合成生物学

合成生物学北京化工大学生命科学与技术学院主讲人：袁其朋提纲思考应用研究合成生物学简介研究基础合成生物学Science,1911,33卷，两篇文章中出现“SyntheticBiology”1980年，《基因外科术：合成生物学的开始》，出现在德文杂志上。2000年后，合成生物学一词开始大量被使用。2004年，合成生物学技术被美国MIT出版的《TechnologyReview》评为将改变世界的10大新技术之一。合成生物学对现有的、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。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。特点：模块化标准化系统化——特定的输入，精确而特定的输出合成生物学组件（devices）元件（parts）系统（systems)PlactetROpLacRepressorTetRepressorOOOOOOOOOOMetabolicreactionsDNA目标：改造现有生物系统，增添新功能；创造人工生命系统合成生物学合成生物学OECD预测：至2030年，将有35%的化学品和其它工业产品来自生物制造工业39%农业36%医药25%2030年：生物技术的经济贡献与环境效益生物制造已显示出巨大潜力合成生物学BCC发布数据：40个国家开始规划合成生物学蓝图。在美国之后，英国、欧盟国家、加拿大、中国、日本、韩国等国家开始大量投入对合成生物学的支持。合成生物学美国2012年4月，发布《国家生物经济蓝图》，指出未来的生物经济将依赖于合成生物学、蛋白组学和生物信息学等前沿技术。提出五大战略目标欧盟2010《认清合成生物学在欧洲发展的潜力：科学机遇和良好的管理》英国2012年7月发布了《合成生物学路线图》，指出了英国在发展世界领先的合成生物学研究的目标和潜力。合成生物学：为工业生物技术产业提供了新思路与新技术BCC的一项评估中指出，全球合成生物学的市场将从2011年的16亿美元增至2016年的108亿美元。合成生物学生物能源生物基产品及材料天然药物环境保护乙醇、丁醇、丁二醇、异丁醛、异戊二烯、脂肪酸烷烃、烯烃青蒿素、紫杉醇、4-羟基香豆素蛛丝蛋白、生物塑料、卤代甲烷除草剂检测及降解、石油降解应用领域合成生物学JamesCLiaoUCLA，化学与生物分子工程学教授研究领域：能源及化学品的生物合成代谢工程及系统生物学转录及代谢网络分析脂肪酸生物合成多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、PNAS、JACS、MetabolicEngineering等杂志上合成生物学基于合成生物学原理，Liao领导的课题组利用光能、水和CO2、蛋白水解物等清洁能源或废弃物，通过微生物作用，生产丁醇、丙醇、脂肪酸等生物能源。合成生物学JayDKeaslingUC,Berkeley.化学工程系，教授研究领域：天然产物的生物合成代谢工程及系统生物学生物燃料的生物合成微生物生理学多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、PNAS、JACS、MetabolicEngineering等杂志上合成生物学由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就，被美国“发现”杂志评选为2006年度最有影响的科学家，该项目也获得Gates基金会4300万美元的资助。目前青蒿酸产量达到25g/L，为工业微生物学奠定基础。合成生物学JaffHastyUC,SanDiego.化学工程系，教授研究领域：合成生物学系统生物学细胞信号转导微流体设计多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、PNAS、ACS、MolecularCell等杂志上基因钟、生物霓虹灯、代谢震荡器三个突破性研究发现为传统的合成生物学研究注入了新的活力为合成生物学的工业化大规模应用奠定了基础合成生物学合成生物学Biobrick生物部件生物装置生物系统底盘生物4.人工细胞5.菌群、群落1.基本基因结构单元2.特定标准化模块3.逻辑拓扑结构信息转化合成生物学基本零部件合成生物学项目编号项目名称首席科学家承担单位2011CBA00800人工合成细胞工厂马延和中国科学院微生物研究所2012CB721000微生物药物创新与优产的人工合成体系冯雁上海交通大学2012CB721100新功能人造生物器件的构建与集成赵国屏中科院上海生科院2012CB725200用合成生物学方法构建生物基材料的合成新途径陈国强清华大学2013CB734000合成微生物体系的适配性研究张立新中国科学院微生物研究所2013CB733900抗逆元器件的构建和机理研究林章凛清华大学2014CB745100微生物多细胞体系的设计与合成元英进天津大学新途径、新模块构建竞争性、非必要支路敲除基因水平—拷贝数（高低）转录水平—启动子（强弱型，敏感型）翻译水平—核糖体结合位点（强弱）融合蛋白支架蛋白模块构建、最小化基因组模块适配性研究表达系统改造研究策略模块构建β-胡萝卜素异源合成途径涉及MEP模块、β-胡萝卜素合成模块、PPP模块、TCA循环模块及ATP合成模块。