第15章 合成生物学96页PPT

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 ＤＮＡ（脱氧核糖核酸），由ＤＮＡ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，并在2003年开创了一个全新的 研究领域——合成生物学。
异构化等的氨基酸，促进蛋白质结构与功能的研究。
应用示例
• 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。
控制生命
• 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。
• Wimmer从装配平均长度为69 bp的寡核苷酸入手，结合了化学合成与无细胞体系的从头 合成，用了3 年时间完成了这个划时代的工作。
Venter 实验室发展了合成基因组
• Φ X-174 噬菌体基因是单链环状 DNA，是历史上第一个被纯化 的DNA 分子，也是第一个被测序的DNA分子。
• Φ X- 174 噬菌体对动植物无害，是合适的合成研究对象。
• 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。
应用示例
• Schultz 实验室研究向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添入 新组份，使之能通过基因生成非天然的氨基酸，结果取得 了成功。但是要在真核细胞做到这一点还有难度。

基因组学 (Genomics)：研究基因组结构与 功能的科学
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合成生物学发生与发展的学科基础
生物
生物 质 能 计算机
生物传 感器
应用
生物材料
精细 化学品
环境修复
食品 原料
合成生物学
信
计 生工 物
息化 算 物程 理 数
学学
机 科
学学 学
学
学
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合成生物学的研究内容
1 生物大分子的合成与模块化 2 生物基因组的合成、简化与重构 3 合成代谢网络 4 遗传/基因线路的设计与构建 5 细胞群体系统及多细胞系统研究 6 数学模拟和功能预测
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合成生物学的意义
• 加速合成生物系统工程化的进程
需要工程化、标准化的策略，将研究人员从日复一日 的重复性操作中解脱出来。
● 简单地说，合成生物学是通过设计和构建自然界中不存
在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题。
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基因、基因组和基因组学:
基因 (Gene)：遗传功能的单位，是编码蛋 me，来自Gene + chromosome) 所有DNA分子的总和（分子遗传学定义）
• 就像技术人员现在用标准化的、现成的电子元件组 装成计算机一样, 合成生物学工作者预计有一天, 工 程师可以将充分表征的生物原件组装成健壮的宿主 生物体, 其具有特定的生物功能。
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• 美国国家自然科学基金资助的合成生物学 工程研究中心( SynBERC) 为此确定出4 个研 究开发方面: 零件( parts) 、装置(devices )、 底盘机架(chassis ) 和人工实践( human

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合成生物学基本技术
基因编辑技术
基因编辑技术是指通过特定的手 段对生物体的基因组进行精确的 修改，以达到改变其性状的目的 。
基因编辑技术的发展对于人类疾 病治疗、农业生产、生物多样性 保护等方面具有重要意义。
目前最常用的基因编辑技术是 CRISPR-Cas9系统，它能够实现 对基因组的精准定位和高效编辑 。
基因合成技术的发展对于人类疾病治疗、生物制药、农业育种等方面具有重要意义 。
生物信息学技术
生物信息学技术是指利用计算机科学和 数学的方法对生物数据进行分析、处理 和挖掘的技术。
生物信息学技术是合成生物学中的重要技术 之一，它能够实现对生物数据的快速处理和 深度挖掘，为合成生物学的研究提供重要的 数据支持和理论指导。
人工合成噬菌体基因组
总结词
开创性、潜力巨大
详细描述
人工合成噬菌体基因组是一项开创性的工作，展示了合成生物学在解决全球性问题上的 巨大潜力。噬菌体是细菌的天敌，通过人工合成噬菌体基因组，有望为未来的抗菌治疗
提供新的策略和工具。
人工合成生物钟基因组
总结词
挑战性、应用前景广阔
详细描述
人工合成生物钟基因组是一项极具挑战性的 任务，其成功实现了对生物钟的精确调控。 这一成果不仅有助于深入了解生物钟的机制 ，还为未来的生物技术应用提供了广阔的前 景，如优化农作物产量、提高动物养殖效益 等。
特性
合成生物学具有跨学科性、创新性、 系统性和工程性等特性，它旨在通过 设计和构建人工生物系统来解决实际 问题，改善人类生活和环境。
研究领域与方向
研究领域
合成生物学的研究领域包括基因和细胞工程、代谢工程、生物信息学和系统生物学等。
研究方向

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合成生物学是指人们将“基因”连接成网络，让细 胞来完成设计人员设想的各种任务。
TNT-生物传感器 该研究可用来探测地雷位置
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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1.0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。
现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。
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合成生物学开辟了设计生命的前景
一方面有可能合成模仿生命物质特点的人工 化学系统；
另一方面也可能重新设计微生物
– 如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实验室研究向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添 入新组份，使之能通过基因生成非天然的氨基酸，结果取得 了成功。但是要在真核细胞做到这一点还有难度。
2003年，Schultz 实验室报道了一种向酵母加 入非天然氨 基酸密码子的方法，成功地向蛋白质中导入了5 种氨基酸。
目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已有80多种。 今后将可以直接向蛋白质导入顺磁标记、金属结合、光 敏异构化等的氨基酸，促进蛋白质结构与功能的研究。
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φX174噬菌体合成步骤示意图
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合成生物学国际会议
2004 年6 月在美国麻省理工学院举行了第一届 合成生物 学国际会议。
会上除讨论了科学与技术问 题外，还讨论了合成生物学 当前与将来的生物学风险，有关伦理学问题，以及知识产权 问题。
随着这个领域的发展，对于合成生物学的安全性的考虑 愈来愈多。

