“合成生物学”重点专项2020年度
项目申报指南
合成生物学以工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成。“合成生物学”重点专项总体目标是针对人工合成生物创建的重大科学问题，围绕物质转化、生态环境保护、医疗水平提高、农业增产等重大需求，突破合成生物学的基本科学问题，构建几个实用性的重大人工生物体系，创新合成生物前沿技术，为促进生物产业创新发展与经济绿色增长等做出重大科技支撑。
2020年本专项将围绕基因组人工合成与高版本底盘细胞、人工元器件与基因线路、人工细胞合成代谢与复杂生物系统、使能技术体系与生物安全评估等4个任务部署项目。
根据专项实施方案和“十二五”期间有关部署，2020年优先支持21个研究方向，其中包括4个部市联动任务。同一指南方向下，原则上只支持1项，仅在申报项目评审结果相近，技术路线明显不同，可同时支持2项，并建立动态调整机制，根据中期评估结果，再择优继续支持。国拨经费总概算3.8亿元（其中，拟支持青年科学家项目不超过2个，国拨总经费不超过1000万元）。
申报单位针对重要支持方向，面向解决重大科学问题和突破
—1—
关键技术进行一体化设计，组织申报项目。鼓励围绕一个重大科学问题或重要应用目标，从基础研究到应用研究全链条组织项目。鼓励依托国家重点实验室等重要科研基地组织项目。
项目执行期一般为5年。为保证研究队伍有效合作、提高效率，项目下设课题数原则上不超过4个，每个项目所含单位数原则上不超过6个。青年科学家项目可参考重要支持方向（标*的方向）组织申报，但不受研究内容和考核指标限制。部市联动任务申报分两类：一类是由深圳市科技创新委员会推荐，深圳市有关单位作为项目牵头单位进行申报（标#的方向）；另一类可由专项所有推荐渠道组织推荐，申报项目中至少有一个课题由深圳市有关单位作为课题牵头单位。
本专项所有涉及人体被试和人类遗传资源的科学研究，须尊重生命伦理准则，遵守《涉及人的生物医学研究伦理审查办法》《中华人民共和国人类遗传资源管理条例》等国家相关规定，严格遵循技术标准和伦理规范。涉及实验动物和动物实验，要遵守国家实验动物管理的法律、法规、技术标准及有关规定，使用合格实验动物，在合格设施内进行动物实验，保证实验过程合法，实验结果真实、有效，并通过实验动物福利和伦理审查。
1.人工基因组合成与高版本底盘细胞构建
1.1合成基因信息存储*
研究内容：针对遗传物质DNA具有信息密度大、稳定性高的优点，研究数字化信息与基因序列的编码与读取方法，揭示基因—2—
组四进制信息的编解码基本原理；研究基因信息的容错纠错分析方法，DNA信息的加密原则，开发DNA信息体内存储与编辑技术；发掘多位点、高效率、高精准的编辑工具酶和DNA低成本、高精准生物合成的工具酶，降低信息存储成本。
考核指标：开发1~2套数字化信息基因存储技术的编码方法，完成汉字、图片和短视频等信息的存储与可靠读取，支持TB级以上的基因数据高效纠错；实现在大肠杆菌、酿酒酵母等模式微生物中的信息存储与编辑，获得4个以上包含外源存储信息的工程菌株，每个菌株包含的外源DNA数量不小于80Kbp；获得1~2个书写加密信息的工程菌株，完成不同环境下的多代存储鲁棒性验证。
1.2真核生物人工染色体的设计建造与功能研究
研究内容：针对酿酒酵母、裂殖酵母和多细胞模式生物秀丽隐杆线虫，建立和发展新型人工染色体的设计、构建与优化方法；利用人工染色体研究真核生物染色质结构、功能及遗传稳定的关键元件及相关分子机制；针对重要生物学过程，利用人工染色体技术，鉴定关键基因元件，设计、合成或重构相关模块或网络，实现对所研究的生物学过程的可控动态观测与调控。
考核指标：发展2~3种真核人工染色体的设计、构建与优化新方法，形成平台体系。创建新一代的人工酵母染色体1~2条，竞争性生长和抗逆能力超过天然酵母；创建秀丽隐杆线虫人工染色体；利用上述两类人工染色体，揭示与酵母和秀丽隐杆线虫染
—3—
色体复制、遗传稳定、重组相关的关键元件与分子机制，并与其他真核生物染色体作比较研究；选取2~3种多细胞动物特有的重要生物学过程（如个体发育、衰老、神经退行性变、细胞凋亡、或营养感知等），构建5~10个由其关键基因元件组成的线虫人工染色体并在体研究其功能。
2.人工元器件与基因回路
2.1基于合成生物学的多功能模块耦合活疫苗研究
研究内容：针对严重影响公众健康的新发、多发病原体，以功能为导向解析病原体和宿主相互作用的主效功能和基因组模块等元件；基于人工智能等计算机辅助设计，进行模块间的功能优化耦合，实现病原体的人工合成、高效生产，研制性能优化的模块耦合活疫苗；研究病原体活疫苗防逃逸技术、生物安全降级评价细胞和动物模型和递送机制；创新活疫苗人工合成、生产、评价的理论和技术体系。
考核指标：掌握人工疫苗的模块化设计和生产原则，建立相应的创新理论与技术路径；靶向表达调控、核心代谢、免疫调节、免疫保护、通用性以及安全性等环节，鉴定获得不少于8种新型主效功能和基因组模块元件；获得不少于5种标准化、有效的免疫回路，构建相应模块耦合活疫苗；建立3~5种基于基因表达分子开关等技术的防逃逸技术和生物安全降级评价创新模型，发展1~2种新型疫苗递送系统；获得至少2~3种模块耦合候选活疫苗，验证其免疫保护力和安全性，完成临床研究申报。
—4—