大肠杆菌中产量高达2.1g/L研究策略JingZhao,XueliZhang,etal.MetabolicEngineering,2013(17):42–50.竞争性支路敲除研究策略醋酸合成途径的敲除，使目标产物2,3-丁二醇产量由3g/L提高至10g/L。减少不必要的基因，达到最小化基因组的目的XiaolinShen,QipengYuan,etal.JournalofIndustrialMicrobiology&Biotechnology.2012,39(11),1725-1729.研究策略基因水平适配性的研究不同拷贝数的模块相互组合达到最佳生产模式。PengXu,MattheosA.G.Koffas,etal.NatureCommunications.DOI:10.1038/ncomms2425转录水平适配性的研究使用甲硫氨酸阻抑型启动子，抑制ERG9表达。紫穗槐产量：4.4mg/L到153mg/L压力响应型启动子实现基因时序性表达研究策略Dae-KyunRo,JayDKeasling,etal.Nature,2006(4):940-943.RobertHDahl,JayDKeasling,etal.Naturebiotechnology,2013:1039-1048.翻译水平适配性的研究选择不同的RBS序列，脂肪酸产量提高了46%研究策略PengXu,MattheosA.G.Koffas,etal.NatureCommunications.DOI:10.1038/ncomms2425融合蛋白1、一些分子数小的多肽基因常采用融合的方法与某一基因相连，以增加在体内表达后产物的稳定性。2、两个分子串连融合以提高效率。3、与分泌性蛋白的信号肽基因组成融合基因，以使表达产物分泌到膜外或胞外。研究策略各种融合蛋白的组合初始产量为0最终达到365mg/LYongjinJ.ZongbaoZhao,etal.JournaloftheAmericanChemicalSociety,2012(1):3234−3241.支架蛋白信号转导系统存在一种本身不具备酶活性的蛋白质—支架蛋白，其作用类似分子胶水，将功能相关的蛋白粘合在一起，从而保证了信号传递的特异性和高效性。研究策略甲羟戊酸产量提高77倍JohnEDueber,JayDKeasling,etal.NatureBiotechnology,2009(8):753-761.双质粒共转化酿酒酵母（EBY100）pRS-celE-celA-245416.7kbPGItdocScelEalpha-factorTEF1pCYC1tdocexgS2454alpha-factorPGKpTPI1tcelAalpha-factorTEF2ppYD-ScaI-ScaII10.8kbMAT(alpha)tADH1tGAL1AGA2ORFLinkerOlpB-1OlpB-2OlpB-3OlpB-4GAL10alpha-factorCipACipCCbpAdoc(CipA)25个基因纤维素乙醇的生物合成纤维素利用降解为单糖？直接利用生产乙醇？化工大学基础磷酸膨胀纤维素磷酸膨胀纤维素重组EBY100原始EBY100第一次实现酿酒酵母的双支架表面展示技术首次实现重组酿酒酵母对结晶纤维素的降解LihaiFan,TianweiTan,etal.PNAS2012,109(33):13260-13265纤维素乙醇的生物合成酵母生产乙醇达1412mg/L化工大学基础4-羟基香豆素的生物合成香豆素（coumarin）强大的HIV-1逆转录酶抑制剂，FDA已经批准进入三期临床，4-羟基香豆素是重要的抗凝血药物前体。10个外源基因，首次成功人工合成4-羟基香豆素首次利用功能学的生物勘探技术得到FabH型喹啉铜合成酶，消除生物合成的瓶颈。化工大学基础4-羟基香豆素的生物合成改造外源基因、调节上下游模块表达、敲除竞争代谢支路4-羟基香豆素的摇瓶产量达到480mg/L。YunhengLinQipengYuan,etal.NatureCommunications2013,DOI:10.1038/ncomms3603.化工大学基础粘糠酸的生物合成XinxiaoSun,QipengYuan.AEM2013,79(13):4024-4030设计2条全新的粘糠酸生物合成途径粘糠酸摇瓶产量为389mg/L对关键酶的大量同工外源酶进行了筛选获得活性最高的两个酶-paantABC和ppcatA化工大学基础粘糠酸的生物合成通过弱化冗余基因的手段，将一株苯丙氨酸高产菌改造成水杨酸高产菌。水杨酸摇瓶产量可达1179.92mg/L,超过了其最小抑菌浓度化工大学基础粘糠酸的生物合成将代谢途径分成3个模块，优化了粘糠酸的生产，最高产量可达1.5g/L。XinxiaoSun,QipengYuan.Metabolicengineering2014,23:62-69化工大学基础未来工作C大宗化学品的生物合成途径，包括待设计的未知途径，可用于构建目标产物的合成模块。ABCB大宗化学品的生物合成途径A精细化学品的生物合成途径合成生物学人类=造物主？道德伦理、生物环境生物武器、专利与垄断重点掌握：合成生物学的研究内容及特点合成生物学的研究思路及方法思考：合成生物学的研究方向人类与合成生物学的关系