第八章合成生物学.ppt

LOGO现在学习的是第1页，共52页内内 容容1.合成生物学的发展历史及概念合成生物学的发展历史及概念2.研究方式和工具研究方式和工具3.合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向4.展展 望望现在学习的是第2页，共52页15.1 合成生物学的发展史及概念合成生物学的发展史及概念（1 1 1 1）合成生物学的发展史）合成生物学的发展史）合成生物学的发展史）合成生物学的发展史1978197819781978年年年年 SkallkaSkallkaSkallkaSkallka在对限制性内切核酸酶的评论中第一次在对限制性内切核酸酶的评论中第一次在对限制性内切核酸酶的评论中第一次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。预言了合成生物学的诞生。预言了合成生物学的诞生。预言了合成生物学的诞生。1980198019801980年年年年 HobomHobomHobomHobom引入了合成生物学的的名词来描述基因重组引入了合成生物学的的名词来描述基因重组引入了合成生物学的的名词来描述基因重组引入了合成生物学的的名词来描述基因重组技术。技术。技术。技术。DNADNADNADNA合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应用，为合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应用，为合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应用，为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。合成生物学奠定基础。合成生物学奠定基础。合成生物学奠定基础。现在学习的是第3页，共52页2020世纪提出的概念世纪提出的概念世纪提出的概念世纪提出的概念 用现有的有机化学和生物化学的合成能力设计用现有的有机化学和生物化学的合成能力设计用现有的有机化学和生物化学的合成能力设计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。非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥功能。非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥功能。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，构建创造通过合成的方法来理解自然的生命体系，构建创造通过合成的方法来理解自然的生命体系，构建创造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。新的人工生命体。新的人工生命体。新的人工生命体。现在学习的是第4页，共52页 美国基因组学先驱克莱格美国基因组学先驱克莱格凡特，在他位于马里凡特，在他位于马里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期兰州和加州的实验室，科研人员在其为期15年的研究年的研究项目中，已成功制造出全球首个项目中，已成功制造出全球首个“合成细胞合成细胞”，一种称为，一种称为丝状支原体的细菌。丝状支原体的细菌。现在学习的是第5页，共52页（2 2）合成生物学合成生物学合成生物学合成生物学 合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的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。一个分支学科。一个分支学科。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。现有的生物体系进行重新设计。从基本的生物组件构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、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。改造、构建。现在学习的是第6页，共52页 合成生物包含的内容合成生物包含的内容 基因合成基因合成构建人工生命体构建人工生命体 基于现有的基于现有的天然生物组件，天然生物组件，设计构建有新功设计构建有新功能的生物体系。能的生物体系。现在学习的是第7页，共52页15.2 15.2 合成生物学的研究方法和工具合成生物学的研究方法和工具（1）合成生物学的研究方法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，容易进行模块化的组合，即从零件到器件再到系互换，容易进行模块化的组合，即从零件到器件再到系统。统。现在学习的是第8页，共52页 合成生物学包含工程学的理念，任何一个生命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体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。合。现在学习的是第9页，共52页 20042004年，美国就成功在一位半身不遂的男性患者大年，美国就成功在一位半身不遂的男性患者大年，美国就成功在一位半身不遂的男性患者大年，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脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑里的意志力就脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑里的意志力就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。可以操作电脑，能发送电子邮件。可以操作电脑，能发送电子邮件。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未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑控制手未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑控制手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。臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部分控制的假肢。臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部分控制的假肢。臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部分控制的假肢。现在学习的是第10页，共52页标准化标准化抽象化抽象化复杂系统去偶合复杂系统去偶合Drew Endy(MIT)合成生物学工程化三原则：合成生物学工程化三原则：合成生物学工程化三原则：合成生物学工程化三原则：现在学习的是第11页，共52页 标准化标准化 从可更换的部件库，快速构建多组分体系，包括建立从可更换的部件库，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通用、便捷的标生物学功能、试验的检测条件及系统做出通用、便捷的标准。准。不同部件间要进行标准化来实现不同部件间要进行标准化来实现“即插即用即插即用”的性能。的性能。现在学习的是第12页，共52页 2003 MIT成立了标准生物部件登记处，数据库成立了标准生物部件登记处，数据库收集了收集了3200个标准化生物学部件。个标准化生物学部件。http:/partsregistry.org现在学习的是第13页，共52页现在学习的是第14页，共52页现在学习的是第15页，共52页 将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立的简单将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立的简单问题。