2.2耐药病原菌诊疗的基因回路设计合成
研究内容：针对分枝杆菌等重要耐药胞内病原细菌及念珠菌等治疗药物缺乏的病原真菌的防控，开展病原菌致病和耐药调控网络机制模拟及诊疗手段相关基因回路设计的研究；挖掘和设计特异性拮抗临床靶标病原菌的基因元器件，研究用于耐药病原菌消杀的合成基因回路设计原理；研究开发基于人工设计的智能型基因回路或生物元件的病原菌防控、诊疗新手段、新技术或新产品。
考核指标：设计合成5~10种应用基因回路或基因元件构建的精准消杀或检测耐药胞内病原细菌或病原真菌的手段，包括1~2种应用于临床前期的精准消杀胞内耐药结核菌的基因回路，实现动物体内病原菌检出率呈数量级下降或临床样本的检出速度、灵敏度或准确率的显著改善。构建2~3种基于合成生物学的智能药物筛选体系，获得5~10种针对胞内病原细菌或真菌的毒力、耐药或持留的先导化合物和特异抗菌肽。
2.3高效生物产氢体系的设计组装
研究内容：针对生物质产氢得率和速度问题，研究高产氢得率、高反应速度的人工合成微生物组构建方法，理性设计高产氢人工代谢途径；研究菌—酶复合系、多酶复合系关键元件的匹配机理，研究生物产氢过程定向代谢调控策略，研究与模拟高产氢代谢路径的热力学与动力学可行性；设计与组装新型生物产氢反应系统、耦合系统及非细胞产氢生物系统，突破快速产氢与氢气释放的技术瓶颈，通过规模化示范提出技术标准。
—5—
考核指标：构建高效生物产氢装置及耦合系统，耦合系统产氢得率高于8mol/mol葡萄糖，最高产氢速度高于5g/L/h；实现1吨的生物产氢中试示范，该示范系统的日均产氢能力不低于0.5 g/L/d，产氢性能在常温下可保持30天以上；构建百吨罐产氢线，年产氢气1亿升以上，推动生物产氢取得重大技术创新。
2.4有毒金属感知修复的智能生物体系
研究内容：针对水体和土壤环境中汞、镉等典型有毒金属污染物治理难题，构建具有智能识别和修复脱毒能力的藻类和原生动物；鉴定和设计具有汞、镉特异性识别、超强结合和转化能力的分子元件和代谢回路，优化模块化元件的作用效率和特异性；构建具有汞、镉特异识别、超富集与定向脱毒转化能力的合成生物体系，研究该体系在有毒金属污染物原位治理中的适用性和修复脱毒能力。
考核指标：针对汞、镉等有毒金属，设计构建识别、富集和脱毒转化元件500个以上；构建高效智能感知和转化的人工修复回路不少于10条，增加重金属污染修复效率40%以上；构建包括蓝藻、衣藻、四膜虫、肾形虫等在内的智能修复细胞体系不少于5个；构建多生物复合的有毒金属修复体系不少于3套；形成有毒金属修复脱毒新技术不少于3套，其中完成中试不少于2项，建立重金属污染修复示范基地。
2.5高通量新型污染物生物筛选系统构建与环境监测应用
研究内容：针对环境中不断涌现的品种众多的新型化学污染—6—
物如双酚A替代物、四溴双酚A及其衍生物、合成酚类抗氧化剂等，设计合成高效灵敏的分子识别元件，组装污染物生物响应元器件与模块，应用EDA分析技术，高通量筛查不同环境介质中主要神经毒性贡献污染物组分。基于人胚胎干细胞体外培养体系，应用计算毒理学技术，设计并构建多种分化模型模拟人体神经系统发育过程，明晰生物元器件对新型污染物的信号识别、传递与响应等基因网络调控机制，挖掘污染物神经毒性作用的敏感期与早期效应的生物标志物，研究不同环境介质中新型污染物的健康风险。
考核指标：设计合成2~3种高效灵敏的新型污染物生物传感监测与智能降解体系，组装1~2套污染物生物响应元器件与模块，筛选不同环境介质中30~40种主要神经毒性贡献污染物组分，构建3~5种可用于新型污染物神经毒性评价的人胚胎干细胞体外培养体系与分化模型，挖掘2~3种污染物早期效应的生物标志物，并能应用于实际环境样品新型化学污染物的生物监测与健康风险评估。
2.6植物高光效回路的设计与系统优化
研究内容：研究适合高等植物的新型光能吸收系统，拓宽吸收范围和提高光能吸收效率，进一步明晰高等植物环式光合电子传递机理及其分子调控机制，构建新的高效光合膜电子传递线路，优化光合膜能量传递途径；深入研究光保护机制，优化光合膜复合物的维持与修复能力，实现在逆境条件下光合功能高效运行；
—7—
解析控制C4植物叶片花环结构关键特征的遗传调控网络，解析C4光合关键蛋白实现在叶肉细胞及维管束鞘细胞中细胞特异性表达的遗传调控机制，阐明C3光合向C4光合进化的关键代谢步骤及其遗传调控，设计、改造和重组光合碳同化关键酶优化和设计新的光合碳代谢回路，提升光合碳同化效率；优化和设计C3植物结构底盘、人工合成高光效启动子元件和最适光合基因亚型模块并在作物中开展重要分子模块特异性重组和适配优化，有效提高光合效率。
考核指标：获得3~5种光合作用光能吸收及有效利用元器件以及分子模块，并阐释其作用机理；构建优化和适配的人工光合高效利用回路3~5个，并在底盘植物中实现组装和系统优化，示范性应用2~3种，明显提高植物光能吸收和利用，在现有基础上光能吸收能力提高10%，创建具有高光效特征的光呼吸支路、光保护模块；获得具有C4结构或功能的代谢调控模型，创建具有高光效特征的光呼吸支路、光保护模块；发展C4结构代谢调控模型，提高植物生物量20%~30%。
3.特定功能的合成生物系统
3.1高值化合物合成的生物途径设计构建及优化
