DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.05.007 ·
综述· 合成生物学的关键技术及应用进展
邢玉华，谭俊杰，李玉霞，凌焱，刘刚，陈惠鹏
20 世纪的生物学研究一直着眼于对生物系统的不断分解，解剖至细胞中单个蛋白或基因，研究其结构和功能来解释生命现象。但随着当代分子生物学技术的迅猛发展，以系统化设计和工程化构建为理念的合成生物学成为新一代生物学的发展方向。合成生物学旨在对多种天然的或人工设计的生物学元件进行合理而系统的组合以获得重构的或非天然的“生物系统”，其涵盖的研究内容可以大体分为 3 个层次：一是利用已知功能的天然生物模体（motif）或模块（module）构建成新型调控网络并表现出新功能；二是采用从头合成（de novo synthesis）的方法，人工合成基因组 DNA 并重构生命体；第三个层次则是在前两个研究领域得到充分发展之后，创建完整的全新生物系统乃至人工生命体（artificial life）。合成生物学强调利用工程化的设计理念，实现从元件到模块再到系统的“自下而上”设计。利用生物系统最底层的 DNA、RNA、蛋白质等作为设计的元件，利用转录调控、代谢调控等生物功能将这些底层元件关联起来形成生物模块，再将这些模块连接成系统，实现所需的功能。这是一门涉及微生物学、分子生物学、系统生物学、遗传工程、材料科学以及计算科学等多个领域的综合性交叉学科。它有别于传统的基因工程，其目的在于组装各种生命元件来建立人工生物体系，让它们能像电路一样在生物体内运行，使生物体能按预想的方式完成各种生物学功能。合成生物学的最高境界是灵活设计和改造生命，重塑生命体。
本文就目前合成生物学采用的关键技术和研究应用进展两方面进行综述。
1 基因组的人工合成技术
2010 年 5 月 20 日，Science报道了 Venter 研究组采用化学方法合成了一个 1.08 Mb 的蕈状支原体基因组，并将其移植入一个山羊支原体受体细胞，从而创造了一个仅由合成基因组控制的新的蕈状支原体细胞[1]。这项成果在合成生物学的发展史中具有里程碑的意义。在此之前，也有许多基因组合成的成功报道。2002 年，纽约州立大学 Wimmer 实验室合成了脊髓灰质炎病毒，这是人类历史上第一个人工合成的病毒。多年来，Venter 等一直致力于合成基因组的研究。2003 年，合成了长达 5386 bp 的ΦX174 噬菌体基因组，实现了用寡核苷酸合成的方法精确合成了 5 ~ 6 kb 的 DNA 序列；2008 年，Venter 实验室又合成了生殖支原体基因组，该基因组全长 582970 bp，是已知的生物体中独立生存的最小基因组[2]；2010 年 10 月他们又发明了迄今最简单有效的基因合成技术，并以此合成了实验小鼠的线粒体基因组[3]。Dymond 等[4]的研究更进了一步，他们于 2011 年报道成功设计合成了酿酒酵母的部分染色体，这是酿酒酵母基因组人工合成计划（SC2.0 Project）取得的第一个成果，该项目的最终目标是人工合成构建酿酒酵母基因组。酵母基因组人工合成将是合成生物学发展史上又一重要的里程碑。
DNA 合成是支撑合成生物学发展的核心技术，它不依赖于 DNA 模板，可根据已知的 DNA 序列直接合成，在基因及生物元件的合成、基因回路和生物合成途径的重新设计组装，以及全基因组的人工合成中发挥重大作用。由于化学合成的 DNA 片段长度有限，要合成长的 DNA 片段需要先合成短的寡核苷酸，然后再将寡核苷酸进行拼接。因此，基因组合成的基本思路为：①按照原始基因组序列设计合成寡核苷酸；②利用各种方法将寡核苷酸拼接成较长的 DNA 序列；③以较长的序列为基础，进一步拼接得到更长的DNA 序列，拼接成完整的基因组；④将合成的基因组移植到细胞中，并验证其功能。
1.1 寡核苷酸的合成
目前寡核苷酸一般采用固相亚磷酰胺三酯法合成。寡核苷酸的长度是一个重要的参数，随着长度的延长，产率下降，纯度也降低，积累的合成错误大大增加。较短的寡核苷酸会有较少的错误，但是需要增加组装所需的重叠序列，使合成成本增加。使用 60-mer 的寡核苷酸，可以最大程度地降低错配率和生产成本[5]。
1.2 由寡核苷酸拼接成较长的 DNA 片段
寡核苷酸可以通过各种方法拼接成几百 bp 到几千 bp 的 DNA 片段。常用的体外拼接方法有以下两种：连接酶链式反应（ligase chain reaction，LCR）和快速聚合酶链式组装法（polymerase chain assembly，PCA）。
LCR 法利用 Taq 连接酶将首尾相连、重叠杂交的寡核苷酸片段连接起来，连接反应在较高温度下进行，因而可以排除 DNA 二级结构的干扰；但是基因合成的成本大大增加。
PCA 法是两条具有部分重叠的寡核苷酸互为引物互为模板进行聚合酶的延伸，延伸得到的序列再通过与其他寡核苷酸退火、延伸，进行多次循环后，最终合成目的序列。PCA 法合成成本较连接酶法大大降低。这种方法逐渐得到广泛使
基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）子课题（2012AA 022001-03D）
作者单位：100071 北京，军事医学科学院生物工程研究所（邢玉华、谭俊杰、李玉霞、凌焱、刘刚、陈惠鹏）；130012 长春，吉林大学生命科学学院（邢玉华）
通讯作者：刘刚，Email：jueliu@https://www.doczj.com/doc/6c8136524.html,
收稿日期：2012-07-16
用，并且衍生出一系列的 DNA拼接方法，包括 TBIO 法（thermodynamically balanced inside-out）、双重不对称 PCR （dual asymmetric PCR）、重叠延伸 PCR（overlap extension PCR，OE-PCR）[6]和连续 PCR 等。
此外，Venter 小组报道将两端带有重叠序列的寡核苷酸片段和载体转入酵母细胞中，利用酵母体内的同源重组可以拼接起来并克隆到载体上，可以实现 38 个寡核苷酸片段同时拼接[7]。
1.3 DNA 大片段和基因组的组装
利用 LCR 和 PCA 法一般可将寡核苷酸拼接成几千bp 以下的基因序列。更长的大片段和基因组 DNA 则需要进一步拼接。常用的拼接方法有以下几种：
1.3.1利用限制性内切酶和连接酶的连接这是最简单的方法，通过连接将片段连成全长。但是当进行多个 DNA 片段连接时，往往很难找到合适的酶切位点，而且连接片段会有几个碱基的残留，因此该方法在多个 DNA 片段连接时有很大的局限性。合成生物学中的 Biobrick 连接法巧妙地设计了 4 个限制性内切酶，通过酶切连接可以将 DNA 片段拼接起来[8]。还有一种筛选连接法（ligation by selection，LBS），使用 IIs 型限制性内切酶Bsa I 和Bbs I，并通过抗性筛选实现无痕拼接。Kodumal 等[9]利用这种方法最终组装成了 32 kb 长的聚酮合酶基因簇。
1.3.2 基于重叠序列和聚合酶延伸的方法包括重叠延伸PCR（OE-PCR）法和环形聚合酶延伸法（circular polymerase extension cloning，CPEC）。
OE-PCR 法是相邻的具有重叠序列的 DNA 片段变性退火后形成互补双链，通过 DNA聚合酶进行延伸，再利用末端引物将其扩增出来。该方法方便有效，但依赖于聚合酶的高保真度，合成的大片段长度有限，约在 20 kb 以下。CPEC 法原理与 OE-PCR 类似，但是不需要扩增引物，可将多个相互重叠的 DNA 片段与载体一步连接成完整的环状质粒，然后直接转化细胞，在体内进行扩增。
1.3.3 不依赖于基因序列和连接反应的克隆方法[10] 利用T4 DNA 聚合酶在无 dNTPs 的情况下发挥的 3' ~ 5' 外切酶活性，能将 DNA 片段消化产生含有同源序列的5'-ssDNA 突出端（15 ~ 30 个碱基），DNA 片段之间及DNA 与载体依靠同源序列退火，形成环状中间体，直接转化细胞，利用大肠杆菌本身的修复系统修复成完整的环状质粒。这种克隆方法不需要连接酶，也不需要考虑插入片段的序列，可实现多个 DNA 片段的一次性连接重组，用途非常广泛。国外公司已经开始将其用于商业，比如 Novagen 公司的 Radiance TM系统及 Invitrogen 公司 Gateway TM 系统都是基于此技术的原理开发的。Schmid-Burgk 等[11]对不依赖于基因序列和连接反应的克隆方法（sequence and ligation- independent cloning， SLIC）进行了改进，设计一段特殊序列，但是这种方法会在连接序列中引入多余的碱基，适用于基因之间的拼接，可用于合成生物学中基因回路的构建及生物途径的组装。1.3.4 Gibson 等温一步拼接法该法是 SLIC 法的延伸。选用核酸外切酶、DNA 聚合酶和 DNA 连接酶 3 种酶进行拼接。相邻的具有重叠序列的片段，加入上述 3 种酶和dNTPs 共同孵育。核酸外切酶能从5′降解核苷酸，且不与DNA 聚合酶竞争。双链 DNA 被消化产生突出的单链DNA，重叠序列特异性退火，此时，外切酶逐渐热失活。DNA 聚合酶和 DNA 连接酶修复连接成完整的双链 DNA 分子，从而实现无痕拼接。Gibson 等[12]利用此方法成功地将 4 个大于 100 kb 的片段在体外组装成完整的 583 kb 的生殖支原体基因组。此外，他们还尝试将 600 个长60-mers 的寡核苷酸（寡核苷酸之间带有 20 个重叠序列）成功地合成了小鼠的线粒体基因组（16.3 kb）。这种方法方便、快速、高效，能组装长达 900 kb 的 DNA 大片段，而且出错率会大大降低。体外重组拼接一般选用细菌人工染色体（BAC）为载体，但是当 DNA 片段达到一定长度时（约300 kb），BAC 在大肠杆菌中不稳定，达到转化的极限，更大的片段需要在微生物体内进行重组。
