

a

set

of

genesbound

by

a

common

set

of

regulatorsand

co-expressed

throughout

the

cellcycle.

Each

box

is positioned

in

the

cellcycle

according

to

the

time

of

peakexpression

levels

for

the

genesrepresented

by

the

box.

Regulators,represented

by

ovals,

are

connected

tothe

sets

of

genes

they

regulate

by

solidlines.

Dashed

lines

indicate

that

a

gene

inthe

box

encodes

a

regulator

found

in

theouter

rings.Tong

Ihn

Lee.

Transcriptional

RegulatoryNetworks

in

Saccharomyces

cerevisiae.Science.

2002,298:

799生物系统“System”Schematic

view

of

the

MAPK

cascade.

Activationof

MAPK

depends

upon

the

phosphorylation

oftwo

conserved

sites.

Full

activation

of

MAPKKalso

requires

phosphorylation

of

two

sites.

hewe

assume

that

MAPKKKs

are

activated

andinactivated

by

enzymes

we

denote

El

and

E2.MAPKKK*

denotes

activated

MAPKKK.MAPKK-P

and

MAPKK-PP

denote

singly

anddoubly

phosphorylated

MAPKK,

respectively.CHI-YING

F.

Ultrasensitivity

in

themitogen-activated

protein

kinase

cascadeProc.

Natl.

Acad.

Sci.

1996.

93:10078-100生物系统“System”级联线路具有很多非常重要的特点。例如，由蛋白质控制的级联线路对于渐变输入具有超敏感性的“全开或全关”响应，输入信号中非常小的变化即可以激励输出由低到高/由高到低的跳变。生物系统“System”(A)Relative

to

a

standard

Michaelian

response,an

ultrasensitivresponse

is

more

sensitive

to

an

input

over

a

given

range.(B)A

biresponse

demonstrating

distinct

high(‘‘on’’)and

low(‘‘ostates

as

well

as

hysteresis滞后现象.Hysteresis

is

identified

bpresence

of

different

response

curves

for

activation(solid

arrodeactivation(dash-dot

arrow)of

a

system.If

feedback

is

strongbinary

response

becomes

irreversiDbalniee.l

J.Sayut.Engineering

and

applicationsgenetic

circuits.

Mol.

BioSyst..

2007,

3:

835-生物系统“System”超敏感性遗传线路对诱导物浓度在一个很窄范围内的变化具有快速响应能力，即使是微弱的输入信号，一旦达到阈值，即可快速激活遗传线路，其响应曲线非常类似于典型的阶跃响应，具有广泛的应用用价价值值。。S.

Achimescu.

Signal

propagation

in

nonlinear

stochastic

generegulatorynetwoIEE

Proc.-Syst.

Biol.

2006,

153:

120.生物系统“System”在各种级联线路和调控网络中，最简单的形式是转录水平的调控系统。核苷酸序列直接决定了相互作用的特异性，因此，相对来说控制转录和翻译以产生目的输出的装置，其搭建都比较容易具有一定的柔性。转录控制系统具有很多其他有用的特性，包括信号放大，多个转录因子的组合控制，多个下游靶点的控制，噪声的传播、放大和衰减，以及内外因素对于表型变化的控制等。对于不同长度级联线路的研究表明，在某种条件下，增加级联线路的层次深度能够增加响应的敏感性，使其输入/输出关系更加接近离散特性；同时，响应的延迟性也由线路的层次深度决定，长的级联能够起到低通滤波器的作用，对于输入噪声具有一定的鲁棒性。生物系统“System”一般来讲，真核细胞级联线路的长度通常要比原核细胞的长Distribution

of

cascade

lengtin

databases

of

transcriptioninteractions

for

(a)

E.

coliliterature,

(b)

S.

cerevisiaeliterature,

(c)

S.

cerevisiaegenome-wide

location

analysis(d)endomesoderm

developmentin

sea

urchin海胆,(e)Drosophila

early

developmentliterature(GeNet

database).NitzanRosenfeld.Response

Delays

and

theStructure

of

Transcription

Networks.

J.

Mol.