研究内容：针对来源稀有、合成繁杂的医药中间体、精细化学品和天然产物等高值化学品，研究重要催化酶蛋白及其家族进化规律及催化机制，指导构建非天然催化和调控元件库；研究多物种来源基因和多酶体系的组装与适配机制，建立“计量、顺序、—8—
空间”可控的、高效适配的高值化合物智能设计和合成的人工生物体系，调节物质流和能量流分配，结合人工细胞膜、人工细胞器、水凝胶等材料，改造、优化人工生物体系合成高值化合物的能力和效率。
考核指标：阐释人工合成体系适配性的分子机制，获得具有高催化效率新蛋白质元件50个以上，发展3种以上多酶分子纳米尺度自组装新策略，开发出10种以上高值化学品的新合成技术，实现激素、维生素、多杀菌素、非天然氨基酸、功能糖、天然产物、多元醇和高值食品添加剂等高值化学品高效合成，2~3种实现万吨级的应用示范。
3.2多源复合途径天然产物合成的人工细胞创建
研究内容：针对单一生物不能合成的天然产物，研究其合成的生物与化学机理；开展功能基因组学研究，深度发掘其代谢“暗物质”，建立非单一生物来源天然产物的合成代谢数据库；研究非单一生物来源的天然产物代谢接力合成途径，设计、重构多源复合途径天然产物的异源组装模块，研究非天然模块、途径在微生物底盘细胞中的适配机制；创建通用型多源复合途径天然产物合成的底盘细胞，实现未知天然产物的发现及开发应用。
考核指标：阐明非单一生物来源复杂天然产物的人工生物合成机理，从分离鉴定的内生、共生和互生微生物新种中挖掘不少于100个新化合物，解析10种以上重要生理活性天然产物的生物合成途径，创建2~3种通用型复杂天然产物合成的底盘细胞，实现其
—9—
在微生物细胞中的全生物合成，突破单一物种不能合成的瓶颈。
3.3植物天然产物的途径创建
研究内容：研究重要植物天然产物生物合成途径的分子基础，发现未知关键基因与功能模块，解析天然产物生物合成的完整途径；进行合成途径重建，实现植物天然产物的微生物异源生物合成，并开展结构衍生化研究，提升功能活性；进行微生物合成植物天然产物的功效和安全评价。
考核指标：挖掘紫杉醇、雷公藤内酯等10种以上重要植物天然产物生物合成的完整途径；构建出3~5种以上高效生产植物天然产物的微生物细胞工厂，吨级发酵产量达5g/L以上。
3.4特殊酵母底盘细胞的染色体工程
研究内容：针对克鲁维酵母、毕赤酵母、汉逊酵母、耶氏酵母等特殊酵母，开展染色体工程研究；设计合成人工染色体，重构特殊酵母底盘细胞的代谢与调控网络，在染色体水平建立高效基因编辑系统；设计合成通用接口和人工调控元件，实现基因功能模块的即插即用和基因表达的精密调控；构建可用于重大市场价值的化学品、酶、疫苗等产品制备的高版本底盘细胞并开展规模化工业应用研究。
考核指标：设计合成3~4条特殊酵母人工染色体，实现蛋白分泌、氧化还原、能量代谢等途径在人工染色体上的整合、重构和调控；建立3套以上单位点或多位点基因编辑系统，单位点编辑效率超过90%；在染色体上建立通用型升级接口5套，实现各—10—
类功能模块的即插即用；构建基于人工染色体的特殊酵母高版本底盘细胞3个以上，实现5种以上外源蛋白的高效表达，表达水平达到12g/L以上，实现功能糖、糖醇、油脂等2~3种产品的规模化制备。
3.5生物活体功能材料的构建及应用
研究内容：针对可持续性技术的发展需求，利用生命体自我再生、自我修复和自适应等特点，开发具有细胞基因操纵功能的生物构筑材料和智能活体材料；实现功能分子的胞内生产和多级结构的自组装，产生形状和机械性能可调的生物构筑材料；开发和利用人工基因元器件，时空调控特异功能分子或材料在细胞层面的表达、修饰、分泌以及细胞内／外自组装，构建具有环境响应或智能调控功能的生物活体功能材料。
考核指标：建立生物构筑材料和智能活体材料的设计原则；创建3~5种不同细胞属性的活体材料细胞工厂；创建3种以上可以铸造成型，可迅速加工并可3D打印的生物构筑材料；发展5~8种具有新颖功能（传感、生物粘合、仿生矿化、抗污、仿生光子、疾病诊断和治疗等）的智能活体材料，实现活体材料在生物修复、生物医药和生物能源领域的应用推广。
4.使能技术体系与生物安全评估
4.1数字细胞建模与人工模拟
研究内容：聚焦重要模式工业微生物，构建系统化基因突变库和蛋白库，开发代谢组、相互作用组等多组学定量分析方法，
—11—
进行动力学分析测试；研究细胞物质能量代谢与细胞生长繁殖协同的基本规律和调控机制，建立基础元件、代谢与反应途径、生长与繁殖途径、转录与表达调控、分子间相互作用等综合性标准化数据库；开发多算法、多层次、多目标的细胞模拟与设计工具，开发子模型间数据融合技术以及基于多层次实验数据实现全细胞模型的训练与校正技术；开发数字细胞驱动实验设计的技术平台，并提出细胞性能改造提高的假说并加以验证。
考核指标：获得1~2个模式工业微生物的标准化生物大数据库；开发出基于大数据和动力学的2~3套细胞数学模型方法与细胞设计CAD工具，建成覆盖模式微生物细胞生命周期的全层次全功能数字细胞模型，形成集成化的人工元件、合成途径、基因回路与人工细胞的数字化模拟与全细胞计算设计的技术体系；在计算模拟基础上发现3~5种生物规律，提高模式生物细胞生长速度、葡萄糖利用速度30%以上。
4.2新蛋白质元件人工设计合成及应用