1.3.5 酵母体内同源重组拼接法利用酵母细胞内高效的同源重组系统来实现多个相互存在同源序列的 DNA 片段的组装。V enter 研究组在 2008 年的Mycoplasma genitalium JCVI-1.0（582970 bp）基因组合成中最后一步拼接就是在酿酒酵母中完成的[2]。虽然利用体外重组系统可以组装成完整的基因组，但是 BAC 载体在大肠杆菌内不稳定，为此他们建立了转化介导的重组克隆方法（transformation-associated recombination，TAR），利用酵母人工染色体（YAC）能大大提高稳定性及 TAR 克隆效率。TAR 载体与 1/4 基因组片段同时转化到酵母中，这些片段之间的重叠序列使它们发生同源重组。由于 YAC 带有着丝粒、自主复制序列及筛选标记，因此不需整合到酵母染色体中进行重组，通过设计同源臂可以得到环状的完整的基因组，便于与酵母染色体分离。同样地，Venter 研究组利用酵母同源重组完成 1078 条平均 1080 bp 的 DNA 片段的组装，最终合成了 1.08 Mb 的M. mycoides JCVI-syn1.0 基因组。选用 Ycp 型的酵母-大肠杆菌穿梭载体，在酵母体内拼接，然后提取质粒转化到大肠杆菌中进行扩增。酵母同源重组拼接法是目前报道的最高效的组装 DNA 大片段的方法，在合成更长的 DNA 如细菌基因组时有很大的优势。但随着要组装的片段不断延长，要合成比酵母还大的基因组时，这种方法是否可行还不清楚。综上，几种常用的大片段和基因组 DNA 组装方法如图 1 所示。
1.4 基因组的移植
基因组合成以后，需要人工转移到新的细胞中进行异源表达，实现其功能，这是一项非常有挑战的工作。体外有一些方法可以用来将基因组导入细胞，包括电穿孔、脂质转染法、使用基因枪等。Venter 研究组在完成基因组的人工合成之前进行了大量的探索，首先获得了不含蛋白的完整M. mycoides 基因组，并采用 PEG 介导的遗传转化系统将其移植到M. capricolum 中，通过四环素抗性筛选转化成功的
A
C
E
B
D
A：Biobrick 连接法；B：不依赖于连接酶的克隆反应 LIC；C：环形聚合酶延伸法 CPEC；D：Gibson 等温一步拼接法；E：酵母体内同源重组拼接法
图 1常用大片段和基因组 DNA 组装方法
细胞，最终得到了与供体菌表型相同的细胞[13]。但是当组装完M. mycoides 基因组后，从酵母中分离出完整基因组后转化到M. capricolum 中，开始并没有得到任何移植成功的细胞，经过分析可能是由于M. mycoides 和M. capricolum 共用同一套限制酶系统，其基因组是经甲基化修饰的。而在酵母体内拼接后的基因组是没有甲基化的，需在体外用甲基化酶进行修饰，或者破坏M. capricolum 的限制性内切酶基因，从而避免受体细胞限制酶系统的阻碍。最终将合成基因组移植入M. capricolum 体内，得到由合成 DNA 控制的人工细胞。
1.5 基因组合成中的错误纠正
在基因组合成过程中，由于合成方法本身的限制，不可避免地会引入错误碱基，而且在 DNA 组装过程中用到的PCR 等方法也会引入突变。
为了得到高保真的合成 DNA，必须对错误和突变进行纠正，这是个耗时耗力的过程。可以使用的纠错方法有：①修饰、标记和分离错配的核苷酸从而可以防止扩增错误的DNA；②使用核酸酶来识别和剪切 DNA 中的错配，再将余下正确的片段通过重叠延伸 PCR 重新组装；③定点诱变的方法，对于合成的长链 DNA，测序后选择突变少的长链DNA 进行定点突变，这是最常使用的方法；④应用错配识别蛋白 MutS 结合错配的 DNA，通过电泳可以将错配的DNA 从无错的 DNA 中分离出来。这种方法可以处理多个大量的 DNA 片段，不会干扰进一步拼装的 DNA 小片段，可降低错误率 3.5 ~ 15 倍；⑤利用微流体芯片进行寡核苷酸的装配，极大地缩短了合成时间，减少突变率。此外先合成短的寡核苷酸（60 mer）及提高寡核苷酸的纯度也可以大大降低 DNA 合成的错误。
2 合成生物学的研究应用
2.1 合成生物学在医药领域的应用
2.1.1 萜类药物的生物合成萜类（terpenoid）是一类在
天然宿主中表达量低、结构复杂并具有多个手性中心的小分子物质。许多萜类化合物具有很高的医学应用价值与保健前景。常见的萜类化合物有青蒿素、紫杉醇等。通过科学手段提高该类化合物的产量具有极高的商业价值和社会意义。目前已利用合成生物学手段实现了该类化合物产量的提高。
青蒿素在自然界中是青蒿产生的倍半萜烯酯的内过氧化物，是治疗疟疾的特效药，在自然界中产量很低。化学方法合成青蒿素十分困难，且成本高昂，使得青蒿素的供应短缺，许多患者无法得到及时治疗。加州大学伯克利分校化学工程系、劳伦斯国家实验室 Keasling 教授将药物的设计、加工、控制、生产体系集成于微生物细胞，实现了青蒿素的微生物合成[14]。2003 年，Keasling 教授在Nature 发表文章，其根据大肠杆菌的密码子偏好性，合成青蒿酸合成酶（amorphadiene synthase，ADS）的编码基因、共表达 SOE4 操纵子（编码 DXS、IPPHp、IspA），并绕过大肠杆菌的一般代谢途径，引入异源的酵母菌甲羟戊酸等途径，使得青蒿酸的产量提高了 10 ~ 300 倍。2006 年该课题组又在Nature 上公布了新的研究成果[15]：其将 ADS 基因插入由GAL1 启动子控制转录的 pRS435 质粒中，克隆青蒿类植物转化为青蒿酸的细胞色素 P450 氧化还原酶等，并在酵母中对 FPP 合成途径进行了 5 次改造，改造后酵母青蒿酸的合成能力大大提高，合成量达到了惊人的 153 mg/L，是之前报道的最大合成水平的 500 倍。通过对代谢途径不断改造和优化，目前青蒿素的产量已经得到了若干数量级的提高，最终将青蒿素的合成成本降为原来的十分之一。此研究成果有望实现抗疟疾药物的低成本生产，对全世界疟疾治疗的发展起到了巨大的促进作用。为此，Keasling 教授被美国《发现》杂志评为 2006 年最有影响的科学家，并获得高达4 000 万美元的Bill and Melinda Gates 基金资助，用于研究青蒿素的产业化生产。
紫杉醇（paclitaxel）是紫杉次级代谢产生的双萜类物质，具有显著的抗癌效果，已成为临床上治疗肿瘤的重要药物。但是紫杉醇与青蒿素一样，在自然界中产量不高，且化学合成困难，随着合成生物学技术的发展，紫杉醇的生物合成也成为了生物学家关注的热点。紫杉醇的自然合成是一个复杂的酶促反应，涉及近 20 种酶。大致途径为由萜类化合物生物合成的共同前体双（牻牛儿基）二磷酸盐（geranylgeranyl diphosphate，GGPP）通过紫杉二烯合成酶的作用生成关键中间产物紫杉二烯，其经过酶促反应转为紫杉烷，紫杉烷经过一系列的还原、加羟、酰基转移等修饰反应，形成紫杉醇的最终前体巴卡亭 III。Engels 等[16]将紫杉二烯的合成途径转入啤酒酵母中，通过表达紫杉二烯合成酶等关键酶，引入不受反馈调节的 GGPP 合成酶的一种同工酶（HMG-COA 还原酶）以提高酵母中紫杉二烯前体 GGPP 的合成量，同时抑制宿主酵母中的类固醇竞争途径，实现了酵母中紫杉二烯的积累，使得紫杉二烯的产量提高了40 倍。目前虽尚无关于紫杉醇的完全异源表达的报道，但已经实现的关键中间体紫杉二烯的高效表达定将对其的实现产生重要影响。
2.1.2 合成生物学在疾病治疗上的应用人们饱受各种健康问题的困扰，解决人们的健康问题始终是医学及生物学研究的核心热点。目前合成生物学在疾病的治疗上也发挥着重要的作用，除了上述的一些关于药物研发上的贡献，在疾病的疗法上，合成生物学通过构建模块化的生物元件、疾病治疗通路等，创造了许多新的疾病治疗方法。
利用合成生物学构建基因功能模块在肿瘤细胞中将药物前体转变为杀死肿瘤细胞的药物是一种很有前途的肿瘤化疗方法。这些合成的生物药物可能更容易接近肿瘤组织，有选择性地杀死癌细胞。美国加州大学的 V oigt 课题组设计了一种细菌，可以侵入肿瘤细胞并将其杀死[17]。他们向细菌中引入了多个模块，将细菌对癌细胞的入侵与特定环境信号连接起来。利用数字电路门控思想，使细菌实现了对外界环境的探测。当细菌处于低氧环境并且细菌密度超过一定阈值时，细菌将表达来自假结核耶尔森菌的透明质酸酶（invasin），从而杀死癌细胞。我们还可以根据肿瘤特异性治疗的需要，将其中的特异性模块进行更换，可以实现其对不同种类肿瘤细胞的治疗作用，很好地体现了合成生物学技术在应用上的灵活性。
