第15章-合成生物学综述

LOGO第15章合成生物学内容1.合成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。DNA合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应用，为合成生物学奠定基础。20世纪提出的概念用现有的有机化学和生物化学的合成能力设计非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥功能。通过合成的方法来理解自然的生命体系，构建创造新的人工生命体。美国基因组学先驱克莱格·凡特，在他位于马里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期15年的研究项目中，已成功制造出全球首个“合成细胞”，一种称为丝状支原体的细菌。（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。PersonalizedMedicinePhysicalenhancement:荷尔蒙,义肢的使用EnhancingEvolution:使人聪明的药Bionicman生化人Better,stronger,faster15.2合成生物学的研究方法和工具（1）合成生物学的研究方法工程领域中所有的单元部件都具有独立功能，可以互换，容易进行模块化得组合，即从零件到器件再到系统。合成生物学包含工程学的理念，任何一个生命体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。2004年，美国就成功在一位半身不遂的男性患者大脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑里的意志力就可以操作电脑，能发送电子邮件。未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑控制手臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部分控制的假肢。标准化抽象化复杂系统去偶合DrewEndy(MIT)合成生物学工程化三原则：EndycreatedthecomicbookAdventuresinSyntheticBiologytohelpexplainhisworktostudentsandotherscientists.标准化从可更的换部件库，快速构建多组分体系，包括建立生物学功能、试验的检测条件及系统做出等通用、便捷的标准。不同部件间要进行标准化来实现“即插即用”的性能。2003MIT成立了标准生物部件登记处，数据库收集了3200个标准化生物学部件。将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立的简单问题。复杂系统去偶合抽象化：将生物功能单元划分为不同层次。DNA、RNA、蛋白质、代谢物相互作用系统（2）合成生物学的组成工具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。生物部件part器件device系统system模块module标准生物部件具有特定生物学功能的基因编码元件启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序列、终止子15.3合成生物学的研究方向15.3.1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。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报告基因诱导物A阻遏物A启动子B启动子A阻遏物B诱导物B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FT13）大肠杆菌成像系统将细菌改造成感光胶片，像素1平方米1亿像素分辨率。将藻胆青素合成基因(ho1和pcyA)转入大肠杆菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素PCB。lacZompCpromoterPCBBlackPCBPCB15.3.2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绿色植物和海洋藻类合成的有机物（生物质）约2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍。可用于发酵生产乙醇的部分微生物及其主要底物酵母或细菌可发酵的主要底物酵母酿酒酵母(S.cervisiae)葡萄糖、果糖、半乳塘、麦芽糖、麦芽三糖和木酮糖卡尔斯伯酵母(S.carlsbergensi)葡萄糖、果糖、半乳塘、麦芽糖、麦芽三糖和木酮糖鲁氏酵母(S.riuxii)〔嗜高渗透压)葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖粟酒裂殖酵母(S.pombe)葡萄糖、木糖胞壁克鲁维酵母(K.fragilis)葡萄糖、半乳糖、乳糖乳酸克鲁维酵母(K.lactis)葡萄糖、半乳糖、乳糖嗜单宁管囊酵母(P.tannophilus)葡萄糖、木糖休哈塔假丝酵母(C.shehatae)葡萄糖、木糖假热带假丝酵母(C.pseudotropicalis)葡萄糖、半乳糖、乳糖热带假丝酵母(C.tropicalis)葡萄糖、木糖、木酮糖树干毕赤酵母(P.stipitis)葡萄糖、木糖细菌运动发酵单胞菌(Zymomonasmobilis)葡萄糖、果糖和蔗糖热纤维梭菌(C.Thermocellum)(嗜热)葡萄糖、纤维二糖和纤维素热硫化氢梭菌(C.Thermohydrosulfricum)(嗜热)葡萄糖、木糖、蔗糖、纤维二糖淀粉布氏热厌氧菌(Thermoanaerobiumbrickii)(嗜热)葡萄糖、蔗糖、纤维二搪乙酞乙基热厌氧杆菌(Thermobacteriumacertoethylicus)葡萄塘、蔗糖、纤维二糖酵母的乙醇代谢工程酿酒酵母是工业上生产乙醇的优良菌株，与细菌相比具有较高的乙醇耐受力，对纤维素水解液中的抑制物有较高的抗性。缺点酿酒酵母缺乏木糖转化为木酮糖所需的酶，因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。对其菌种改造涉及木糖跨膜运输、吸收利用、磷酸戊糖途径、糖酵解及胞内氧化还原状态的维持等多个方面。