研究内容：针对自然蛋白质元件无法满足生物反应需求，结合深度学习等智能算法，研究蛋白质底物识别、催化活性、结构稳定性等分子机理，开发生物反应活性中心量化模型设计、立体选择性控制、催化动力学模拟等计算方法，发展蛋白质主链结构从头设计、全局化结构稳定改造技术；基于蛋白质序列立体构像空间规律和蛋白质结构预测，从头设计有机酸、化工醇、手性胺、天然产物等化合物的催化合成与通道运输等蛋白质新元件，创建—12—
适用于高立体选择性、高原子经济性、高效率的生物合成途径的新功能元件。
考核指标：建成1~2套新蛋白质生物元件计算设计算法，从头设计3类以上自然界不存在的全新稳定结构蛋白，构建10种以上催化非天然反应的活性中心，实现有机酸、化工醇、手性胺、天然产物等10种以上化合物生物合成的蛋白质功能元件全新设计。
4.3正交化蛋白质元件的人工设计与构建*
研究内容：针对人工蛋白质元件干扰自然生物过程，开发正交化新功能元件计算设计方法，发展人工设计与自然进化的正交化的新功能元件，开发远距离进化的正交化功能元件；开展新功能元件与人工生物体系的适配机制研究；开发正交化的信号转导途径构建方法和正交化复合物可控组装技术，并进行功能元件的应用测试研究，提高人工生物体系的物质转化与能量转换效率，促进产业化应用。
考核指标：建成正交化蛋白质生物元件设计与构建方法1~2种；构建10条以上正交化的信号传递途径和10种以上正交化的人工蛋白质复合物，实现物质转化或能量转换效率较原来提高50%以上。
4.4合成生物学生物安全研究
研究内容：分析合成生物学研发及应用过程对生命体、非生命体和生态环境造成功能损害的潜在因素。识别、评估合成生物学研究开发中的误用和滥用风险。梳理国内外相关法律法规，针
—13—
对合成生物学的风险特征和发展现状，提出符合我国国情的合成生物学法律治理对策和生物安全监管机制。参与推进建立人工合成生命研究和产业化过程中的各种国际准则与规范。
考核指标：建立一个合成生物学的生物安全风险评估框架;评估当前合成生物学研究和产业化过程的潜在风险，发布两至三期“合成生物学生物安全与安保风险评估报告”;建立合成生物技术和产品安全评估方案，包括对科研操作、产业化过程的监管，提出一套合成生物学研究开发安全管控方案；建立合成生物学生物安全国际合作机制；建立世界性“基因合成生物安全性监管”管理与操作规则。
5.部市联动项目
5.1面向合成生物系统海量工程试错优化的人工智能算法研究与应用#
研究内容：针对传统数学模型难以有效设计复杂合成生物系统的问题，建立定量描述合成生物元件及其互作网络的标准，构建基于文献报道、公共数据库、实验结果动态更新的数据信息库；利用强化学习、迁移学习、元学习等人工智能方法，指导转录调控、酶催化、免疫信号传导等对象的计算机辅助设计与自动化实验挖掘和表征，实现小数据、稀疏监督下的“设计—构建—测试—学习”工程试错策略的闭环反馈；开发图卷积网络等深度模型，研究基因型与表现型的定量关系，提高对合成生物系统模拟预测的准确度，建立根据高通量实验结果进行动态优化的人工智能算—14—
法体系。
考核指标：针对转录调控、酶催化、免疫信号传导等合成生物元件及其互作网络，建立1套定量描述的标准及对应的数据信息库；建立2~3种人工智能学习模型，用于指导海量工程试错优化的实验设计与闭环反馈；创建2~3种基于自动化测序与多谱学表征的实验技术，高通量获取5~10种合成生物元件的基因型—表现型的对应定量关系；开发2~3种深度网络模型，实现3~5种合成生物系统功能的高效预测与设计。
5.2高效生物医学成像元件库的挖掘与应用研究#
研究内容：挖掘和鉴定生物合成超声和光声造影剂的生物体系，构建生物合成医学造影剂的生物元件库；研究造影剂生物合成的分子机理与调控机制，重构细胞或微生物合成造影剂的生物合成途径；设计、创建及优化合成造影剂的人工细胞或微生物系统，建立规模化、功能化生物合成医学造影剂的关键技术和平台，探索生物合成造影剂在生物医学上的应用。
考核指标：筛选、鉴定和表征不少于10个合成超声或光声造影剂的生物体系，创建3~5个造影剂的生物合成途径，明确5~10个造影剂生物合成关键基因及其调控机制；完成5~10个高效合成造影剂的人工细胞的重构设计；获得不少于5个生物合成的造影剂或分子探针，实现生物合成造影剂在动物疾病模型中的应用。
5.3微纳生物机器人的定向合成和诊疗应用#
研究内容：针对肿瘤等重大疾病的智能诊断和精准治疗，开
—15—
展用于构建微纳机器人的智能识别和开关分子元件的定向合成技术研究。设计、开发基于工程化病毒、细菌或细胞的新一代微纳机器人组件用于在肿瘤复杂环境中的定量时空调控和精准药物递送；采用多组学分析技术结合AI智能分析技术，解析微纳机器人模块的复杂调控网络及分子作用机制；以模式动物和类器官为研究模型，建立微纳生物机器人在恶性肿瘤精准诊疗应用过程中的理论基础和机制研究。
考核指标：获得10~20种基于糖/肽合成、点击化学反应、聚集诱导发光效应等智能识别和开关分子元件，建立5~10种原位定向合成功能元件的活细胞工厂；获得5种以上的基于工程化病毒、细菌或细胞的新一代微纳机器人组件；建立5~10种微纳生物机器人的时空调控回路和分子作用机制；发明2~3种基于微纳生物机器人模块的肿瘤精准诊疗新策略。
5.4关键分子靶点核素标记探针的设计合成
研究内容：针对恶性消化系统肿瘤中重要的分子靶点，设计并合成符合放射性药物质量要求的核素标记新型抗体探针；开展核素标记抗体探针的理化性质及稳定性等的体外表征，并进行探针在动物模型中的亲和性的定量和定性测试；开展核素标记探针的临床实验，研究探针的靶向治疗疗效及耐药情况，为克服肿瘤异质性及指导精准治疗提供重要技术平台。