乙硫异烟胺是一种治疗肺结核的药物，主要是通过结合分枝杆菌酶 EthA 激活药效。但由于体内的 EthR 抑制EthA 基因转录，因此在治疗上乙硫异烟胺总是无法达到预期的效果。Weber 等[18]利用合成生物学技术设计了一个哺乳动物的基因线路，构建了一个连有 EthR 反式作用因子的报告基因来筛选鉴定 EthR 抑制子，进而消除对乙硫异烟胺的拮抗作用，极大地提高了乙硫异烟胺在体内的抗结核疗效。
Kemmer 等[19]利用构建的基因回路，将其植入细胞，实现了对体内的尿酸浓度的检测与控制。该回路中，当尿酸浓度低于阈值时，细菌转录抑制物 HucR 与特异结合的DNA 模体 HucO 抑制下游报告基因与重组黄曲霉菌尿酸酶的表达，当尿酸浓度高于阈值时，HucR 的转录抑制作用解除，通过激活报告基因与黄曲霉菌尿酸酶的表达，实现了对体内尿酸浓度的监测与稳控。
2.2 在生物能源领域的应用
能源问题已经延伸到了政治、经济、军事等各个方面，早在 20 世纪，能源问题就引起了各个国家的高度重视，如何开发清洁、廉价、可持续的能源，一直是各国科学家研究的热点。随着合成生物学技术的发展，通过生物手段来生产能源也成为一种必然的趋势。目前已有许多科学家利用合成生物学技术，在生物生产能源的领域取得了一定的进展。2.2.1合成生物学在氢气能源开发上的应用氢气燃料是一种最清洁的能源，其“零排放”的特点也使其在汽车能源领域应用潜力巨大。美国弗吉尼亚理工大学的 Zhang 等[20]利用合成生物学技术，将 13 种已知的酶组成一个非天然的新的催化体系，从而实现了淀粉和水在温和条件下产生氢，实现了氢的生物制造。
2.2.2 合成生物学在有机燃料合成上的应用 Sonderegger 等[21]在啤酒酵母的木糖代谢过程中编码磷酸酮（醇）酶途径来增加 NAD+ 的有效利用，从而增加乙醇的产量。Trinh 等[22]通过定向敲除策略，去除大肠杆菌中与乙醇代谢无关的途径，优化从戊糖和己糖生产乙醇的途径，实现了代谢途径中乙醇的富集，进而提高乙醇的产量。
由于乙醇燃料的腐蚀性和吸水性，使其在作为燃料的大规模使用上具有一些潜在的隐患，目前科学家们更多地将目光集中在了一些高碳醇燃料上，如异丙醇、1-丁醇、异丁醇和脂肪醇等。
Hanai 等[23]通过将编码丙酮丁醇梭菌中的异丙醇代谢通路中的关键酶的基因整合入大肠杆菌，实现了异丙醇在大肠杆菌中的高效表达，产量达到了 4.9 g/L。
Atsumi 等[24]通过将编码丙酮丁醇梭菌的 1-丁醇代谢通路中的关键酶基因整合入大肠杆菌，同时中断大肠杆菌本身存在的与 1-丁醇生产竞争乙酰辅酶 A 和 NADH 的代谢通路，从而提高了 1-丁醇的产量。该课题组又通过整合枯草芽孢杆菌中的乙酰乳酸合酶（acetolactate synthase）基因 alsS、大肠杆菌中的乙酰羟基酸还原异构酶（acetohydroxy acid isomeroreductase）和二羟基酸脱水酶（dihydroxy acid dehydratase）基因 ilvC 和 ilvD，来提高异丁醇合成的前导产物 2-酮异己酸（2-ketoisocaproate）的产量，同时通过酮异己酸脱羧酶（ketoisovalerate decarboxylase，kivd）和醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase，ADH2）的表达，实现了异丙醇在大肠杆菌中的高效生产。
Steen等[25]在现有单糖到脂肪酸的合成途径的基础上，在大肠杆菌中引入脂肪酸到脂肪醇的代谢相关酶，其中包括fadD（来自大肠杆菌的酰基辅酶 A 合成酶）、acrI（来自不动杆菌 ADPI 的 acyl-CoA 还原酶）等，实现了单糖到脂肪醇的整体代谢途径的构建。通过过表达 acrI 和 fadD，同时阻断了脂肪酸的其他代谢通路，实现了脂肪醇在大肠杆菌中的高效表达。同时，该研究小组还利用合成生物学方法对大肠杆菌和酿酒酵母进行改造，实现了一种没药烷型倍半萜烯的高效表达，这种没药烷型倍半萜烯加氢反应后可作为一种新型的绿色燃料[26]。
2.3 合成生物学在化工产品上的应用
利用合成生物学技术重组的细胞，不仅可以用来生产能源，在工业化工产品领域也发挥着巨大作用。目前，已有科学家实现利用合成生物学技术改造细胞来生产用于塑料和纺织品的化工前体。韩国的科研人员成功利用合成生物学技术对菌株进行改造，成功组装了非天然生产环保型可降解性塑料聚羟基脂肪酸（PHA）的生产和代谢模块，构建了能够用糖稳定生产 PHA 的工艺[27-28]。美国杜邦公司实现了利用大肠杆菌合成重要的工业原料 1, 3-丙二醇等[29]。佛得角共和国的一家公司利用合成生物学技术，通过对酵母的设计改造，实现了利用糖类、植物油来生产脂肪酸[30]。
2.4 合成生物学在工业污染物检测中的应用
通过合成生物学技术，可以利用电路设计思路同生物细胞相结合，设计改造基因线路，提高生物传感性，实现一些化学物质的生物检测。
西班牙的 Lorenzo 教授课题组一直致力于合成生物学框架内的甲苯及其衍生化合物的生物监测研究[31]。该课题组构建了 XylR-Pu-Lux 的甲苯类化合物的检测模块，将其整合到恶臭假单胞菌 KT2440 基因组，并通过二步转座策略，剔除抗性基因，实现了符合环境监测要求的甲苯检测工程菌株的构建。密歇根大学的 IGEM 团队更是在此基础上，在此模块中加入自杀机制，提高了工程菌株的应用价值，降低了其对环境的副作用。
该检测平台的建立，体现了合成生物学技术在化合物检测上的应用，该技术思想不仅可用于工业污染物的检测，还具有一定的军事意义，目前已有国家将其应用于地雷生物武器的检测。
2.5 大肠杆菌基因组减小研究进展
设计合成成功的基因组需要植入某个宿主细胞内，这个宿主被称为底盘（chassis）。然而大多数宿主细胞具有抑制外源基因表达从而减少遗传负担的能力。随着许多生物体全基因组测序的完成，开始兴起了最小基因组研究。基因组减小可以减少代谢调节网络中的冗余，提高其可预测性和可控性。构建最小基因组一方面可以对现有的基因组大片段进行有目的的精简，尽可能地删除非必需的基因组片段，即自上而下（top-down）方法；另一方面可以对必需基因进行理性设计、从头合成与组装，即自下而上（bottom-up）策略。大片段 DNA 合成技术已经取得了突破性的进展，目前已经可以实现人工合成基因组规模的 DNA，但是复杂的微生物底盘细胞基因组的人工合成还需时日，因而目前较多的是采用自上而下的删减策略构建最小基因组。研究方法主要有利用转座子随机插入或缺失，利用λ噬菌体的线性 Red 同源重组系统，Cre/loxP 重组酶系统，Flp/FRT 敲除系统；以及转座子协同 Cre/loxP 敲除，Red 重组与 I-SceI 切割系统相结合，应用两步 Red 重组技术正负筛选实现无痕删除等[32]。目前已经展开了对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母、链霉菌等模式微生物的最小基因组研究并已取得很大的进展，一些基因组发生较大缺失的工程菌表现出优良性状。Komatsu 等[33]利用 Cre/loxP 重组系统分步敲除了阿维链霉菌染色体大于 1.4 Mb 的负责编码次级代谢产物的DNA 区段，获得了一系列基因组减小菌株，在突变株中表达链霉素、头霉素 C 和大环内酯类抗生素普拉地内酯（pladienolide）的生物合成基因簇，基因组减小菌株均可有效合成链霉素和头霉素C，产量均高于其天然出发菌株。导入调控基因 pldR 后，基因组减小菌株可以有效合成普拉地内酯，产量提高了 20 多倍。Kolisnychenko 等[34]将MG1655 基因组减小了 8.1%，得到 MDS12 菌株，没有改变生长特性。Pósfai 等[35]完全删除了 MG1655 中的可移动元件，得到了 MDS40、41、42 和 43。这些基因组减小的菌株的生长速率与 MG1655 类似，复制环长度的变化对此没有影响。MDS42 的电转效率比 MG1655 高两个数量级，
与 DH10B 相当。Mizoguchi等[36-37]通过无痕敲除方法删除 103 个候选区域，最后累积了 53 个删除区域构建了MGF-01 并通过基因组杂交进行确证，共删除了 1080 个基因，基因组长度减小了 1.03 Mb，GC 含量增加了0.27%，达到 51.8%。MGF-01 在 M9 基本培养基中的生长行为与出发菌 W3110 类似。
3 合成生物学的风险争议