问题。复杂系统去偶合复杂系统去偶合现在学习的是第16页，共52页 抽象化：将生物功能单元划分为不同层次。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、蛋白质、代谢物相互作用相互作用系统系统现在学习的是第17页，共52页（2）合成生物学的组成工具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。物系统。生物部件生物部件part器件器件device系统系统system模块模块module现在学习的是第18页，共52页 标准生物部件标准生物部件 具有特定生物学功能的基因编码元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、启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序列、终止子终止子现在学习的是第19页，共52页现在学习的是第20页，共52页15.3 合成生物学的研究方向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创建新的基因调控模块和线路 各种蛋白质、各种蛋白质、DNADNA、RNARNA的相互作用形成复杂的表达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。胞生命活动的分子网络。用途：调节基因表达和蛋白质功能。用途：调节基因表达和蛋白质功能。现在学习的是第21页，共52页基因线路基因线路现在学习的是第22页，共52页1）基因拨动开关基因拨动开关 e.g.E.coli报告基因报告基因报告基因报告基因诱导物诱导物诱导物诱导物A A阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物A A启动子启动子启动子启动子B B启动子启动子启动子启动子A A阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物 B B诱导物诱导物诱导物诱导物B B现在学习的是第23页，共52页v 通过加入不同的诱导物实现开关在两个稳定态之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。间的转换。v状态转换具有滞后性，具有记忆功能。状态转换具有滞后性，具有记忆功能。现在学习的是第24页，共52页2）基因振荡器）基因振荡器 FT1激活它本身和激活它本身和FT2；FT2过量，会抑制过量，会抑制FT1现在学习的是第25页，共52页3 3）大肠杆菌成像系统）大肠杆菌成像系统）大肠杆菌成像系统）大肠杆菌成像系统 将细菌改造成感光胶片，像素将细菌改造成感光胶片，像素将细菌改造成感光胶片，像素将细菌改造成感光胶片，像素1 1平方米平方米平方米平方米1 1亿像素分亿像素分亿像素分亿像素分辨率。辨率。辨率。辨率。现在学习的是第26页，共52页 将藻胆青素合成基因将藻胆青素合成基因(ho1和和pcyA)转入大肠杆菌，使转入大肠杆菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素PCB。lac ZompC promoter PCBBlackPCBPCB现在学习的是第27页，共52页15.3.2 生命体代谢途径的重新构建生命体代谢途径的重新构建 微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用E.coli生生产产1000多种多种人类人类蛋白。蛋白。现在学习的是第28页，共52页代谢途径改造代谢途径改造-调节核心组件优化途径调节核心组件优化途径 不同的生物学途径提取出来不同的生物学途径提取出来 优化整合到宿主细胞优化整合到宿主细胞 合成目标化学物质合成目标化学物质现在学习的是第29页，共52页1.青蒿酸合成线路的设计构建青蒿酸合成线路的设计构建疟疾疟疾 典型的疟疾多呈周期性发作，表现为间歇性寒热发作。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，达迅速上升，达4040或更高，面色潮红，全身大汗淋漓，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。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。战、高热发作。现在学习的是第30页，共52页 每年每年5亿人感染，亿人感染，100万死亡。目前最有效的是青蒿万死亡。目前最有效的是青蒿素，生产周期长、成本昂贵。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。中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物。现在学习的是第31页，共52页 Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成青利用合成生物学，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，蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌中，改造获得改造获得E.coli 青蒿酸的产量青蒿酸的产量300mg/L。现在学习的是第32页，共52页困难：难以预计的复杂性困难：难以预计的复杂性困难：难以预计的复杂性困难：难以预计的复杂性 这一工作几乎是这一工作几乎是这一工作几乎是这一工作几乎是150150人一年工作的结果，这些工人一年工作的结果，这些工人一年工作的结果，这些工人一年工作的结果，这些工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能基因组作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能基因组作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能基因组作包括，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。合在一起的运作机制。合在一起的运作机制。合在一起的运作机制。现在学习的是第33页，共52页 由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就,Keas ling 被被美国美国“发现发现”杂志评选为杂志评选为2006 年度最有影响的科学家。年度最有影响的科学家。该项目已经获得比尔该项目已经获得比尔-梅林达盖茨基金会梅林达盖茨基金会4300 万美元万美元的资助的资助,进行进一步的实验室研究、中试、临床实验进行进一步的实验室研究、中试、临床实验等后续工作。等后续工作。现在学习的是第34页，共52页2.2.代谢途径的快速进化代谢途径的快速进化代谢途径的快速进化代谢途径的快速进化基因突变基因突变基因突变基因突变 改造代谢途径改造代谢途径改造代谢途径改造代谢途径 生产目标化合物生产目标化合物生产目标化合物生产目标化合物现在学习的是第35页，共52页Church 对对2020种番茄红素合成有关的基因进行突变；种番茄红素合成有关的基因进行突变；将突变的将突变的9090个个DNADNA片段，转入大肠杆菌；片段，转入大肠杆菌；3 3天内产生了天内产生了150150亿基因突变体；亿基因突变体；从中筛选到使番茄红素产量提高从中筛选到使番茄红素产量提高5 5倍的基因倍的基因。现在学习的是第36页，共52页3.利用合成生物学生产新能源利用合成生物学生产新能源 Kaslling利用利用13个可逆的酶促反应组合起来创建一条非个可逆的酶促反应组合起来创建一条非天然的催化路径。天然的催化路径。