Bi2003,

329:

645-654细胞群体系统及多细胞系统由于基因表达过程中内源和外源噪声的影响以及其他细胞的作用，互不通讯的一组细胞即使起源相同也可能具有不同表型和异步行为，不可能互相协作，完成的生物功能也有限。为了更高效的实现人类期望的功能，需要多个细胞甚至多种细胞协同运作。利用细胞间通讯协调彼此的行为是目前工程化细胞群体系统的主要手段。相比较单细胞而言，细胞群体系统及多细胞系统的人工构建则复杂得多，不仅要考虑细胞间的协同，还要考虑信号分子的跨膜运输、环境因素的分布梯度等。细胞群体系统及多细胞系统Scheme

of

the

cell–cellcommunication

circuit.Acetate

functions

as

thecommunication

molecule.The

E.

coli

strain

used

ithis

work

produces

andsecretes

acetate

at

aconstant

rate

through

itamino

acid

biosynthesisThomas

Bulter.

Design

of

artificial

cell–cell

communication

using

gene

andmetabolic

networks.

PNAS.

2004,

101:

2299–2304群体感应群体感应（quorum

sensing,QS）现象最早是在海洋中的一种发光弧菌（Vibrio

fischeri）中发现的。近年来的研究表明，微生物之间存在着信息交流，许多微生物都能合成

并释放一种被称为自体诱导物（autoinducer,AI）的信号

分子，胞外的AI浓度随微生物密度的增加而增加，当达到

一个临界浓度时，AI能启动菌体中相关基因的表达，调控

微生物的生物行为，如产生毒素、形成生物膜、产生抗生

素、生成孢子、产生荧光等，以适应环境的变化，这一现

象被称为群体感应现象。因这一现象只有在微生物密度达

到一定阈值后才会发生，所以也称为依赖细胞密度控制的

基因表达（cell

density

dependent

control

of

gene

expression）群体感应

群体感应一般用于系统中细胞之间的同步响应，它提供了一种依赖细胞浓度调控基因表达的有效

手段。合成生物学再此方面的初期尝试就是在大

肠杆菌中开发细胞间的通讯模块以协调细胞群体

行为。将费氏弧菌（Vibrio

fischeri）中响应群体感应的基因分别植入独立的发生细胞和接受细胞

中。发生细胞表达LuxI 化AHL的合成。AHL信号分子自由扩散到接收细胞中和LuxR蛋白组成复合物激活目的基因转录，从而通过AHL信号分子的扩散实现细胞群体间的通讯和协作。群体感应在发光弧菌中由Plux启动子控制群体感应表达系统AHL-酰基高丝氨酸内酯群体感应

除了研究比较普遍的在大肠杆菌中构建群体感应机制获得目标功能外，R.Weiss等通过在酿酒酵母中构建人工群体感应系统而将其研究扩展到了真核细胞中。从拟南芥（Arabidopsisthaliana）中获取的信号系统与天然的酵母磷酸化级联线路相连接控制工程化的基因开关。此系统实现了高度的模块化设计，考虑到对系统响应的测量和调控的需要，还对信号进行了必要的放大。群体感应 细胞分裂素cytokininEngineered

cytokinin-based

sender-receiver

communication

inyeast.Synthetic

signaling

pathways

for

sender

and

receiver

cells.

AtlPT4,

wcatalyzes

isopentenylation

of

ATP,

enables

the

sender

to

synthesizedsecrete

IP

to

nearby

receiver

cells.

When

IP

signal

binds

AtCRE1,AtCRE1-YDP1-SKN7

phosphorylation

activates

GFP

expression

from

theSSRE

proMimnogt-TearngiCnhern.eAcretiifvieciralcceellll-sc.ell

communication

in

yeast

Saccharomyces

cerevisiae

usignaling

elements

from

Arabidopsis

thaliana.

Nature

Biotechnology.

2005,

23:

1551群体感应The

hypothesized

function

of

QS.At

low

cell

densities,

a

large

proportion

of

the

extracellular

disperse

before

they

can

be

used,

and

so

their

production

prov

little

direct

or

indirect

fitness

benefit.

At

high

cell

densit

greater

proportion

of

the

extracellular

public

goods

can

be

us

Consequently,

the

production

of

extracellular

public

goods

is

efficient

and

beneficial

at

higher

population

densities