合成生物学目前已在工业、科学等各个方面取得了巨大的成就，但其在造福人类的同时，也带来了新一轮的科学伦理的争论。在人工合成基因组制造支原体细胞的研究成果报道的当天，美国总统奥巴马便要求相关部门评估这类研究对医学、环境、安全等领域的影响。科学家们也担心合成生物学技术可能遭到滥用，如被恐怖分子利用合成生物学技术制造生化武器、一些不法商人利用合成生物学技术制造一些微生物对环境和生物多样性产生不利的影响等，他们纷纷要求由相关机构来制定法规引导其正确发展。虽然目前合成生物学技术还未带来明显的弊端，但我们也需要防范于未然，合理利用科学技术来造福人类，造福世界。
4 结论与展望
通过本综述，我们可以看到合成生物学作为后基因组学的新兴学科方兴未艾。合成生物学的发展目前已涉及到了揭示生命奥秘的基础研究、医药卫生、化学工业和环境保护等各个领域，实现了许多医药化工产品的工业化生产，并且对疾病治疗、环境保护等提供了许多新的技术方法。同时我们看到，合成生物学仍处于起步阶段，其研究目标、研究对象和使用的技术，以及潜在的应用范围还没有完全定义。随着科技水平的进步和人们越来越多的关注，合成生物学必将取得更大的发展，为科技的进步、人类的健康作出更大贡献。
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·协会之窗·
我会将参与2013年《制药工业大气污染物排放标准》制定工作
近日，我会收到中华环保联合会环保技术标准研究专业委员会发来的邀请函，邀请我会共同申报 2013 年国家环境标准《制药工业大气污染物排放标准》制定工作。鉴于此项工作的意义和重要性，我会同意作为协作单位共同申报。该项工作预计在今年年底前开展。
·信息站点· 国家食品药品监督管理局关于印发加快推进药品快速检验技术
研究与应用工作指导意见的通知
为贯彻实施《国家药品安全“十二五”规划》，加快推进药品快速检验技术研究以及在基层的应用，提高基层药品监管效能，保障公众用药安全，国家食品药品监督管理局组织制定了“十二五”期间《加快推进药品快速检验技术研究与应用工作的指导意见》。详情请登录国家食品药品监督管理局网站 https://www.doczj.com/doc/6c8136524.html,/WS01/CL0844/74698.html 查阅。
合成生物学及其在生物技术中的应用进展* 吕 静1)孙洪磊2)何皓2)傅鹏程1)** (1)中国石油大学(北京)化工学院重质油国家重点实验室，新能源研究中心，北京102249； 2) 中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京100195) 摘要合成生物学是一门21世纪生物学的新兴学科，它着眼生物科学与工程科学的结合，把生物系统当作工程系统“从下 往上”进行处理，由“单元”(unit)到“部件”(device)再到“系统”(system)来设计，修改和组装细胞构件及生物系统.合成生物学是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程等多学科交叉的产物．目前研究应用包括两个主要方面：一是通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，修改已存在的生物系统，使该系统增添新的功能．二是通过设计和构建新的生物零件、组件和系统，创造自然界中尚不存在的人工生命系统．合成生物学作为一门建立在基因组方法之上的学科，主要强调对创造人工生命形态的计算生物学与实验生物学的协同整合．必须强调的是，用来构建生命系统新结构、产生新功能所使用的组件单元既可以是基因、核酸等生物组件，也可以是化学的、机械的和物理的元件.本文跟踪合成生物学研究及应用，对其在DNA 水平编程、分子修饰、代谢途径、调控网络和工业生物技术等方面的进展进行综述．关键词 合成生物学，系统生物学，蓝藻，底盘，生物燃料 学科分类号 Q6 DOI :10.3724/SP.J.1206.2011.00583 生物化学与生物物理进展 Progress in Biochemistry and Biophysics 2012,39(2):105~118 https://www.doczj.com/doc/6c8136524.html, *国家重点基础研究发展计划(973)(2011CB200902)资助项目，中国石油天然气股份有限公司科技研究外协项目《制取生物柴油的工程微藻的筛选与培育》、《浮萍和微藻能源化的资源潜力与过程的中试开发》和《中国航空生物燃料炼制加工技术研究》资助项目.**通讯联系人. Tel:010-********,E-mail:pengcheng@https://www.doczj.com/doc/6c8136524.html, 收稿日期：2011-07-27，接受日期：2012-02-13 1合成生物学概述 1.1新一代生物学 合成生物学20世纪生物学研究一直以“还原论”为指导，即对生物系统不断分解，直至细胞中的单个或有限个基因或蛋白质，然后孤立研究这些基因和/或蛋白质的结构和功能，以此了解生物现象．随着基因组测序和高通量筛选测量为标志的当代分子生物学的迅猛发展，以系统化设计和工程化构建为理念的合成生物学成为新一代生物学的发展方向． 2000年1月《自然》(Nature )同时发表了两篇文章．其一是Colins 团队研制出由两个抑制基因、两个抑制启动子以及一个作为报告基因的绿色荧光蛋白(GFP)组成的一种双稳态“基因套环开关”，可对选择的细胞功能进行开关[1]．其二是Elowitz 和Liebler 用转录启动子和抑制基因构建了由连续诱导启动子调控的3基因抑制网络，称为“压缩振荡子”，同样加上一个GFP 报告基因．它将交替打开或者关闭GFP 报告基因，使细胞能在发光状态和非发光状态之间转换[2]．随后，许多合成生物学的基本元件，例如启动子、核糖体结合位点和转录阻 遏物等，均用来构建具有特定功能的模块，将这些模块插入细胞使生物系统具有了新的功能．目前，合成生物学模块包括了诸如套环开关、串级开关、脉冲发生器、时间延迟电路、振荡器、逻辑门电路等．这些模块和其他模块一起工作时，可以用来调控基因表达、蛋白质功能、代谢及细胞间的通讯[3]．以基因工程技术和电子工程的电路设计原则为基础的工作还包括利用启动子和阻遏子等基因元件构建最简单的组件创建可通用组装的，满足不同的组合要求的最简单的模块库[4]．应用例子包括逻辑门、闩锁(套环开关)[1,5]和逆变器[6]． 可以看出，合成生物学以信号传导、基因调控以及细胞代谢的元件组装具有我们所希望的细胞功
合成生物学研究进展及其风险 关正君魏伟徐靖 1合成生物学研究概况 合成生物学(synthetic biology)是在现代生物学和系统科学基础上发展起来的、融入工程学思想的多学科交叉研究领域。其包括了与人类自身和社会发展相关的研究方向和内容，为解答生命科学难题和人类可持续发展所面临的重大挑战提供了新的思路、策略和手段。2004年，合成生物学被美国麻省理工学院出版的Technology Review评为“将改变世界的十大新技术之一”。2010年12月，Nature杂志盘点出2010年12件重大科学事件，Science杂志评出的科学十大突破，合成生物学分别排名第4位和第2位。为此，世界各国纷纷制定合成生物学发展战略及规划，开展合成生物学研究，以抢占合成生物学研究和发展先机，促进了合成生物学基础研究和应用研究的快速发展。同时合成生物学的巨大应用潜力，还吸引了众多公司及企业参与到该领域的研究开发，推动着合成生物学产业化的进程。 合成生物学作为后基因组时代生命科学研究的新兴领域，其研究既是生命科学和生物技术在分子生物学和基因工程水平上的自然延伸，又是在系统生物学和基因组综合工程技术层次上的整合性发展。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造不同，合成生物学旨在将工程学的思想用于生物学研究中，以设计自然界中原本不存在的生物或对现有生物进行改造，使其能够处理信息、加工化合物、制造材料、生产能源、提供食物、处理污染等，从而增进人类的健康，改善生存的环境，以应对人类社会发展所面临的严峻挑战。 作为一个新的基础科学研究领域，合成生物学综合生物化学、生物物理和生物信息技术与知识，涵盖利用基因和基因组的基本要素及其组合，设计、改造、重建或制造生物分子、生物体部、生物反应系统、代谢途径与过程，乃至整个生物活动的细胞和生物个体。合成生物学使人们可以利用与物理学方法类似的模块构建和组装形成新的生命有机体，从而人工设计新的高效生命系统。中科院《2013年高技术发展报告》指出，DNA测序技术、DNA合成技术和计算机建模是支撑合成生物学发展的关键技术。近年来，大量物种的全基因组测序，为合成生物学家构建功能组件的底盘生物体系提供了丰富的遗传信息。快速、廉价的测序技术也促进了新的系统和物种的识别和解析。 2 合成生物学应用研究进展 2.1 合成生物学在医药工业领域的应用 2.1.1 天然药物合成生物学 天然药物合成生物学是在基因组学研究的基础上，对天然药物生物合成相关元器件进行发掘和表征，借助工程学原理对其进行设计和标准化，通过在底盘细胞中装配与集成，重建生物合成途径和代谢网络，从而实现药用活性成分定向、高效的异源合成，以解决天然药物
