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●维基百科全书：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。●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。合成生物学的定义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基因、基因组和基因组学:基因(Gene)：遗传功能的单位，是编码蛋白质或RNA分子的一段DNA序列.基因组(Genome，来自Gene+chromosome)所有DNA分子的总和（分子遗传学定义）基因组学(Genomics)：研究基因组结构与功能的科学合成生物学发生与发展的学科基础数学物理学工程学生物学计算机科学化学信息学合成生物学生物质能环境修复精细化学品食品原料生物材料生物传感器生物计算机应用合成生物学的研究内容生物大分子的合成与模块化生物基因组的合成、简化与重构合成代谢网络遗传/基因线路的设计与构建细胞群体系统及多细胞系统研究数学模拟和功能预测123465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。•验证和深化对于生物现象的理解“合成”将是“分析”的必要补充。成功固然会帮助我们建立合成生物学的基本原则和生物系统的工程化技术；失败也是人类的理解与自然生物本质间存在鸿沟的直接佐证，并会为我们如何更好的理解和运用源自于自然的技术提供指引。•合成生物学区别于现有生物学其他学科的主要特点是“工程化”•2004年ScientificAmerican杂志发表了题为“合成生命”一文,以图文并茂的形式阐述了合成生物学的内涵及工程性质•2005年MIT的Endy发表了“工程生物学的基础”的综述论文,明确提出工程中常用的“标准化”、“复杂系统解耦”、“概念抽象化”做法,并清楚地将合成生物学涉及的生物系统分成DNA、零件、装置、系统这样4个层次•2006年ScientificAmerican以“THEBIOFABGROUP”(生物制造研究组,包括合成生物学领域的9位领军人物)为作者,发表了“工程生命:组建生物制造”的长篇分析评论性文章,在正文开始之前用大字突出强调:从有关工程领域的成功经验中所学到的原理及实践可帮助将生物技术从专门的工艺转化为一个成熟的工业。•美国普林斯顿大学电子工程系与分子生物学系的Weiss等发表了题为“合成生物学:对于一个刚出现学科的新的工程作用”的综述。概括了合成生物学新学科的基本性能以及与其它工程学科相比的独特性;讨论了从生物装置、模块、细胞到多细胞系统各个层次进行设计和建造工程细胞的方法•Panke等发表了“合成生物学-将工程置入生物学”的述评,归纳出合成生物学的研究框架,特别突出了系统设计与系统加工制造的重要性。对于作为合成生物学支撑技术的加工制造,包括标准化克隆、从头DNA合成、提供工程底盘机架(chassis)等，进行了详细讨论。为了减少生物系统的复杂性,一个选择是减小宿主(这里比作chassis)的基因组———即构建出“最小基因组”,以便用于合成生物学研究•美国杜克大学生物医学工程系You的研究组及美国哈佛医学院系统生物学系Silver的研究组最近分别发表了题为“经由设计的生物学:细胞组分及特性的还原与合成”及“设计生物系统”的综述,突出体现了“设计”在合成生物学中的重要作用。•Barrett等人评述了系统生物学与合成生物学的关系,强调指出系统生物学是基因组尺度合成生物学的基础。从化学工程和电子工程得到的借鉴•通常人们认为DNA遗传密码是指挥控制生命的软件(software),而细胞膜及细胞内所有的生物机器被认为是生命的硬件(hardware,在合成生物学中也常称为wetware)。•这种对生命系统软件与硬件的认识可以借助于电子工程(大规模集成电路技术、电子计算机硬件与软件技术等)的研究方法、基本技术与工具。•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。•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(humanpractices)•在建造计算机时,重要的是将全部模块装置(例如:母板、盘驱动器、输入输出部件等)集成到底盘机架内。•对于合成生物学来说,创建一个细胞底盘机架(cellularchassis)用来安装我们设计的生物零部件是非常重要的。在细胞底盘机架中可以集成来自各个子系统的信号以使其有复杂的细胞功能。细胞底盘机架必须为细胞生长及组件工作提供各种组分,应该有各种标准的连接,而且足够稳定以便能在工业上应用。大肠杆菌可以认为是一个性能优良的微生物,可用作一个细胞底盘机架。工程化研究策略•自上至下（逆向工程）和自下至上（前/正向工程）。自上至下策略主要用于分析阶段，试图利用抽提和解耦方法降低自然生物系统的复杂性，将其层层凝练成工程化的标准模块。自下至上的策略是指通过工程化方法，利用标准化模块，由简单到复杂构建具有期望功能的生物系统的方法。关键的工程化概念•标准化–建立生物功能的定义、建立识别生物部件的方法及标准生物部件的注册登记•解耦–将复杂问题分解成许多相对简单的、可以独立处理的问题，最终整合成具有特定功能的统一整体的过程•抽提–包括建立装置和模块的层次，允许不同层次间的分离和有限的信息交换、开发重设计的和简化的装置和模块、构建具有统一接口的部件库1.6合成生物学与相关生物学科•与遗传工程的关系又称基因工程，在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。