淀粉淀粉+水水 H2现在学习的是第37页，共52页15.3.3 最小基因组与合成生物学最小基因组与合成生物学 合成生物学最终目标：合成生物学最终目标：合成生物学最终目标：合成生物学最终目标：合成独立的可遗传的人工生命体合成独立的可遗传的人工生命体合成独立的可遗传的人工生命体合成独立的可遗传的人工生命体 现在学习的是第38页，共52页人工生命的基本要素人工生命的基本要素人工生命的基本要素人工生命的基本要素 具有膜系统具有膜系统具有膜系统具有膜系统 能进行新陈代谢能进行新陈代谢能进行新陈代谢能进行新陈代谢 具有自己的基因具有自己的基因具有自己的基因具有自己的基因现在学习的是第39页，共52页研究最简化生命的两种方法研究最简化生命的两种方法研究最简化生命的两种方法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。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。从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。现在学习的是第40页，共52页1.1.人工构建合成生命体人工构建合成生命体人工构建合成生命体人工构建合成生命体2002年年 Wimmer小组脊髓灰质炎病毒的合成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合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组 现在学习的是第41页，共52页不同物种间基因组的移植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。将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。丝状支原体丝状支原体现在学习的是第42页，共52页2.最小基因组的构建最小基因组的构建 Blattnerj小小组删除大肠杆菌基因组的组删除大肠杆菌基因组的组删除大肠杆菌基因组的组删除大肠杆菌基因组的15%15%（高达（高达（高达（高达82Kb82Kb）,细菌仍保持了良好的生存状态。细菌仍保持了良好的生存状态。细菌仍保持了良好的生存状态。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。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。现在学习的是第43页，共52页电穿孔电穿孔电穿孔电穿孔现在学习的是第44页，共52页 EndyEndy小组用小组用小组用小组用12 kb 12 kb 人工合成的人工合成的人工合成的人工合成的DNADNA取代野生取代野生取代野生取代野生T7T7基因基因基因基因组中的组中的组中的组中的11 kb 11 kb 的非必须的非必须的非必须的非必须DNA DNA 构建新的生命体。构建新的生命体。构建新的生命体。构建新的生命体。现在学习的是第45页，共52页最小基因组优点最小基因组优点 选择性的保留所需的代谢途径和功能；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；成为合成基因网络理想的容器；为插入模块提供最简单无干扰的环境。为插入模块提供最简单无干扰的环境。现在学习的是第46页，共52页理想的细胞底盘应具备的条件理想的细胞底盘应具备的条件长期培养中保持基因稳定长期培养中保持基因稳定长期培养中保持基因稳定长期培养中保持基因稳定能够在低营养培养基中生长以降低成本能够在低营养培养基中生长以降低成本能够在低营养培养基中生长以降低成本能够在低营养培养基中生长以降低成本同时协调多基因的表达同时协调多基因的表达同时协调多基因的表达同时协调多基因的表达能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径现在学习的是第47页，共52页15.3.4 15.3.4 构建多细胞体系构建多细胞体系构建多细胞体系构建多细胞体系 多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基础上，多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基础上，多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基础上，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。多细胞涉及细胞间的通信体系。多细胞涉及细胞间的通信体系。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群体效应：微生物通过自身产生的一种化学信号群体效应：微生物通过自身产生的一种化学信号群体效应：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。来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的行为。来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的行为。来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的行为。现在学习的是第48页，共52页细菌细菌细菌细菌QSQS系统作用系统作用系统作用系统作用 细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自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，身或其它细菌的数量变化，当信号达到一定的浓度阈值时，身或其它细菌的数量变化，当信号达到一定的浓度阈值时，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。能启动菌体中相关基因的表达来适应环境中的变化。能启动菌体中相关基因的表达来适应环境中的变化。能启动菌体中相关基因的表达来适应环境中的变化。现在学习的是第49页，共52页枯草芽胞杆菌利用枯草芽胞杆菌利用枯草芽胞杆菌利用枯草芽胞杆菌利用QSQSQSQS系统对细胞的发育进行调控系统对细胞的发育进行调控系统对细胞的发育进行调控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；当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展；当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展；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。营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。现在学习的是第50页，共52页15.4 展望展望 20042004年合成生物学被美国年合成生物学被美国年合成生物学被美国年合成生物学被美国MITMIT出版的出版的出版的出版的技术评论技术评论技术评论技术评论评为评为评为评为“将改变世界的将改变世界的将改变世界的将改变世界的1010大新技术之一大新技术之一大新技术之一大新技术之一”。美国生物经济研究协会美国生物经济研究协会美国生物经济研究协会美国生物经济研究协会20072007年发表了题为年发表了题为年发表了题为年发表了题为基因组合基因组合基因组合基因组合成和设计未来：对美国经济的影响成和设计未来：对美国经济的影响成和设计未来：对美国经济的影响成和设计未来：对美国经济的影响的研究报告。的研究报告。的研究报告。的研究报告。现在学习的是第51页，共52页 细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。应。该项研究可用来探测地雷位置：该项研究可用来探测地雷位置：靠近地雷时细菌发绿光；靠近地雷时细菌发绿光；远离地雷时则发红光。远离地雷时则发红光。让让让让维斯是麻省理工学院计算机工程师维斯是麻省理工学院计算机工程师维斯是麻省理工学院计算机工程师维斯是麻省理工学院计算机工程师 现在学习的是第52页，共52页