·综述· 鬼臼毒素生物合成研究进展 陆炜强，傅承新，赵云鹏 * （浙江大学生命科学学院濒危野生动植物保护生物学教育部重点实验室，浙江杭州310058） ［摘要］鬼臼毒素（podophyllotoxin ）是一种成功商品化的天然木脂素，其衍生物依托泊苷（etoposide ）、替尼泊苷（tenipo-side ）等在临床上广泛应用于抗肿瘤、抗病毒治疗。植物提取是鬼臼毒素的主要来源，面对野生资源压力，人们分别开展了植物野生变栽培、 植物细胞或器官培养、化学全合成等研究，以扩大鬼臼毒素来源。鬼臼毒素生物合成研究是开展植物规范化栽培和代谢工程的重要前提。20多年来尤其是近10年来，鬼臼毒素生物合成研究进展迅速，但鬼臼毒素的下游代谢以及整个合成途径基因水平的评述仍不足，因此作者专门针对鬼臼毒素的生物合成，对相关文献尤其是近10年的文献进行综述，重点介绍其合成途径关键环节的过程、主要产物、酶的特点与功能、已报道的酶编码基因等内容，以合理推测和概括鬼臼毒素的生物合成途径，同时对目前研究仍存在的问题和将来研究方向进行了讨论。 ［关键词］鬼臼毒素；生物合成；规范化栽培；代谢工程［稿件编号］20101116002 ［基金项目］国家科技支撑计划项目（2006BAI21B07）；浙江省科技厅中药现代化专项（2006C13077）［通信作者］* 赵云鹏， Tel ：（0571）88206463，E-mail ：ypzhao @https://www.doczj.com/doc/6c8136524.html, ［作者简介］陆炜强， Tel ：（0571）88206463，E-mail ：lwq-711@ 163.鬼臼毒素（podophyllotoxin ， PTOX ）是植物来源天然产物成功商品化的经典案例。从其发现至今已有近1个世纪的历史，其具有良好的抗肿瘤、抗尖锐湿疣、抗艾滋病毒活性 ［1-3］ ，虽然自身毒副作用较大，但其半合成衍生物在保证治 疗效果的同时，大大降低了毒性，在临床治疗淋巴癌、肺癌等多种癌症中得到广泛应用， 如依托泊苷（etoposide ，VP-16），替尼泊苷（teniposide ，VM-26），依托泊苷磷酸酯（etopophos ），azatoxin ，tafluposide 等［4］。鬼臼毒素的传统和主要来源是植物提取，来源植物主要分布于小檗科足叶草属Podophyllum 、桃儿七属Sinopodophyllum 、八角莲属Dysosma 、山荷叶属Diphylleia 、Jeffersonia 属，其他还有亚麻科亚麻属Linum ，柏科刺柏属Juniperus 、崖柏属Thuja 、Callitris 属，唇形科山香属Hyptis 、百里香属Thymus 、香科科属Teucrium 、荆芥属Nepeta 、Eriope 属等［5-7］。由于过度采挖、生境破坏和植物自身生长缓慢等原因，鬼臼类野生植物资源逐渐枯竭、物种濒危，已难以满足鬼臼毒素生产的需求，人工规范化栽培势在必行，但目前桃儿七S .hexandrum （异名：Podophyllum hex-andrum ，P .emodi ）、八角莲D .versipellis 的栽培刚刚起步，其他来源植物的新资源开发程度也有待进一步深入 ［8-10］ 。此外，虽然化学全合成技术已经有所突破，但是 复杂的合成过程、极低的合成效率（约为5%），使人工全合成鬼臼毒素目前仍难以实现商业化 ［3，11］ 。近年来基于 生物技术的植物代谢工程快速发展，为鬼臼毒素替代资源的开发提供了更多途径，如植物细胞或器官培养、生物转化等，但仍存在效率低、成本高的共性问题，目前尚未产业化 ［5，12-14］ 。因此，要彻底解决鬼臼毒素的来源问题， 仍需要对上述3种途径的关键科学和技术问题深入研究。 实现药用植物规范化栽培和植物细胞或器官培养生产鬼臼毒素的前提之一是必须充分阐明鬼臼毒素的生物合成途径及其调控机制。因此，自20世纪80年代末以来，学者们以足叶草Podophyllum spp.、亚麻Linum spp.等植物的组织或细胞培养体系为研究系统，探讨了鬼臼毒素的生物合成途径，取得了长足进展。前人综述了不同时期鬼臼毒素生物合成不同方面的研究进展 ［6，12，15-19］ ，揭示了合成途径的大体 框架，为后续的研究提供了良好的基础和背景。但是前人的综述大多是对鬼臼毒素的资源、化学、药理、生物合成、细胞或器官培养等内容的全面评述，或者是对整个木脂素类生物合成的综述， 对于鬼臼毒素生物合成的论述不够全面、详细，比如对鬼臼毒素下游的代谢往往没有讨论，而且对近几年已有新进展的相关酶编码基因的分离、扩增、表达也较少涉及。因此，本文专门针对鬼臼毒素的生物合成，对相关文献尤其是近10年的文献进行综述，重点介绍其合成途径关键环节的过程、主要产物、酶的特点与功能、鬼臼毒素下游代谢、已报道的酶编码基因等内容，以期继续推动该领域的研究，实现优质种源筛选、株系改良、栽培和培养条件优化、生产体系调控，为鬼臼类植物规范化栽培和代谢工程的产业化奠定
微生物药物合成生物学研究进展 武临专, 洪斌* (中国医学科学院、北京协和医学院医药生物技术研究所, 卫生部抗生素生物工程重点实验室, 北京100050) 摘要: 微生物次级代谢产物结构复杂多样, 具有抗细菌、抗真菌、抗肿瘤、抗病毒和免疫抑制等多种生物活性, 是微生物药物开发的源泉。当前, 微生物药物研究面临一些挑战: 快速发现结构新颖、生物活性突出的化合物; 理性化提高产生菌的发酵效价; 以及以微生物为新宿主, 实现一些重要天然药物的工业生产。合成生物学是在系统生物学和代谢工程等基础上发展起来的一门学科。本文对合成生物学在发现微生物新次级代谢产物、提高现有微生物药物合成水平和创制微生物次级代谢产物方面的研究进展进行了阐述。 关键词: 微生物药物; 合成生物学; 次级代谢产物; 生物合成 中图分类号: Q939.9; Q81; R914.5 文献标识码:A 文章编号: 0513-4870 (2013) 02-0155-06 Synthetic biology toward microbial secondary metabolites and pharmaceuticals WU Lin-zhuan, HONG Bin* (Key Laboratory of Biotechnology of Antibiotics of Ministry of Health, Institute of Medicinal Biotechnology, Peking Union Medical College and Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100050, China) Abstract: Microbial secondary metabolites are one of the major sources of anti-bacterial, anti-fungal, anti- tumor, anti-virus and immunosuppressive agents for clinical use. Present challenges in microbial pharmaceutical development are the discovery of novel secondary metabolites with significant biological activities, improving the fermentation titers of industrial microbial strains, and production of natural product drugs by re-establishing their biosynthetic pathways in suitable microbial hosts. Synthetic biology, which is developed from systematic biology and metabolic engineering, provides a significant driving force for microbial pharmaceutical development. The review describes the major applications of synthetic biology in novel microbial secondary metabolite discovery, improved production of known secondary metabolites and the production of some natural drugs in genetically modified or reconstructed model microorganisms. Key words: microbial pharmaceuticals; synthetic biology; secondary metabolites; biosynthesis 来源于微生物的药物称为微生物药物(microbial medicine, microbial pharmaceuticals), 主要包括来源于微生物(特别是放线菌和真菌) 次级代谢产物的药物。 收稿日期: 2012-09-25; 修回日期: 2012-11-01. 基金项目: 国家“重大新药创制”科技重大专项资助项目(2012ZX09301002-001-016); 国家自然科学基金资助项目 (31170042, 81172964). *通讯作者 Tel: 86-10-63028003, E-mail: binhong69@https://www.doczj.com/doc/6c8136524.html,, hongbin@https://www.doczj.com/doc/6c8136524.html, 微生物药物例如抗生素, 在控制感染、免疫调节和治疗癌症等方面发挥了重要作用。目前, 已经从放线菌和真菌中发现了2万多种具有生物活性的次级代谢产物, 其中百余种成为微生物药物。随着对放线菌和真菌的持续开发利用, 直接从放线菌和真菌研制微生物新药难度越来越大, 主要原因在于: ①化合物排重难度很大(从微生物已经发现了25 000多种化合物); ②新微生物资源的分离培养工作没有突破性进展, 获得大量的、具有产生新次级代谢产物能 ·专题报道·