药物、治疗疾病。
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生物制造
利用合成生物学技术生产生物材料、 药物和可再生能源等。
环境保护
利用合成生物学技术解决环境问题， 如生物降解、废水处理等。
合成生物学的未来展望
发展趋势
合成生物学将继续发展，拓展 应用领域，推动技术创新。
挑战和遇
合成生物学面临伦理、安全等 挑战，需要加强监管和法律支 持。
可能影响的领域
结论
合成生学是一门重要的交叉学科，它具有广泛的影响和应用前景，但也需要 注意其伦理和法律问题，促进其健康发展。
合成生物学有望对医疗、工业、 农业等领域产生重大影响。
合成生物学的伦理和法律问题
1 生命伦理问题
修改基因是否涉及道德 和伦理问题，需要慎重 对待。
2 安全问题
3 监管和法律问题
合成生物学技术的滥用 可能导致安全风险，需 要建立严格的安全措施。
应建立合成生物学的监 管和法律体系，保障科 研和商业活动的合法性 和安全性。
《合成生物学》PPT课件
合成生物学是研究如何设计和构建新的生物系统的学科，结合了生命科学、 工程学和计算机科学的知识与方法。
什么是合成生物学？
合成生物学是通过改造、设计和构建基因组、细胞和生物体来实现新功能的 交叉学科。它来源于人们对生命的理解和对技术的发展。
合成生物学建新的基因组和 生物系统。
CRISPR-Cas9系统
一种用于基因组编辑的工具，具有高效、简 单和精准的特点。
基因编辑技术
通过CRISPR/Cas9等工具对基因序列进行精 准编辑，实现基因组定点改造。
人工基因调控系统
设计和构建基因调控元件，实现精确控制基 因的表达。
合成生物学的应用
1

6、应用与挑战
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。 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。
3、合成生物学发展现状
1、科林斯（BU） “套环开关”，所选择的细胞功能可随意开 关 2、埃罗维茨等（UC) 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，打开了 利用生物分子进行计算的大门
3、合成生物学发展现状
3、维斯和阿诺尔（Caltech） 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
6、应用与挑战
合成生物学无疑会推动生物燃料、特种化 学品、农业和药物等方面的进步。但这个 新兴领域的进一步发展对政府的监管提出 了严峻挑战。科学家们已经开始关注合成 生物学研究的风险问题。最受关注的莫过 于生物安全问题
6、应用与挑战
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。
合成生物学简介
孙丽风 WCG
引言ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
I’m J. Craig Venter
Lady Gaga—— Entertainment
“Lady Gaga”—— Science
J. Craig Venter

tRNA反密码子 第1位碱基
I
U G AC
mRNA密码子 第3位碱基
U, C, A A, G U, C U G
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Robert W. Holley 1922~1993
Har Gobind Khorana
1922~
Marshall W. Nirenberg
1927~2010
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968
• 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录 单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关
的蛋白质，为多顺反子(polycistron) 。
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原核生物的多顺反子
5 PPP
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真核生物的单顺反子
5 mG - PPP
蛋白质
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蛋白质
非编码序列
核蛋白体结合位点
编码序列
起始密码子
终止密码子
"for their interpretation of the genetic code and
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its function in protein synthesis"
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二、核糖体是多肽链合成的装置
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原核、真核生物核蛋白体的组成
4. 通用性(universal)
▪ 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生 物到人类都通用。
▪ 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、 植物细胞的叶绿体。
▪ 密码的通用性进一步证明各种生物进化 自同一祖先。

合成生物学的基本研究思路
利用生物零件(parts)，如启动子、核糖体结合位点、 核糖核酸(RNA)、酶编码基因等组装成装置 (devices)，即代谢途径或调解环路，并将装置进一 步组建成生命系统(systems)，包括根据人类的意愿 从头设计合成新的生命过程或生命体，以及对现有生 物体进行重新设计。
利用微生物自身已有的代谢途径的前提下引入外源模块；
②再将来自大肠杆菌、酵母、青蒿多种基因及其代谢途径组装与 精密调控；
2了0第21一年个5月具，有文人特造尔基成因功组地的来将活人自细工胞青合。蒿成的的支细原体胞基色因组素转入到除原基因组的山羊支原体细胞内，获得了具有自我复制和生存能力的新菌株，制造出
引入植物青蒿的amorphadiePne4合5成0酶氧(AD化S)还基因原，克酶隆青蒿类植物转化amorphadiene为青蒿酸的细胞色素P450氧化还原酶等
群模块合成、模块组装)以及人造细胞合成，它们能在从分子到细胞、从组织到机体的多个水平上参与包括遗传与进化在内的复杂生物学。
2000年Kool在美国化学学会年会上重新提出合成生物学概念；
来自青蒿
合成生物学的两个基本方向
1911年7月8日，在著名医学刊物《柳叶刀》发表的一篇书评中合成生物学一词首次出现“合成生物学”；
③最后执行所需功能的途径生产出青蒿酸；
其能够杀伤大肠杆菌以前及时转化为Amorphadiene，
2000年Kool在美国化学学会年会上重新提出合成生物学概念；
Keasling利用合成生物学的手段，
合成生物学是以生命科学理论为指导，以工程学原理进行遗传设计、基因组改造(重组染色体)和(或)合成(包括赋予各种复杂生物功能为单位的基因
例 ：青蒿素的生产
来自青蒿