考核指标：针对胃癌、食管鳞癌、肝癌和胰腺癌等设计合成5种以上核素标记抗体探针，完成理化性质鉴定和安全性评价；建—16—
立至少4种恶性消化系统肿瘤PDX模型，并在每种PDX模型中开展相应核素标记抗体探针的临床前研究；完成至少3核素标记抗体探针的临床试验。
—17—
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/e218848237.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/e218848237.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
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
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
合成生物学在工业微生物菌种优势最小基因组改造中的应用 随着许多生物体全基因组测序的完成，兴起了最小基因组的研究，即一个能独立生活的生物体最少需要多少个基因。对最小基因组的研究将深入了解生命起源、生物进化和生物代谢调控；并在此基础上，以人类的意愿合成自然界不可能产生的生命体。依据核糖体RNA 序列，现存的生命形式被分为3个域，即真细菌、古细菌和真核生物。这些生物的遗传物质都是核酸，其基因组大小变化很大，从数十万碱基对到几十亿碱基对不等；所含基因数目则为数百乃至数万。而原核生物的基因组较小，基因结构和基因调控网络相对简单。因此最小基因组的研究主要以原核生物为研究对象。 细胞是生命活动的基本单位，细胞生命的3大特征是维持正常代谢平衡、进行繁殖（自我复制）以及进化。所谓最小基因组就是维持细胞三大特征的必需基因数，尽管不同物种间总基因数目变动很大，但维持自由生活细胞的必需基因数目大约为300个左右，相应的基因组大小约为300~400 kb。随着技术的进步，以大规模高通量分析为特征的各种组学应运而生，包括基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学等，这些新生的研究体系将基因组复制、基因转录、翻译和基因调控网络、蛋白质相互作用和物质能量代谢等不同层次的的信息相互关联，以揭示错综复杂的生命活动。生物信息学、计算生物学和系统生物学就是为整合和诠释这些海量的数据而产生的，其重要性也日益突出。在人类基因组测序完成的后基因组时代，最小基因组的确切大小仍是未解之谜。与此同时，人工建立最小基因组的工作已经开始进行，其中最为突出的成果是“人造细胞”的诞生。 1 鉴定必需基因和最小基因组的方法 在一个生物体包含的全部基因中，有一部分是必需基因，必需基因是现代生物学研究的重中之重。必需基因是指在一定环境条件下，维持某种生物体的生命活动所必不可少的基因。这些基因所编码蛋白质的功能被认为是生命的基础，其突变通常是致死性的。由于细菌自身的特性，细菌特定基因的必要性还取决于环境条件。因为寄主细胞内环境条件稳定，营养供应充足，由此使得细胞内共（寄）生细菌细胞结构和代谢途径通常极度简化，细胞壁退化乃至消失。目前发现细菌Carsonellaruddii的基因组最小，仅为160 kb，基因分布非常致密，有182 个开放阅读框，90％的相邻开放阅读框间有所重叠。总体而言，细菌的必需基因是合成细胞结构成分、信息传递和加工不可或缺的基因。确定必需基因和最小基因组的方法主要有比较基因组学和系统性基因失活法。 1.1 比较基因组学方法 相对而言，原核生物基因组简单，重复序列较少，因此短枪测序法适合于微生物基因组测序。其基本思路是必需基因应该是在细菌基因组中非常保守的基因，而非必需基因则不会在所有基因组中出现。美国国家生物技术信息中心（NCBI）的Mushegian和Koonin通过对流感嗜血杆菌和生殖支原体基因组的比较分析，发现大约256个基因为两者所共有的保守基
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/e218848237.html, 收稿日期：2012-07-16
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
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、
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
生物技术132 孟庆猛1309011066 合成生物学中那些不得不说的技术 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。 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。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；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。Dymond 等的研究更进了一步，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。