济南大学研究生课程考查试卷 课程编号：QZ283001课程名称：信息与文献检索学时16 学分 1 学号：20172120470 姓名牛浩学科、领域生物工程 学生类别：全日制专业学位成绩：任课教师（签名） 1、考核形式(采用大作业、论文、调研报告、实验报告等)： 课程论文 2、考查（内容、目的等）具体要求： 写一篇与所从事专业相关的综述性论文 字数在3000字左右 书写格式规范，论述清晰，层次分明 3、成绩评定说明（含平时成绩、考核成绩）： 平时成绩主要包括考勤和平时作业，考勤共计10分，平时作业共计20分，占总成绩的30%。 期末课程论文共计70分，占总成绩的70%。 总成绩为平时成绩与课程论文成绩的加和，即100分。
合成生物学在生物燃料领域的研究 摘要：本文简要介绍了合成生物学的概念，生物燃料的研究现状、研究前景以及未来可能会遇到的一些挑战。探讨了合成生物学在生物燃料研究中的应用进展包括提高生物质原料的转化特性、开发绿色高效生物催化剂、构建微生物细胞工厂以及设计合成多种生物燃料产品。最后对合成生物学在生物燃料领域的研究做出了展望。 关键词：合成生物学；生物燃料；研究现状；前景；挑战；应用进展 1 合成生物学概述 合成生物学(synthetic biology) 是综合了科学与工程的一个崭新的生物学研究领域。它既是由分子生物学、基因组学、信息技术和工程学交叉融合而产生的一系列新的工具和方法，又通过按照人为需求( 科研和应用目标)，人工合成有生命功能的生物分子( 元件、模块或器件)、系统乃至细胞，并自系统生物学采用的“自上而下”全面整合分析的研究策略之后，为生物学研究提供了一种采用“自下而上”合成策略的正向工程学方法[1]。它不同于对天然基因克隆改造的基因工程和对代谢途径模拟加工的代谢工程，而是在以基因组解析和生物分子化学合成为核心的现代生物技术基础上，以系统生物学思想和知识为指导，综合生物化学、生物物理和生物信息技术与知识，建立基于基因和基因组、蛋白质和蛋白质组的基本要素( 模块) 及其组合的工程化的资源库和技术平台，旨在设计、改造、重建或制造生物分子、生物部件、生物系统、代谢途径与发育分化过程，以及具有生命活动能力的生物部件、体系以及人造细胞和生物个体。 2 生物燃料研究现状与挑战 2.1 生物燃料的研究现状 生物燃料主要包括纤维素生物燃料(乙醇、丁醇等)、微藻生物燃料(生物柴油、航空生物燃料等)，以及最近两年研究较热的新型优质生物液体燃料(高级醇、脂肪醇、脂肪烃等)和利用新技术路线合成的生物乙醇与生物柴油(蓝藻乙醇、微生物直接利用纤维素水解糖体内合成生物柴油等)等。“可持续性”是生物燃料的核
第!期中!国!科!学!基!金"# !! !学科进展与展望! 合成生物学研究的进展 !!"中国科学院院士$ 本文于!%%&年’!月!"日收到$张春霆" !天津大学生命科学与工程研究院"天津(%%%)!# "摘!要#!本文简要介绍了合成生物学发展的历史背景与定义"它的主要研究内容"包括基因线路$合成基因组$合成药物与生物基产品或材料等%探讨了合成生物学与基因工程的异同"介绍了合成生物学在中国的发展情况"讨论了伦理道德与安全问题"最后展望了合成生物学的发展前景% "关键词#!合成生物学!基因线路!合成基因组!合成药物!合成生物基产品或材料!合成*+,序列 !!合成生物学的历史背景与定义 ’--%年人类基因组计划启动!随后模式生物基因组计划也快速实施!产生了大量的基因组*+,序列信息"由于新技术的出现!又促进了转录组学#蛋白质组学和代谢组学等的产生和发展"这一切又催生了一系列新兴交叉学科!如生物信息学和系统生物学等"基础研究的成果最终要转化为生产力!而合成生物学在!’世纪初的出现则是上述学科发展的一个合乎逻辑的结果"那么什么是合成生物学呢$合成生物学网站是这样介绍的%合成生物学包括两重意义%&’’新的生物零件&./01’#组件&234563’和系统的设计与构建(&!’对现有的#天然存在的生物系统的重新设计!以造福人类社会&711.%))89:; 173156<5=>=?9$=0?)’"维基百科全书是这样描述的%合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统!使其能够处理信息#操作化合物#制造材料#生产能源#提供食物#保持和增强人类的健康和改善我们的环境&711.%))3:$@5A5.325/$=0?)@5A5)B9173156*<5=>=; ?9’" "!合成生物学的主要研究内容 "#!!基因线路$$%&%’())(*)+(’% 说起基因线路或基因回路!最早可追溯到C/6=<和D=:=2关于半乳糖操纵子模型的经典工作" !"#$%&杂志在!%%%年发表了基因振荡和基因双稳态两个基因线路!被认为是奠基性的工作"现在则 已发表了大量的有关基因线路的工作!本文不拟详加介绍"一个典型的基因线路是基因双稳态线路+’,!由两个蛋白质编码基因与两个相对应的启动子组成"线路是这样设计的%蛋白质’的表达抑制了蛋白质!的表达!系统只有蛋白质’存在(反之!蛋白质!的表达抑制了蛋白质’的表达!系统只有蛋白质!存在"可在双稳态线路中加入诱导物!促使系统在两个稳定状态之间任意翻转"基因线路有广泛的应用!因篇幅所限不能展开介绍!下面只介绍(个应用例子" &’’大肠杆菌照相术+!, 首先从集胞兰细菌基因组中克隆两个基因并转入大肠杆菌!使之能生成对光敏感的藻青素!简称E F G"接着利用大肠杆菌中双组份信号转导系统’()*+,-./!将与E F G共价结合的脱辅基蛋白与’()*的组氨酸激酶结构域融合构成一个嵌合体!成为一个光敏部件"同时!将0-.1基因与2"3*基因融合!通过在2"3*基因上游引入0-.1启动子使其表达依赖于,-./"通过这一基因线路!2"3*基因的表达就会受光调控"当有红光照射时&相当于被摄物体的光亮部分’!’()*的自磷酸化被抑制!从而,-./不能被磷酸化激活!2"3*基因关闭!由涂抹在琼脂基片上的菌苔形成的底片保持原色"当没有红光照射时&相当于被摄物体的黑暗部分’!过程正好相反!’()*的自磷酸化被激活!从而使2"3*基因被磷酸化的,-./激活而表达!其产物为半乳糖苷酶!催化菌苔中的B;?/>&一种化合物’反应生成
合成生物学相关文献（免费共享） 摘要：通过将组成生物系统的各类单元模块化、标准化，合成生物学希望达成一种新的生物技术发展模式：即从主要开发里欧那个天然生物系统既有功能，变为用人工设计合成的生物系统来完成天然系统不能完成或者完成效率低的功能。合成生物学通过开展生物元件或者器件、生物途径等多个层次的工程化研究来实现上述目标。 ◆综述: 1.Boyle PM,Silver PA.2009. Harnessing nature’s toolbox: regulatory elements for synthetic biology. J R Soc Interface, doi；10.1098.rsif.f8.0521.focus 2.McArthur IV GH，Fong SS.2010. Toward engineering synthetic microbial metabolism. J Biomed Biotechnol,doi:10.1155/2010/459760。 综述了元器件工程（components engineering）、和途径工程（pathway engineering）的进展。 3.Andrianantoandro E,Basu S,Karig D,et al.2006.Synthetic biology:new engineering rules for an emerging discipline. Mol Syst Biol,2:14-27。 ◆合成生物学元器件工程： 利用不同调控机制的人工调控器件: 4.Boyle PM,Silver PA.2009. Harnessing nature’s toolbox: regulatory elements for synthetic biology. J R Soc Interface, doi；10.1098.rsif.f8.0521.focus。 系统的综述了国际上相关工作研究:细胞中的转录调控、RNA调控、蛋白质信号转导等生物调控机制都已经被成功的用于构建合成生物调控元件。 转录调控
