synthetic合成生物学极佳自制课件.ppt

1、,合成生物学 Synthetic biology,process,36亿年前，一个微小的生命细胞在地球的荒野中诞生，它自我复制，它的后代们继续复制自我，就这样，随着遗传基因一代代变异，延续数十亿代。今天，每个生物体每个人、植物、动物和微生物都能从第一个细胞找到自己的起源。迄今为止，地球的生物大家族是我们在宇宙发现的唯一存在的一种生命。,生命1.0版本,生物大家族中的新成员,不过现在，将会有一些新成员加入到这个生物大家族。在过去这些年里，科学家一直在尝试从零开始制造全新的生命形式用化学物质造出合成，由合成基因，再由基因形成基因组，最终在实验室造出全新生物体的分子系统，而这种生物体在自然界从未出现

2、过。,这些向“造物主”的垄断地位发起挑战的人包括 工程师、计算机学家、物理学家和化学家。 他们以有别于传统生物学家的视角看待生命 2003年开创了一个全新的研究领域合成生物学,“生物晋级2003计划！”,What is Synthetic Biology?,合成生物学的定义,加州大学伯克利分校( UCB) 的化学工程教授Keasling 说: 合成生物学正在用“生物学”进行工程化, 就像用“物理学”进行“电子工程”, 用“化学”进行“化学工程”一样。 哥伦比亚癌症研究中心、测序及基因组科学中心主任Holt 说, 合成生物学与传统的重组DNA 技术之间的界限仍然是模糊的。从根本上说, 合成生物学

3、正在利用获得的“元件”进行下一层次的工作对细胞进行实际的工程化。,合成生物学的定义,哈佛大学医学院遗传学教授、计算遗传学中心主任Church 说, 主要的出发点是在把合成生物学与现有的领域( 例如基因工程或细胞工程)分离开来。我们已经在一次涉及一个“零件”或少量“零件”。合成生物学是利用我们所确信的一些“零件”进行新生物系统的工程。它在利用从系统生物学(systems biology)得出的最好分析去加工制作及检验复杂的生物机器.,合成生物学的组成,生物积块（BioBrick）：包括各种生物分子的合成与模块化、亚细胞模块、生物合成的基因网络、代谢途径和信号转导通路、转运机制等。 积块接口：如调

4、整和修改输入-输出过程、调整不同亚细胞组件间的层次化相互作用等使模块具有可拆装性。 开放平台：优化生物或非生物载体，达到提高工程系统效率、降低其维护成本和要求、提供某种特殊的“敏感性”及对环境的兼容性等目的。 调控和通讯系统：包括生物部件的反馈、前馈机制以及行为和通讯方式的模块化。 数学模拟：各种功能模块的逻辑结构与仿真、预测算法和相应软件等。,数学模拟和功能检测,有效结合实验验证和算法开发，利用实验验证模型和优化模型，通过模型来指导合成生物学实验是行之有效的方法之一。 合成生物学强调“设计”和“重设计”。大量借助计算机科学、信息科学、数学和物理学原理，利用已有的生物学知识，建立数学模型，对合

5、成生物系统进行模拟和性能分析，指导和优化实验设计，是合成生物学的重要手段。,合成生物系统的模块化,为了克服常规基因操作中繁琐的切、连、转、筛等，更加灵活地使用DNA元件，合成生物学家创造性地提出了标准化生物模块生物积块（BioBrick）的概念，并构建了相应的DNA元件文库iGEM Registry。,除了用标准化的功能模块作为承载功能的硬件外，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

6、 second）。,合成生物系统的层次化结构,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。,合成生物学VS计算机,如果说1953年双螺旋分子结构的发现让分子生物学家意识到，基因与细胞的关系就像计算机的软件和硬件，那么合成生物学正在做的就是设计新“软件”、开发新“硬件”。,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

7、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。,研究策略,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系统（System）；含有多种不同共能的生物系统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。在合成生物系统中，这些模块主要利用逻辑拓朴结构中的串联、前馈和反馈等合理组合连接成具有一定功能的遗传线路；同样，遗传线

8、路又可连接成调控网络或生物系统。,由DNA重组技术到合成生物学,理念：为细胞编写“基因软件” 自然演化的有机体（即生物学家所谓的“生命10版本”）的基因组图谱正在以前所未有的速度被绘制完成，而其中的遗传密码也将被逐渐解开。合成生物学家认为，他们可以利用这些已知信息来设计、打造新生命形式。 合成生物学所要打造的生命种类是全新的它不是任何一个原始母细胞的后裔，也没有哪个物种是它的祖先。其实在本质上，这是一个逆自然的过程。,Commercial DNA Synthesis Companies,Data Source: Rob Carlson, U of W, Seattle,Bioneer Sout

9、h Korea,Cinnagen Tehran, Iran,Takara Biosciences Dalian, China,Inqaba Biotec Pretoria, South Africa,Fermentas Vilnius, Lithuania,Bio S&T, Alpha DNA, Biocorp Montreal, Canada,GENEART Regensberg, Germany,MWG Bangalore, India,Zelinsky Institute Moscow, Russia,ScinoPharm Shan-hua, Taiwan,Genosphere Pari

10、s, France,Biolegio Malden, Netherlands,Ambion Austin, Texas,Biosearch Novato, California,Bio-Synthesis Lewisville, Texas,Chemgenes Wilmington, Mass.,BioSpring Frankfurt am Main, Germany,Biosource Camarillo, CA,Dharmacon Lafaette, Co.,CyberGene AB Novum, Sweden,Cortec DNA Kingston, Ontario, CA,Euroge

11、ntec Belgium, U.K.,DNA Technology Aarhus, Denmark,Genemed Synthesis S. San Francisco, CA,DNA 2.0 Menlo Park, CA,Metabion Munich, Germany,Microsynth Balgach, Switzerland,Japan Bio Services Japan,Blue Heron Biotechnology Bothell, WA,Geneworks Adelaide, Australia,Imperial Bio-Medic Chandigarh, India,Bi

12、oserve Biotechnologies Hyderabad, India,Genelink Hawthorne, NY.,合成生物学开辟了设计生命的前景,Keasling 实验室向大肠杆菌中导入青蒿与酵母的基因 使大肠杆菌能在调节下合成青蒿素， 从而显示了有效而价廉的治疗疟疾的前景 合成生物学今后将能生成自然界不存在的新的微生物,合成模仿生命物质特点的人工化学系统 and 重新设计微生物,合成人工化学系统,Brenner 提出向细胞DNA中掺入天然不存在的碱基来发展人工遗传系统, 支持人工生命形式。 合成生物学也将对生命起源，其他生命形式的研究作出贡献。,control bio-life

13、！,目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，研制不同的基因线路即特别设计的、相互影响的基因。 加州大学生物学和物理学教授埃罗维茨等人研究出另外一种线路： 当某种特殊蛋白质含量发生变化时，细胞能在发光状态和非发光状态之间转换，起到有机振荡器的作用，打开了利用生物分子进行计算的大门。,example more,维斯和加州理工学院化学工程师阿诺尔一起，采用“定向进化”的方法，精细调整研制线路，将基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。,creative thought,维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程 促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。 尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领域中重要的进展。,2010.5.20 artificial life,John Craig Venter搅乱了(生命)科学