合成生物学的未来展望 合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科，近年来合成生物物质的研究进展很快。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。 传统的生物学是通过解剖来了解生命体以及其内部构造的，而合成生物学恰恰相反，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。重塑生命是合成生物学的核心思想。该学科致力于从零开始建立微生物基因组，从而分解、改变并扩展自然界在35亿年前建立的基因密码。此外，还可以通过人工方式迫使某一细菌合成氨基酸。合成生物学是基因工程中一个刚刚出现的分支学科，它吸引了大批的生物学家和信息工程师致力于此项研究。 一些专家提出应该制造一个配备有生物芯片的细胞机器人，让它在我们的动脉中游荡，检测并消除导致血栓的动脉粥样硬化。还有一些研究人员认为，运用合成生物学还可以制成各种各样的细菌，用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等。恩迪还提出，可制造一种生物机器用来探测化学和生物武器，发出爆炸物警告，甚至可以从太阳中获取能量，用来制造清洁燃料。但是也有一些谨慎的研究人员认为，合成生物学存在某些潜在危险，它会颠覆纳米技术和传统基因工程学的概念。如果合成生物学提出的创建新生命体的设想得以实现，科学家们就必须有效防止这一技术的滥用，防止生物伦理冲突以及一些现在还无法预知的灾难。 合成生物学将催生下一次生物技术革命。目前，科学家们已经不局限于非常辛苦地进行基因剪接，而是开始构建遗传密码，以期利用合成的遗传因子构建新的生物体。合成生物学在未来几年有望取得迅速进展。据估计，合成生物学在很多领域将具有极好的应用前景，这些领域包括更有效的疫苗的生产、新药和改进的药物、以生物学为基础的制造、利用可再生能源生产可持续能源、环境污染的生物治理、可以检测有毒化学物质的生物传感器等。 合生生物学的商业化应用是必然趋势，但多数还要等到几年之后才能实现。即便如此，研究人员已经在利用合成生物体来研制下一代清洁的可再生生物燃料以及某些稀缺的药物。第一代合成微生物是合成生物学的简单应用，它们可能与目前利用DNA重组的微生物类似，其风险评估或许不成问题，因此，对立法者的挑战较少。但随着合成生物学技术不断走向成熟，又可能研制出复杂的有机体，其基因组可能由各种基因序列（包括实验室设计和研制的人工基因序列）重组而成。尽管其风险和风险评估问题与经过基因修饰的生物体引发的问题类似，但对于这类复杂的合成微生物来说，找到上述问题的答案要困难得多。 今后几年，合成生物学将在以下几个方面取得重要进展。 一是更多的合成生物学零件及模块会得到表征及标准化；更复杂、更精细的合成基因线路会在原核生物及真核生物中得以应用。 DNA合成技术是支撑合成生物学发展的重要技术之一，其在基因及调控元件的合成、基因线路和生物合成途径的重新设计组装，以及基因组的人工合成等方面都具有重要的应用。近几年来，DNA合成技术发展很快，成本越来越低。目前,DNA芯片发展有两大趋势:其一是以Affymetrix公司为代表的向高密度基因芯片发展,争取把人类所有基因探针都固定在一块芯片上,其发展将对生物学的基础研究起到革命性的推动,并有可能在将来引发新 的革命;另一种发展是以Nanogen公司为代表的过程集成化趋势,由于在实际临床诊断及军事、司法应用中,大多数情况下并不需要高密度的DNA芯片,而是要求便携式、灵活、速度快和成本低,因此,发展这种高集成、中低密度的DNA芯片可以在近几年进入市场并发挥社会效益。
生物合成技术 生物技术，又称生物工程或生物工程技术，是生物科学与工程技术相结合而形成的新学科。生物技术主要包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程。基因工程又称为重组DNA技术，是通过人工操作，在分子水平上进行基因重组、改造和转移，以获得具有新的遗传特性的细胞，合成人们所需物质的技术过程。酶工程是酶的生产与应用的技术过程。即是通过人工操作，获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其催化功能的技术过程。细胞工程是在细胞水平上改变细胞的遗传特性或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。发酵工程又称为微生物工程，是在人工控制的条件下，通过微生物的生命活动而获得人们所需物质的技术过程。发酵方式主要分为固体发酵和液体发酵两大类。生物技术可以定向改造生物、加工生物材料，有目的地利用生命过程，广泛应用于医药、农林牧渔、生态、轻工食品、化工、能源、材料、海洋开发及环境保护等领域，涉及面广，促进传统产业的改造和新型产业的形成。 实验1 大肠杆菌感受态细胞的制备及转化 一、实验目的 1. 学习氯化钙法制备大肠杆菌感受态细胞的方法。 2. 学习将外源质粒DNA转入受体菌细胞并筛选转化体的方法。 