合成生物学汇总.49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。

02
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

基因回路的设计与构建
总结词
基因回路的设计与构建需要遵循一定的原则和方法，包括元件选择、元件组装、回路测试等步骤。
详细描述
基因回路的设计与构建是合成生物学中的重要技术之一。设计时需要选择合适的元件，并考虑它们之 间的相互作用和调控机制。构建时需要将这些元件组装在一起，并测试回路的性能和功能。此外，还 需要对构建的基因回路进行优化和改进，以提高其稳定性和调控精度。
应用
合成生物学在许多领域都有广泛的应用，如药物研 发、生物能源、环境保护等。
合成生物学的研究领域
80%
基因回路
基因回路是合成生物学中的重要 组成部分，它涉及基因表达的调 控和信号转导等方面。
100%
人工细胞
人工细胞是合成生物学中的另一 个重要领域，它涉及细胞结构和 功能的重构和优化。
80%
系统生物学
特点
合成生物学具有跨学科性、工程化、模块化、可编程性和可预测 性等特点，它通过将生物系统分解为可预测的组件，实现人工生 物系统的设计和构建。
合成生物学的发展历程
起源
合成生物学起源于20世纪70年代，随着基因工程的 兴起和分子生物学的深入研究，人们开始尝试设计 和构建人工生物系统。
发展
随着计算机科学和工程学的进步，合成生物学逐渐 形成了自己的理论体系和实践方法，并在近年来得 到了快速的发展。
03
合成生物学在基因回路中的应用
基因回路的设计优化
总结词
通过优化基因回路的元件和连接方式，提高基因 表达的准确性和稳定性。
总结词
利用计算机模拟和实验验证相结合的方法，对基 因回路进行设计和优化。
详细描述
在合成生物学中，基因回路的设计是关键环节之 一。通过对基因回路的元件进行优化，如增强启 动子、优化转录因子等，可以提高基因表达的准 确性和稳定性，从而更好地实现基因回路的功能 。

枯草芽胞杆菌利用QS系统对细胞的发育进行调控 当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展； 营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。
15.4 展望
2004年合成生物学被美国MIT出版的《技术评论》评为“将改变世 界的10大新技术之一”。
美国生物经济研究协会2007年发表了题为《基因组合成和设计未来： 对美国经济的影响》的研究报告。
生命体代谢途径的重新构建
微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用E.
coli生产1000多种人类蛋白。
代谢途径改造----调节核心组件优化途径 不同的生物学途径提取出来 优化整合到宿主细胞 合成目标化学物质
1. 生物质能和乙醇发酵微生物
E. Coli 的乙醇代谢重组菌：
具有五碳糖和六碳糖代谢酶系 混合酸发酵 乙醇耐受能力低
将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功能的生 物系统。
器件 device
生物部Байду номын сангаас part
模块 module
系统
system
合成生物学的研究方向
1、创建新的基因调控模块和线路
各种蛋白质、DNA、RNA的相互作用形成复杂的 表达调控网络。通过构建非天然的基因调控模块 设计构建细胞生命活动的分子网络。
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
Venter的实验
三个步骤：合成、组装和移植
合成 ：
蕈状支原体的基因组是一条大片段的DNA分子，序列是 A、T、G、C四种脱氧核糖核苷酸的排列组合。
通过实验确定维持其生命周期的最小基因组，并加上4个 “水印基因”作为标记。
4. 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

2
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
3
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。
10
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。
8
φX174噬菌体合成步骤示意图
9
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。
3
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

• 既能在酵母菌中复制也能在 大肠杆菌中复制，所谓酵母 菌—大肠杆菌穿梭载体。
15
YAC载体
首先用EcoRI和BamHI双 酶切割，获得均具 BamHI和EcoRI切割末端 的两个DNA片段(双臂) ，随后把两端具EcoRI 切割末端的外源DNA与 此双臂连接，构成酵母 人工染色体。用电激仪 把此人工染色体转化酵 母受体细胞。
Science Volume 355(6329):eaaf4704
March 10, 2017
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Synthetic Yeast 2.0
• Building the world‘s
first
synthetic
eukaryotic
genome
together！
Dr. Jef Boeke
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目录
synV设计原理 人工设计基因组原则 PCRTags 引入新序列 Cre-LoxP重组酶系统 组装
Cre-LoxP重组酶系统 Cre重组酶 于1981年从P1噬菌体中发现，基因编码区序列全长1029bp。 一种位点特异性重组酶，能介导两个LoxP位点（序列）之 间的特异性重组，使LoxP位点间的基因序列被删除或重组
25
Cre-LoxP重组酶系统
• Cre-LoxP重组酶系统 – LoxP（locus of X-over P1）序列：
删除
逆转录转座子
换位
Elements
替换
将TAG替换为TAA
引入
不变
Gene order
端粒重复部分 内含子
tRNA基因 部分同义密码子替换 LoxP Sym sites
PCRTags
Noncoding regions
• 利用密码子简并性实现