•与生物信息学的关系“信息爆炸—知识匮乏”合成生物学强调生物系统的设计和优化基因工程合成生物学将个别外源基因转移到某生物基因组内，使之能表达有益的蛋白质从头设计和构建自然界中不存在的人工生物体系较少使用数学工具在设计和构建人造生物体系时广泛使用各种数学工具来进行模拟，使得设计和构建的生物体系能正常工作在基因工程的实施过程中由于只转移个别外源基因，一般较少或不进行细胞网络分析改变了“转移一个基因，表达一种蛋白质”的模式，而通常是转移一组基因，因而要在更大规模更多层次上涉及到细胞网络，如代谢网络等与分子生物学和细胞生物学的关系•分子生物学在分子水平上研究生命现象的科学。通过研究生物大分子(核酸、蛋白质)的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质。研究内容包括各种生命过程。比如光合作用、发育的分子机制、神经活动的机理、癌的发生等•细胞生物学以细胞为研究对象，从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水平等三个层次，以动态的观点，研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的生活史和各种生命活动规律的学科。•合成生物学利用分子和细胞生物学的研究成果设计和重新构造新的生物分子、遗传线路乃至具有崭新功能的细胞，并在此基础上验证和检验分子和细胞生物学的理论。合成生物学研究举例•“合成生物学”2004年被美国MIT出版的“TechnologyReview”评为将改变世界的10大新出现的技术之一（10EmergingTechnologiesThatWillChangeYourWorld）。短短几年的实践已经证明该预见的正确性。•通过使用自然界提供的简单模块，许多合成生物学研究者在进行两方面的研究：建立有用装置；研究可以取代自然生物系统的人造生物系统。这些进展主要涉及如下几方面：（a）合成振荡器和开关；（b）人造细胞－细胞相互作用系统；（c）工程化的信号转导系统；（d）代谢途径工程；（e）通过蛋白质工程制造的新型生物传感器；（f）最小细胞及合成基因组。这方面的进展已经有许多专门的综述。（1）青蒿素的生物合成美国UCB化学工程系教授、劳伦斯国家实验室合成生物学中心主任Keasling本科曾获得化学与生物学双学位，后来又获得化学工程博士学位。所以在他从事代谢工程及合成生物学的研究中能很好地将化学、生物学、化学工程学相结合。在他从事抗疟疾药的生物合成研究中，始终把细胞当作微生物制药工厂（Microbialdrugfactories），进行设计、加工、集成、组装、控制。体现在合成生物学技术上包括DNA的合成、来自细菌、酵母及植物（青蒿Artemisiaannua）等多种基因及代谢途径的组装、多基因的精密调控等。他们关于抗疟疾药物生物合成的研究成果先后发表在2003年NatureBiotechnology和2006年的Nature上。合成生物学研究举例基因线路的应用举例什么是基因线路？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。线路如何设计？蛋白质1的表达抑制了蛋白质2的表达，系统只有蛋白质1存在；反之，蛋白质2的表达抑制了蛋白质1的表达，系统只有蛋白质2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大肠杆菌照相术美国加州大学旧金山分校的合成生物学家C.Voigt设计基因线路当有红光照射时（相当于被摄物体的光亮部分），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，菌苔生成一种黑色沉淀物大肠杆菌计算机•烧饼问题设想有一摞大小各不相同，烤面和背面任意取向的烤饼，欲把所有烤饼按从大到小的顺序排好，同时要求所有烤面朝上，规定每步只许改变一个或几个相邻烤饼的位置和方向，问最小要操作多少步才能完成任务6个烧饼-46080种排列组合12个烧饼-1.9万亿种排列组合生物学家的解决方案美国Davidson学院的K.Haynes用长短和方向(5’→3’或3’→5’)各不相同的DNA片断来代表烤饼。由重组酶Hin/hix来完成“烤饼”的换位和方向改变。设计一个基因线路，使当“烤饼”按要求排好后，抗四环素基因表达，反之则不表达。然后把这种工程化的大肠杆菌大量繁殖，使一个培养皿中达到数亿个菌体。每个细菌都是一部“计算机”，各自独立、互不干扰的进行“计算”。一段时间后用四环素处理菌体，没有完成排序任务的细菌都被杀死了，剩下的只有完成排序任务的菌体。从一开始到找到完成任务的菌体所需时间模拟了最少操作步数。大肠杆菌砷探测器•在世界各地尤其是孟加拉国，饮用水中砷或亚砷酸盐往往超标，危害数百万人的身体健康。世界卫生组织(WHO)要求饮用水砷或亚砷酸盐的浓度不得超过10ppb。现有的砷检测方法难以达到这一精度。•英国爱丁堡大学的合成生物学家设计了专用于检测砷的基因线路。在有低浓度砷或亚砷酸盐时(约5ppb)，培养液呈中性；当有高浓度或亚砷酸盐时(约20ppb)，培养液呈酸性，pH值可达5以下，可利用pH试纸或者pH指示剂检测。1.4生物系统的层次化结构•生物系统的层次化结构是合成生物学工程化本质的又一典型体现。•具有一定功能的DNA序列组成的最简单的BioBrick称为基因部件-Part。不同功能的基因部件按照一定的逻辑和物理连接组成复杂的生物装置-Device，不同功能的Device协同运作组成更加复杂的生物系统-System．含有多种不同功能System的生物体彼此通讯互相协调组成再复杂些的多细胞或细胞群体生物系统。1.4.1Part•遗传系统中最简单、最基本的生物积块称为生物部件-Part。•Part是指具有特定功能的核苷酸或者蛋白质序列，能够通过标准化组装方法与其他Part组装成具有更复杂功能的模块。•Part按照其功能可以划分为终止子、蛋白质编码基因、报告基因、信号传递组件、引物组件、标签组件(tag)、蛋白质发生组件、转换器、启动子等类别。•每一个Part都有一个标准的名字编码，我们可以很方便地从一块DNA元件的名字编码中判断出它在具体生物过程中所发挥的功能。常