合成生物学课件.ppt

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1、LOGO现在学习的是第1页，共55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3.4.展展 望望现在学习的是第2页，共55页现在学习的是第3页，共55页现在学习的是第4页，共55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，在他位于马里兰凡特，在他位于马里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期州和加州的实验室，科研人员在其为期15年的研究项年的研究项目中，已成功制造出全球首个目中，已成功制造出全球首个“合成细胞合成细胞”，一种称为丝，一种称为丝状支原体的细菌。状支原体的细菌。现在学习的是第5页，共55页目的在于设计和创造新的生物组件

2、和体系，对现有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。的生物体系进行重新设计。从基本的生物组件构建复杂的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、构人工生命体系，对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。建。现在学习的是第6页，共55页 基因合成基因合成构建人工生命体构建人工生命体 基于现有的天基于现有的天然生物组件，设然生物组件，设计构建有新功能计构建有新功能的生物体系。的生物体系。现在学习的是第7页，共55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

3、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互换，容易进行模块化的组合，即从零件到器件再到系统。系统。现在学习的是第8页，共55页 合成生物学包含工程学的理念，任何一个生命体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。系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。现在学习的是第9页，共55页 现在学习的是第10页，共55页v标准化标准化v 抽象化抽象化v复杂系统去偶合复杂系统去偶合Drew Endy(MIT)现在学习的是第11页，共55页 标准化标准化 从可更换的部件

4、库，快速构建多组分体系，包括建从可更换的部件库，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、便捷立生物学功能、试验的检测条件及系统做出通用、便捷的标准。的标准。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55页 2003 MIT成立了标准生物部件登记处，数据库收成立了标准生物部件登记处，数据库收集了集了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55页现在学习的是第14页，共55页现在学习的是第15页，共55页 将一个复杂的

5、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55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55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。的生物系统。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55页 标准生物

6、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55页现在学习的是第20页，共55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。构建细胞生命活动的分子网络。

7、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55页现在学习的是第22页，共55页1）基因拨动开关基因拨动开关 e.g.E.coli现在学习的是第23页，共55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55页 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55页现在学习的是第26页，共55页 将藻胆青素合成基因将藻胆青素合成基因(ho1和

8、和pcyA)转入大肠杆菌，转入大肠杆菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素使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55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55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

9、标化学物质合成目标化学物质现在学习的是第29页，共55页1.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，达着体温迅速上升，达4040或更高，面色潮红，全身大或更高，面色潮红，全身大汗淋漓，大汗后体温降至正常或正常以下。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、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。高热发作。现在学习的是第30页，共55页 每年每年5亿人感染，亿人感染，

10、100万死亡。目前最有效的是青万死亡。目前最有效的是青蒿素，生产周期长、成本昂贵。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。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55页 Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成青蒿利用合成生物学，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，改酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌中，改造获得造获得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55页现在学习的是第33页，共55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

11、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、临床实验等后进行进一步的实验室研究、中试、临床实验等后续工作。续工作。现在学习的是第34页，共55页现在学习的是第35页，共55页Churchv 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；v 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；v 3 3天内产生了天内产生了1

12、50150亿基因突变体；亿基因突变体；v 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55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个可逆的酶促反应组合起来创建一条非天然的催化路径。非天然的催化路径。淀粉淀粉+水水 H2现在学习的是第37页，共55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 现在学习的是第38页，共55页现在学习的是第39页，共55页v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。1.从上而下：从基因组中剔除非

13、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55页 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55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55页 Blattnerj小小现在学习的是第43页，共55页现在学习的是第44页，共55页 现在学习的是第45页，共55页最小基因组优点最小基因组优点v 选择

14、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；v 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；v 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55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现在学习的是第47页，共55页现在学习的是第48页，共55页现在学习的是第49页，共55页 现在学习的是第50页，共55页15.4 展望展望v 现在学习的是第51页，共55页 细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。做出反应。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：v 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。现在学习的是第52页，共55页现在学习的是第53页，共55页现在学习的是第54页，共55页感谢大家观看感谢大家观看现在学习的是第55页，共55页