二、实验原理 转化是将异源DNA分子引入另一细胞品系，使受体细胞获得新的遗传性状的一种手段，它是微生物遗传、分子遗传、基因工程等研究领域的基本实验技术之一。 转化过程所用的受体细胞一般是限制-修饰系统缺陷的变异株，即不含限制性内切酶和甲基化酶的突变株。受体细胞经过一些特殊方法处理后，细胞膜的通透性发生变化，成为能容许外源DNA分子通过感受态细胞。在一定条件下，将外源DNA分子与感受态细胞混合保温，使外源DNA分子进入受体细胞。进入细胞的DNA分子通过复制、表达实现遗传信息的转移，使受体细胞出现新的遗传性状。将经过转化后的细胞在选择性培养基中培养即可筛选出转化体。 本实验以E. coli DH 5α菌株为受体细胞，用氯化钙处理受体菌使其处于感受态，然后在一定条件下与pBR322质粒携带有抗氨苄青霉素和抗四环素的基因，因而使接受了该质粒的受体菌也具有抗氨苄青霉素和抗四环素的特性，常用Amp r，Tet r符号表示。将经过转化后的全部受体细胞经过适当稀释后，在含有氨苄青霉素抗四环素的平板培养基上培养，只有转化体才能存活，而未受转化的受体细胞则因无抵抗氨苄青霉素和四环素的能力都被杀死，所有带有抗药基因的质
CBD Distr. GENERAL UNEP/CBD/ COP/12/20 28 August 2014 CHINESE ORIGINAL: ENGLISH 生物多样性公约缔约方大会 第十二届会议 2014年10月6日至17日，大韩民国平昌 临时议程*项目24 合成生物学：最新报告 执行秘书的说明 导言 1. 在第XI/11号决定中，缔约方大会注意到就保护和可持续利用生物多样性新的和正在出现的问题提出的建议。 2. 确认与合成生命、细胞或基因组相关的技术的发展及其对于保护和可持续使用生物多样性潜在的影响的科学不确定性，缔约方大会敦促各缔约方，并邀请其他国家政府依照《公约》序言和第十四条，在根据国内法律和其他相关国际义务处理由合成生物学生成的生物体、组成部分和产品对生物多样性的大量减少或丧失构成的威胁时，采取预防性办法。 3. 缔约方大会还请执行秘书： (a) 邀请各缔约方、其他国家政府、相关国际组织、土著和地方社区及其他利益攸关方根据第 IX/29号决定第11和12段，提交关于有可能给生物多样性的保护和可持续利用造成影响的由合成生物技术生成的组成部分、生物体和产品以及相关社会、经济和文化因素的相关补充资料； (b) 汇编并综合现有相关信息以及连带的信息； (c) 考虑在《公约》及其《议定书》以及其他涉及合成生物技术生成的组成部分、有机物和产品的其他相关协定的适用规定可能存在的差距和重叠之处； (d) 依照第IX/29号决定第13段，将上述信息进行综合，包括分析如何将第IX/29号决定第12段所规定的标准适用这一问题，并提交供同行审查以及随后由科学、技术和工艺咨询附属机构会议在举行缔约方大会第十二届会议之前进行审议。
第五章-微生物代谢试 题及答案
第五章微生物代谢试题 一．选择题： https://www.doczj.com/doc/e218848237.html,ctobacillus是靠 __________ 产能 A. 发酵 B. 呼吸 C. 光合作用 答 :( ) 50781.50781.Anabaena是靠 __________ 产能. A. 光合作用 B. 发酵 C. 呼吸 答 :( ) 50782.50782.________是合成核酸的主体物。 A. 5----D 核糖 B. 5----D 木酮糖 C. 5----D 甘油醛 答 :( ) 50783.50783.ATP 含有： A. 一个高能磷酸键 B. 二个高能磷酸键 C. 三个高能磷酸键 答 :( ) 50784.50784.自然界中的大多数微生物是靠 _________ 产能。 A. 发酵 B. 呼吸 C. 光合磷酸化 答 :( ) 50785.50785.酶是一种 __________ 的蛋白质 A. 多功能 B. 有催化活性 C. 结构复杂 答 :( ) 50786.50786.在原核微生物细胞中单糖主要靠 __________ 途径降解生成丙酮酸。 A. EMP B. HMP C. ED 答 :( ) 50787.50787.参与脂肪酸生物合成的高能化合物是 __________。 A.乙酰CoA B. GTP C. UTP 答 :( ) 50788.50788.Pseudomonas是靠 __________ 产能。 A. 光合磷酸化 B. 发酵 C. 呼吸 答 :( ) 50789.50789.在下列微生物中 __________ 能进行产氧的光合作用。 A. 链霉菌 B. 蓝细菌 C. 紫硫细菌
浅谈合成生物学 The Basic Of Synthetic Biology 姓名： 刘志洋指导老师： 吴敏 蓝田学园工学1117班 刘志洋 3110101731