发展
近年来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，合成生物学的发展非常迅 速。未来，合成生物学将在医药、能源、环境、农业等领域发挥越来越重要的作 用。
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合成生物学基础知识
基因与DNA
基因
基因是生物体内携带遗传信息的 最小单位，负责编码蛋白质或 RNA分子。
DNA
DNA是生物体的主要遗传物质， 由四种不同的脱氧核糖核苷酸按 照特定序列组成。
伦理、法律与社会影响
伦理问题 合成生物学可能引发基因歧视和基因操纵问题。
合成生物学可能对生物多样性产生威胁。
伦理、法律与社会影响
• 合成生物学可能引发人类对自身 定义的挑战。
伦理、法律与社会影响
法律问题 需要明确合成生物学研究成果的产权归属和利益分配。
缺乏针对合成生物学的相关法律法规和监管机制。 需要制定针对合成生物学技术的安全评估和审查标准。
生物燃料的生产
总结词
合成生物学技术可以用于设计和构建 高效的生产菌株，以生产生物燃料， 如生物柴油、乙醇等。
详细描述
通过合成生物学技术，可以设计和构 建能够高效转化原料的微生物菌株， 以生产生物燃料。这些生物燃料具有 可再生、环保、高效等优点，可以替 代传统的化石燃料。
环境污染治理
总结词
合成生物学技术可以用于设计和构建能 够降解污染物、净化环境的微生物菌株 。
《合成生物学》课件
• 合成生物学简介 • 合成生物学基础知识 • 合成生物学的应用 • 合成生物学的挑战与前景 • 实验与实践
01
合成生物学简介
定义与特点
定义
合成生物学是一门跨学科的领域，它结合了生物学、工程学和计算机科学的知 识，通过设计和构建人工生物系统来进行研究和应用。

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
Church 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
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
LO生物学的发展历史及概念 2. 研究方式和工具 3. 合成生物学的研究方向 4. 展 望
15.1 合成生物学的发展史及概念
（1）合成生物学的发展史 1978年 Skallka在对限制性内切核酸酶的评论中 第一次预言了合成生物学的诞生。
1980年 Hobom引入了合成生物学的的名词来描述 基因重组技术。
（2） 合成生物学 合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚
出现的一个分支学科。
目的在于设计和创造新的生物组件和体系， 对现有的生物体系进行重新设计。从基本的生物 组件构建复杂的人工生命体系，对整个生命过程 进行重新设计、改造、构建。
合成生物包含的内容
基因合成 构建人工生命体
基于现有的 天然生物组件， 设计构建有新功 能的生物体系。
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
诱导物B
阻遏物 B 启动子A
报告基因
启动子B 阻遏物A
诱导物A
❖ 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FT1

最具争议的美国著名科学家克雷格·文特尔宣布，他的研究小组已 经合成出人类历史上首个人造染色体，并有可能创造出首个永久 性生命形式，以此作为应对疾病和全球变暖的潜在手段。
该研究部分由美国能源部出资，希望藉此研制出新型环保燃料。 由文特尔召集，诺贝尔医学奖获得者汉密尔顿·史密斯领导的研究 小组在这方面已经进行了5年研究。
后来虽然断断续续出现过多次, 但在1980 年第一次以“基因 外科术:合成生物学的开始”为题出现在德文刊物的一篇长篇 论文。 Hobom,B. [Gene surgery:on the threshold of synthetic biology],Medizinische Klinik, 1980,75(24):834-841.
“这是人类自然科学史上一次重大进步，显示人 类正在从阅读基因密码走向有能力重新编写密码， 这将赋予科学家新的能力，从事以前从未做过的 研究。”
– 他希望这项突破有助于发展新能源，应对气候变化造 成的负面影响。如创造出具有特殊功能的新微生物， 可被用作替代石油和煤炭的绿色燃料，或用来帮助清 除危险化学物质或辐射等；还可用来合成能吸收过多 二氧化碳的细菌，为解决气候变暖贡献力量。
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。
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。
控制生命
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。
波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一 种“套环开关”，所选择的细胞功能可随意开 关。