酵母的木糖代谢工程运动发酵单胞菌的乙醇代谢工程大肠杆菌的乙醇代谢工程EMP主要优势大肠杆菌能够利用非常广泛的碳源，其中包括六碳糖(葡萄糖，果糖)和五碳糖(木糖，阿拉伯糖)以及糖酸等物质，这一特性使得大肠杆菌能利用木质纤维素降解产生的各种糖类，同时又由于大肠杆菌遗传背景清楚，因此在原核微生物乙醇代谢工程以及木质纤维素的高效利用中具有重要的研究价值。大肠杆菌的乙醇代谢工程大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题1.大肠杆菌乙醇耐受能力低2.乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中的表达研究不够充分3.竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效的转化成乙醇梭菌诱导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的化学品利用来自多种生物的基因及用来生产脂肪酸的生化途径,用合成生物学方法创造出一些代谢模块,插入微生物后,通过不同的组合,这些模块可以诱导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的化学品。他们通过计算,设计制造出微生物以所希望的方式生产并分泌出长度及分子结构符合公司要求的烃分子。不需要能耗非常高的乙醇精馏技术,从而可使能耗降低65%;由于采用了合成生物学与系统生物学创造微生物这种尖端技术,而且这种石油烃是可再生的、清洁的、国内可生产的、成本可竞争的、与现有的汽车发动机及汽油供应系统是可兼容的.29岁的Berry获得了MIT“技术评论”2007年TR35的最高奖(2007InnovatoroftheYear)。用合成生物学方法创造的微生物进入发酵罐培养生长2.青蒿酸合成线路的设计构建疟疾典型的疟疾多呈周期性发作，表现为间歇性寒热发作。发作时先有明显的寒战，全身发抖，面色苍白，接着体温迅速上升，达40℃或更高，面色潮红，全身大汗淋漓，大汗后体温降至正常或正常以下。经过一段间歇期后，又开始重复上述间歇性定时寒战、高热发作。每年5亿人感染，100万死亡。目前最有效的是青蒿素，生产周期长、成本昂贵。中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物。Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌中，改造获的E.coli青蒿酸的产量300mg/L。困难：难以预计的复杂性这一工作几乎是150人一年工作的结果，这些工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能基因组合在一起的运作机制。由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就,Keasling被美国“发现”杂志评选为2006年度最有影响的科学家。该项目已经获得比尔-梅林达盖茨基金会4300万美元的资助,进行进一步的实验室研究、中试、临床实验等后续工作。3.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。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建一条非天然的催化路径。淀粉+水H215.3.3最小基因组与合成生物学合成生物学最终目标：合成独立的可遗传的人工生命体人工生命的基本要素具有膜系统能进行新陈代谢具有自己的基因研究最简化生命的两种方法1.从下而上：从核苷酸合成新生命体。2.从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。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不同物种间基因组的移植将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。丝状支原体分离转化酵母基因组改造移植酵母载体插入到细菌基因组中甲基化2.最小基因组的构建Blattnerj小组删除大肠杆菌基因组的15%（高达82Kb）,细菌仍保持了良好的生存状态。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。电穿孔Endy小组用12kb人工合成的DNA取代野生T7基因组中的11kb的非必须DNA构建新的生命体。最小基因组优点选择性的保留所需的代谢途径和功能；成为合成基因网络理想的容器；为插入模块提高最简单无干扰的环境。理想的细胞底盘应具备的条件①长期培养中保持基因稳定②能够在低营养培养基中生长以降低成本③同时协调多基因的表达④能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径15.3.4构建多细胞体系多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。群体效应：微生物通过自身产生的一种化学信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的行为。细菌QS系统作用细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境中的变化。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。细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。该项研究可用来探测地雷位置：靠近地雷时细菌发绿光；远离地雷时则发红光。让·维斯是麻省理工学院计算机工程师伦理问题和争议我们制造生命后，会不会肆意对待所有生命，包括人类生命？生物防护问题：使用合成的致死的和有毒的病原体进行恐怖主义袭击、生物战或种种恶意使用。合成生物学这种目的的使用包括生产生物武器例如新的或改变了的致病病毒或细菌；制造产生毒素的合成有机体。LOGOThankYou!复习第一章多肽和蛋白质1.蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。2.氨基酸仅有20种，且均属L型氨基酸。3.多肽合成原理？4.化学合成多肽方法？5.固相多肽合成步骤①多肽的C端氨基酸通过li