未来生物科学技术的发展趋势 从1665年，英国的物理学家胡克用自己设计并制造的显微镜观察栎树软木塞切片时发现其中有许多小室，状如蜂窝，称为"cell"，这是人类第一次发现细胞，到可用基因编辑生命个体的时代，才过去350余年，生物科学的发展日新月异，任何现存的可能性随时都会被颠覆。孤雌生殖、基因编辑、干细胞全能性的诱导等日益发展成熟的技术，将会在未来的某一点汇聚到一起，作用于前所未有的一项工程——生物智能技术，这将可能是第四次科技革命的交点。 有人认为，孤雌生殖虽然简单、高效，但是后代的基因变异极小，当生存环境改变时，后代可能因无法适应新环境而灭绝。而有性生殖却可以产生具有丰富变异的后代。在环境有所变化时，多样性的后代中只要有一小部分能够适应和生存下来，整个物种就不会灭绝。 近年来，群体遗传学家研究指出，数百万年以来，人类男性Y染色体一直在丢失基因和退化，数万年后，男性将消失殆尽，倒真有“女儿国”的隐忧了。布莱恩·塞克斯的科幻小说《亚当的诅咒：一个没有男人的未来》也反映了这种隐忧。其实，人类的未来远没有这么悲观。经过数千万年的演化，灵长类中源自X 染色体的Y 染色体才“丢盔弃甲”地演变成现在这种形状。不排除Y 染色体会继续丢失个别基因，但Y 染色体已趋于演化上的稳定状态，这与精子的特殊功能是一致的。也许，数万年后，科技发达，女性或可以靠孤雌生殖和克隆技术繁殖后代。借助孤雌生殖这个窗口，人类不仅可以窥探到大自然演化的奥妙，而且能够自信地走向未来！ 干细胞是一类具有自我更新和多分化潜能特性的细胞．可以作为治疗性克隆的研究与治疗资源及研究人类疾病的模型，广泛应用于再生医学、细胞替代治疗及药物筛选等研究领域。干细胞的生物学特性决定了其广泛的应用价值。一方面，干细胞可以在体外培养环境中。无限增殖，经过10余年的研究．已建立了一套成熟规范的干细胞体外培养体系；另一方面，干细胞是一种具有多分化潜能的细胞。在体外培养环境中给予一定的诱导条件．就可以将干细胞定向分化成为特定类型细胞，然后移植到机体相应的病变区替代原本失去功能的病变细胞，以治疗多种疾病，如心血管疾病、糖尿病、恶性肿瘤、骨及软骨缺损、老年性痴呆、帕金森氏病等。由此可见。干细胞具有巨大的研究价值和应用前景。
DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.05.007 · 综述· 合成生物学的关键技术及应用进展 邢玉华，谭俊杰，李玉霞，凌焱，刘刚，陈惠鹏 20 世纪的生物学研究一直着眼于对生物系统的不断分解，解剖至细胞中单个蛋白或基因，研究其结构和功能来解释生命现象。但随着当代分子生物学技术的迅猛发展，以系统化设计和工程化构建为理念的合成生物学成为新一代生物学的发展方向。合成生物学旨在对多种天然的或人工设计的生物学元件进行合理而系统的组合以获得重构的或非天然的“生物系统”，其涵盖的研究内容可以大体分为 3 个层次：一是利用已知功能的天然生物模体（motif）或模块（module）构建成新型调控网络并表现出新功能；二是采用从头合成（de novo synthesis）的方法，人工合成基因组 DNA 并重构生命体；第三个层次则是在前两个研究领域得到充分发展之后，创建完整的全新生物系统乃至人工生命体（artificial life）。合成生物学强调利用工程化的设计理念，实现从元件到模块再到系统的“自下而上”设计。利用生物系统最底层的 DNA、RNA、蛋白质等作为设计的元件，利用转录调控、代谢调控等生物功能将这些底层元件关联起来形成生物模块，再将这些模块连接成系统，实现所需的功能。这是一门涉及微生物学、分子生物学、系统生物学、遗传工程、材料科学以及计算科学等多个领域的综合性交叉学科。它有别于传统的基因工程，其目的在于组装各种生命元件来建立人工生物体系，让它们能像电路一样在生物体内运行，使生物体能按预想的方式完成各种生物学功能。合成生物学的最高境界是灵活设计和改造生命，重塑生命体。 本文就目前合成生物学采用的关键技术和研究应用进展两方面进行综述。 1 基因组的人工合成技术 2010 年 5 月 20 日，Science报道了 Venter 研究组采用化学方法合成了一个 1.08 Mb 的蕈状支原体基因组，并将其移植入一个山羊支原体受体细胞，从而创造了一个仅由合成基因组控制的新的蕈状支原体细胞[1]。这项成果在合成生物学的发展史中具有里程碑的意义。在此之前，也有许多基因组合成的成功报道。2002 年，纽约州立大学 Wimmer 实验室合成了脊髓灰质炎病毒，这是人类历史上第一个人工合成的病毒。多年来，Venter 等一直致力于合成基因组的研究。2003 年，合成了长达 5386 bp 的ΦX174 噬菌体基因组，实现了用寡核苷酸合成的方法精确合成了 5 ~ 6 kb 的 DNA 序列；2008 年，Venter 实验室又合成了生殖支原体基因组，该基因组全长 582970 bp，是已知的生物体中独立生存的最小基因组[2]；2010 年 10 月他们又发明了迄今最简单有效的基因合成技术，并以此合成了实验小鼠的线粒体基因组[3]。Dymond 等[4]的研究更进了一步，他们于 2011 年报道成功设计合成了酿酒酵母的部分染色体，这是酿酒酵母基因组人工合成计划（SC2.0 Project）取得的第一个成果，该项目的最终目标是人工合成构建酿酒酵母基因组。酵母基因组人工合成将是合成生物学发展史上又一重要的里程碑。 DNA 合成是支撑合成生物学发展的核心技术，它不依赖于 DNA 模板，可根据已知的 DNA 序列直接合成，在基因及生物元件的合成、基因回路和生物合成途径的重新设计组装，以及全基因组的人工合成中发挥重大作用。由于化学合成的 DNA 片段长度有限，要合成长的 DNA 片段需要先合成短的寡核苷酸，然后再将寡核苷酸进行拼接。因此，基因组合成的基本思路为：①按照原始基因组序列设计合成寡核苷酸；②利用各种方法将寡核苷酸拼接成较长的 DNA 序列；③以较长的序列为基础，进一步拼接得到更长的DNA 序列，拼接成完整的基因组；④将合成的基因组移植到细胞中，并验证其功能。 1.1 寡核苷酸的合成 目前寡核苷酸一般采用固相亚磷酰胺三酯法合成。寡核苷酸的长度是一个重要的参数，随着长度的延长，产率下降，纯度也降低，积累的合成错误大大增加。较短的寡核苷酸会有较少的错误，但是需要增加组装所需的重叠序列，使合成成本增加。使用 60-mer 的寡核苷酸，可以最大程度地降低错配率和生产成本[5]。 1.2 由寡核苷酸拼接成较长的 DNA 片段 寡核苷酸可以通过各种方法拼接成几百 bp 到几千 bp 的 DNA 片段。常用的体外拼接方法有以下两种：连接酶链式反应（ligase chain reaction，LCR）和快速聚合酶链式组装法（polymerase chain assembly，PCA）。 LCR 法利用 Taq 连接酶将首尾相连、重叠杂交的寡核苷酸片段连接起来，连接反应在较高温度下进行，因而可以排除 DNA 二级结构的干扰；但是基因合成的成本大大增加。 PCA 法是两条具有部分重叠的寡核苷酸互为引物互为模板进行聚合酶的延伸，延伸得到的序列再通过与其他寡核苷酸退火、延伸，进行多次循环后，最终合成目的序列。PCA 法合成成本较连接酶法大大降低。这种方法逐渐得到广泛使 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）子课题（2012AA 022001-03D） 作者单位：100071 北京，军事医学科学院生物工程研究所（邢玉华、谭俊杰、李玉霞、凌焱、刘刚、陈惠鹏）；130012 长春，吉林大学生命科学学院（邢玉华） 通讯作者：刘刚，Email：jueliu@https://www.doczj.com/doc/6c8136524.html, 收稿日期：2012-07-16