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人工设计基因组原则
删除
逆转录转座子
换位
Elements
替换
将TAG替换为TAA
引入
不变
Gene order
端粒重复部分 内含子
tRNA基因 部分同义密码子替换 LoxP Sym sites
PCRTags
Noncoding regions
• 利用密码子简并性实现
基本理念： 优化基因组，减少不稳定和冗余结构
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⑤在两个末端序列中间，有 一段填充序列(HIS3)，以便 pYAC4在细菌细胞中稳定 扩增；
⑥Amp抗性及细菌质粒复制 原点；
⑦一个EcoRⅠ克隆位点，该 位点位于酵母菌Sup4 tRNA 基因内。
13
选择标记--Sup4
• Sup4基因编码赭色抑制Trp-tRNA，抑制赭色表型(成 为白色)。
筛选第一受体的克隆子，一般采用抗菌素抗性 选择标记；
筛选第二受体的克隆子，常用与受体互补的营 养缺陷型。
10
人工酵母染色体克隆载体的构建
YAC(酵母人工染色体)克隆载体是最早构建成功 的人工染色体克隆载体。
将酵母染色体DNA的端粒(TEL)、DNA复制起点 (ARS)和着丝粒(CEN)以及必要的选择标记(HISA4和 TRPl)基因序列克隆到大肠杆菌质粒pBR322中，构建 成YCA克隆载体。
Science Volume 355(6329):eaaf4704
March 10, 2017
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Synthetic Yeast 2.0
• Building the world‘s first synthetic eukaryotic genome together！
Dr. Jef Boeke

1. 载体构建、目的基因表达
采用常用分子克隆技术，如PCR 扩增、酶切、 连接和转化等构建质粒表达载体 。
将表达载体转化宿主菌E. coli DHGT7 ，接入含相应抗生素 (Kn、Cm 均为25 μg/mL) 的 液体LB培养基中，37 ℃培养 至OD600 =0.3~0.4 ，加入 0.2 ％ L-阿拉伯糖诱导，继续培 养4~5 h 。取菌体全蛋白作 SDS-PAGE 分析,以 pET28a 为对照。结果在约56 kDa 处 有可见的紫穗槐-4,11- 二烯合 酶 (ADS) 的条带 。
由于大肠杆菌仅存在DXP途径，为避免对内源途 径的影响，后面引入了异源的 MVA途径来提高前 体供给。
3. 构建异源MVA途径
以低拷贝质粒pACYCDuet-1 的骨架为基础，PCR 扩增质粒pET3b 的多克隆位点 (MCS)，并通过 PCR 引物引入NotⅠ和Apa Ⅰ限制性酶切位点，将 PCR 扩增的MCS序列连接到pACYCDuet-1 的Sph Ⅰ和Eco R Ⅰ之间，构建了具有特殊 MCS的质粒 载体pAOC3ANL，用于多基因合成途径的构建。
将粪肠球菌来源的mvaE、mvaS、MD 和ispA与
ADS 分别构建在质粒载体pAOC3ANL 和pET28a 上，得到表达载体pAOC3-ES-MD 和pET28-ispAADS，共转化E. coli DHGT7 ，摇瓶培养48 h ， 紫穗槐-4,11- 二烯产量达到151 mg/L，是利用内源 FPP的13.3 倍。
合成生物学如何创造生命
用A 、G 、C 、T 为代表的化学物质人工合成 DNA(脱氧核糖核酸) 片段, 由DNA片段合成基因, 再由基因组合成生物模块, 然后装配成“人造基因 组”, 最终在实验室里创造出全新生物体。

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

• ②生产能源物质氢 • Zhang 等人用13 个已知酶组成一个新的非天然的催化体
系，建立催化途径, 将淀粉和水在一般条件下产生氢, 并 通过燃料电池产生电能
• ③利用合成生物学技术生产生物柴油。 • 佛大学医学院教授Church发起成立了LS9 可再生石油公司,
试制生物柴油燃料, 并已取得了一些进展,且获得了美国 MIT《技术评论》2007 年度的TR35最高奖
◆ 不同人工模块转录调控 机制是否一致
固有基因 底盘生物
◆ 人工模块与底盘生物的 转录调控、密码子使用、 蛋白表达等是否一致
“系统优化”原则
科学问题3：功能模块之间及与底盘微生物的适配耦联机理
10
所选重要模式微生物具有重要应用价值
所选模式微生物在环境、能源和医学等领域有着重要的应用 价值，对解决国家重大需求具有深远的战略性意义。
各种模式微生物块
人工模块 人工模块 人工模块
◆ 从模式微生物中 如何选择功能模块
◆ 如何优化人工 模块的功能
◆ 如何优化人工 模块的插入
科学问题2：功能模块的设计、优化与重构原理
9
科学问题提炼： 如何实现功能模块和底盘的互配？
人工模块
◆ 不同人工模块通过表达的 蛋白、代谢物等是否相互影 响干扰
第九章 合成生物学
• 合成生物学中底盘生物的构建与功 能模块的集成表达
背景
人类基因组计划 1990年 模式生物基因组计划
两重意义: ( 1 ) 新的生物零件、组 件和系统的设计与构建 ( 2) 对现有的、天然存在 的生物系统的重新设计
合成生物学
衍生出
转蛋代 录白谢 组质组 学组学
学
产生了
交叉学科
生物信息学 系统生物学

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。
02
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