浅谈合成生物学 The Basic Of Synthetic Biology 3110101731刘志洋 [摘要]:合成生物学是从人们长期以来对生命的了解和认识发展而来的，是科学研究经历积累、酝酿和萌发后水到渠成的结果，体现了对生命科学知识从学习了解到自由运用的转变；体现了对生物系统研究从拆解与还原到拼装与整合与转变；体现了对生命的认识从敬畏和膜拜到剖析和创造的转变。本文将从合成生物学研究进展、微生物基因组的合成重构、天然产物的生物合成及合成生物学在酶的定向进化中的应用等方面进行介绍，并展望合成生物学将为生物科学研究带来的巨大变化。 [关键词]：合成生物学，基因，细胞，遗传，分子。 [Abstract] Synthetic biology is from people to life long knowledge and understanding, It is science research experience accumulation, brewing and germination of success will come after the results. Reflecting life science knowledge by learning to understand the free use of transformation. Reflecting biological systems research and reduction to the assembled from disassembled and integration and change. Reflecting life from the understanding of the fear and worship to analyze and create change. In this paper, we will talk about the research progress of synthetic biology. And looking for the great changes synthetic biology will bring us. [Key words] Synthetic Biology genes cell DNA heredity. 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：Hsyntheticbiology．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
合成生物学的真实前景 科学家快能制造生命了，但如此一来，结果怕是有好有坏 “我预见过的未来，都已成为现实。” 最近，当我在听克雷尔文特尔（合成基因组学和合成生物学的领军人物之一）演讲时，这句话再次浮现在我脑中。每次听到这方面的演讲，就像跨进了人工控制领域的新阶段，会觉得连“创造生命”都已成为uguoqu 看看问雷格文特尔（J.Craig V enter Institute）取得的进展吧：2003年，该研究所的科学家合成噬菌体phiX174;2007年，他们通过基因组移植，成功地把一种细菌变成另一种；最近，他们又开发出一套方法，可以合成生殖道支原体的圈套基因组。 在今天的计数面前，2001年完成的人类基因组计划就像史前文明。过去5年中，不仅基因测序的费用和速度比计算机芯片发展得更快，科学家利用生物、化学手段合成新型复杂生命体的能力也产生了翻天覆地的变化。包含在合成基因中的指令可以移植到外源细胞中，这些细胞则会根据指令，合成相应的蛋白质，而这些蛋白质又能构建出拥有上述基因指令的生命体的功能性拷贝。文特尔把这个循环称为“能为自己制造硬件设备的软体系统”。我期待很快就能听到这样的信息：科学家从零开始，成功制造出第一个完全由人工合成的生命形式——在科学家完成装配前，它是没有生命的。 半导体纳米技术已经“领跑”科学界十多年，但我相信，在能改变生命和社会的生物技术面前，纳米技术将相形见绌。想象一下，科学家借自然之力，设计出的生命系统会对人类产生多大的影响：从产油细菌，或能吞食CO2，制造出生物不可降解的塑料建材的微生物，到能在手术中大发神威，专门对付癌细胞的生命体，它们将完成天然生命体完全无法完成的任务。我希望在未来50年内，驱动世界经济向前发展得不再是计算机信息，而是生物技术制造的软件系统。 当然，正如蜘蛛侠所说：“能力越大，责任越大。”现在，黑客制造的各种计算机病毒，是不是会让庞大的计算机网络“瘫痪”一次。当我们有能力制造出有序排列的DNA序列时，也预示着躲在暗处的DNA黑客可能会威胁到全世界的安全——不管他们又心还是无意，都可能制造出爱波拉病毒，或让1918年的流感病毒再现人间。这两种致命微生物的基因序列，都比文特尔合成的生殖支原体短得多。我们不妨设想，如果出现了能抵抗现有所有疫苗的病毒，将会多么可怕！ 有些人担心，新的生命形式会攻击地球上的所有生命，或者说，至少会攻击人类。这可能是杞人忧天。生命已在地球上存在了30多亿年，它们是如此“抢答”。在过去几十亿年里，在各种可能病原体的锤炼下建立起了抢答的防御体系，几乎没有一种突变能琴艺瓦解这个体系。相对而言，文特尔坚持的“自然产生的疾病比人工产生的新型病更危险”的观点，似乎更令人信服。 然而，直到最近，对基因信息的无限制复制都几乎没有任何监控措施。不过，随着合成复杂生命系统的能力不断提高，科学界开始实施一套自发形成的非官方闲置体系，比如不能将具有潜在致命性的生物体的基因片段用于商业目的。目前，建设合成生物学实验室所需知识和技术已经超出恐怖分子的能力范畴，他们还无法用合成生物学相关技术来危害社会。不得不