合成生物学的前景展望 目录： 前言 科学定义 学科特征 发展现状 前景展望 结语 前言 当今方兴未艾的合成生物学，是一门建立在生物信息学、DNA化学合成技术、遗传学和系统生物学之上的交叉学科。近十年来，该学科在病毒全基因组合成、标准化遗传回路和最小基因组研究中取得了巨大的突破，也展现了其在生物科学应用中扮演的重要角色。本文将通过介绍与分析合成生物学的相关信息展望合成生物学的发展前景。 科学定义 目前合成生物学研究涵盖范围广泛，对其定义的表述不尽相同：合成生物学领域知名的网站（http://syntheticbiology. org）这样描述该领域的主要研究内容：“设计和构建新型生物学部件或系统以及对自然界的已有生物系统进行重新设计，并加以应用。”2010年12月，美国13位知名专家共同完成了一份名为《新的方向》的研究报告，专门探讨合成生物学问题，文中将合成生物学的研究目标定位为：“将标准化的工程技术应用于生物学，以此创造出新型或具有特定功能的生命体或生物系统，以满足无尽的需求。”合成生物学组织(Synthetic Biology Community)网站上公布的合成生物学的定义则强调合成生物学的两条技术路线：(1)新的生物零件、组件和系统的设计与建造；(2)对现有的、天然的生物系统的重新设计。 综合起来，合成生物学可被理解为基于系统生物学的遗传工程从基因片段、人工碱基DNA子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域，合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。 学科特征 1.多学科交叉性： 作为一个以多学科为基础的综合性交叉研究领域，对于生物学家，合成生物学打开了一扇探索生命奥秘的大门；工程学家更关注的是该如何将实验流程和各类生物学元件进行模块化、标准化，以及如何有效地控制多个元件的相互协调；而如何将标准化的生物学模块进行数字化、定量化评价，更好地为人造“软件”进行模拟计算从而指导生物系统的构建，则是计算科学在生命科学中应用的突出体现；化学家和药物学家则更愿意将合成生物学看作多种用途的新型工具，用于高效地生产新型燃料和药物。 2.超越传统技术的革新： 合成生物学改变了过去的单基因转移技术，开创综合集成的基因链乃至整个基因蓝图设计，并实现人工生物系统的设计与制造。从分子结构图式、信号传导网络、细胞形态类型到器官组织结构的多基因系统调控研究的系统遗传学，以及纳米生物技术、生物计算、
我国鹭类的生物学研究进展 摘要:鹭科(Ardeidae)鸟类是湿地生态系统中重要的生物种类之一,也是环境质量评价的一类指示动物?我国鹭类有9属20种,除紫背苇鳽为古北界种类,海南鳽?黑冠鳽2种为东洋界种类外,其余种类为广布种?重点总结了我国鹭类生物学特征及研究进展,为今后的深入研究及保护工作提供参考? 关键词:鹭科(Ardeidae);生物学特征;研究概况 Research Advances on Biological Characteristics of Ardeidae Birds in China Abstract: Ardeidae birds are important in wetland ecosystem, and are regarded as indicators for environmental assessment. There are 20 species in 9 genus of Ardeidae in China. Except for Ixobrychus eurhythnus belonging to Palaearctic realm, and Gorsachius magniticus, G.orsachius melanolophus belonging to Oriental realm, the other six species belong to cosmopolitan. The biological characteristics and research progress of Ardeidae birds in China were summarized to provide reference for further research and protection. Key words: Ardeidae; biological characteristics; research advances 鹭科(Ardeidae)鸟类为大?中型涉禽,常见于河流?湖泊?沼泽?滩涂等湿地,是湿地生态系统中重要的生物类群之一,也是环境质量评价的一类指示动物?中国地处亚洲东部,东临太平洋,地域辽阔,境内河流?湖泊众多,浅海大陆架宽广,岛屿星罗棋布,自然条件复杂多样,为鹭类生存和繁衍提供了极其广阔的生态空间和诸多有利的自然条件? 我国学者从20世纪20年代开始鸟类研究,20世纪60年代初,《宜昌池鹭繁殖习性的初步观察》为新中国成立后第一篇有关鹭类研究的专题论文?此后,朱曦[1]?文祯中?王中裕等人开始进行鹭科鸟类生态生物学研究?郑作新[2]在《中国动物志》鸟纲第一卷中,列鹭科鸟类9属20种4亚种?本研究就中国鹭科鸟类生物学特征与研究进展进行分析研究,为今后的深入研究及保护工作提供参考? 1 白鹭属(Egretta) 1.1 大白鹭(Egretta alba) 国内有2个亚种,指名亚种(E. o.alba)在内蒙古?新疆繁殖,到西藏等地越冬;普通亚种(E. o. modesta)分布在中国东部?目前国内对2个亚种的繁殖生态?寄生虫已进行过研究?2009年3~10月胡宝文等[3]对新疆艾比湖大白鹭的巢?卵及雏鸟的生
1.(生命的起源)三界的分类：古细菌、细菌、真核生物 2.小分子：氨基酸、糖类、核苷酸 77% 3.大分子：核酸、蛋白质、脂质 23% 4.古细菌更类似于真核细胞，原核细菌是真正的细菌 5.合成生物学的定义：设计和构建自然界中没有发现的生物功能和生物系统。构造生物零件装置和能量，药物以及科技系统中应用工程原则和数学模型。 组装各领域专业知识的研究领域为了理解，构建，修饰生物系统。 合成生物学的目标：①操纵基因元件，将基础生物分子整合到基因线路上，来创造新性状，表达复杂的生物功能。②从稳定、标准、已经改良好的基因模块来构建生物体系。 合成生物学的目的：改造系统、系统化构建 .合成生物学与其他学科的不同：抽象性、模块性、标准化、设计和模型 6.根据进化树，古细菌和真核生物都来自细菌。 7.生物膜的作用：隔离、储存能量、物质传递、信号传导、阻断毒性 8.内共生学说：古细菌的真核细胞吞噬异样细菌，成为它的线粒体。 吞噬自养细菌，成为它的叶绿体。 9.基因的概念：基因是生物有机体遗传的分子单元 基因在染色体上 是有机体中可以编码多肽和RNA的DNA序列 10.DNA的结构和功能： 遗传信息在DNA链的核苷酸序列中 遗传信息指导合成蛋白质 基因两条链碱基配对以氢键链接 一条链模板、半保留复制5-3、3端游离羟基、糖在外，碱基在内 11.染色体结构与基因表达： 染色质的基本组成单位是核小体 核小体是组蛋白八聚体2H2A 2H2B 2H3 2H4 H1与核小体间DNA链接 染色质改造：连接DNA长度可变，结合DNA结构可变 12.三个重要的DNA序列：端粒、复制起始区、着丝点 13.核小体的N端修饰（共价修饰）： DNA甲基化和组蛋白去乙酰化协同作用共同参与转录阻遏。 磷酸化使生物学过程发生 14.转录抑制与异染色质有关 15.第三章总结：间期染色质解旋很难看见 基因表达loop结构处 常染色质结构疏松表达活跃，能编码蛋白质。 异染色质粘稠不编码。如端粒、中心粒、着丝粒 有丝分裂染色体是压缩的，有序的，染色体在细胞核中的存放时空间有序的 16.分子机器：调节DNA的蛋白质 DNA：连接酶、解旋酶（95℃）、拓扑异构酶 钳蛋白、结合蛋白
分子生物学在医药中的研究进展及应用 ——韩静静 摘要 分子生物学是对生物在分子层次上的研究。这是一门生物学和化学之间跨学科的研究，其研究领域涵盖了遗传学、生物化学和生物物理学等学科。分子生物学主要致力于对细胞中不同系统之间相互作用的理解，包括DNA，RNA和蛋白质生物合成之间的关系以及了解它们之间的相互作用是如何被调控的。分子生物学主要研究遗传物质的复制、转录和翻译进程中的分子基础。分子生物学的中心法则认为“DNA 制造 RNA，RNA 制造蛋白质，蛋白质反过来协助前两项流程，并协助 DNA 自我复制”。 分子生物技术也称之为生物工程，是现代生物技术的主要标志，它是以基因重组技术和细胞融合技术为基础，利用生物体或者生物组织、细胞及其组分的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品种．以便与工程原理相结台进行生产加工．为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系，其内容包括基因工程技术、细胞工程技术、DNA测序技术、DNA芯片技术、酶工程技术等。现代分子生物技术的诞生以70年代DNA重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的发明和应用为标志．迄今已走过了30多年的发展历程。实践证明在解决人类面临的粮食、健康、环境和能源等重大问题方面开辟了无限广阔的前景。受到了各国政府和企业界的广泛关注。是21世纪高新技术产业的先导。 二十世纪生物医学发展的主要特点之一是对生命现象和疾病本质的认识逐渐向分子水平深入。DNA双螺旋结构的发现为分子医学和基因医学的发展奠定了基础。人们逐渐认识到，无论健康或疾病状态都是生物分子及其相互作用的结果，生物分子中起关键性作用者为基因及其表达产物蛋白质，因此从本质上说，所有的疾病都可以被认为是“基因病”。近十年来，分子生物技术已成为医学领域最有力的研究工具，以下从基因工程技术、人类基因组计划与核酸序列测定技术、基因诊断与基因体外扩增技术、生物芯片技术在医学研究中为了解疾病的发生发展机制，诊断和药物研制、开发中的应用。 关键词：分子生物学分子生物技术医药基因芯片蛋白质组学