合成生物學與基因回路

1、合成生物學合成生物學與與基因回路基因回路 Synthetic Biology and Genetic Circuits 一一. 什么是合成生物學什么是合成生物學 Synthetic Biology 何時出現(xiàn)合成生物學這一名字？ Science雜志最早于1911年33卷有兩篇文章出現(xiàn) “synthetic biology” （合成生物學）一詞。 雜志最早于1911年7月8日有一篇文章出現(xiàn) “synthetic biology ” （合成生物學）一詞。 在1980年第一次以“基因外科術：合成生物學的 開始”為題出現(xiàn)在德文刊物上。 2000年以后，“合成生物學”一詞在學術刊物及 互聯(lián)網上逐漸大量出現(xiàn)

2、 Nature Biotechnology, 27(12), 2009 Focus on Synthetic Biology The latest iteration of genetic engineering offers the prospect of the design and construction of new life forms from biological parts, devices and systems. 基因工程的最新研究成果提 供了通過生物元件生物元件、裝置裝置和 系統(tǒng)系統(tǒng)設計和組裝新生命形式新生命形式 的前景 Nature Reviews, 10(6), 2

3、009 維基百科：合成生物學旨在設計和構建工程化的生物系統(tǒng)，使其能夠處理信息處理信息、 操作化合物操作化合物、制造材料制造材料、生產能源生產能源、提供食物提供食物、保持和增強人類的健康保持和增強人類的健康和改善我改善我 們的環(huán)境們的環(huán)境。 /wiki/Synthetic_biolog y 簡單地說，合成生物學是通過設計和構建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)來通過設計和構建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)來 解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。 合成生物學的定義合成生物學的定義 Synthetic Biology is： A) t

4、he design and construction of new biological parts, devices, and systems, and B) the re-design of existing, natural biological systems for useful purposes. / 199820002002200420062008 200 0 400 0 600 0 800 0 100 00 0 20 40 60 80 100 120 0 網 絡 信 息 期 刊 / 專 利 數(shù) 量 Sciru網絡信息 Scir

5、us 檢索專利 Scopus檢索期刊 Scirus 檢索期刊 2004年被美國MIT出版的Technology Review評為將改變世界的10大新出現(xiàn)的技術 之一(10 Emerging Technologies That Will Change Your World)。 合成生物學的發(fā)展前景與基礎合成生物學的發(fā)展前景與基礎 DNA是生物的遺傳物質 為了整理和分析這些序列信息，誕生了一門新為了整理和分析這些序列信息，誕生了一門新 興的交叉學科興的交叉學科 生物信息學生物信息學(Bioinformatics) 是合成生物學的學科基礎之一是合成生物學的學科基礎之一。 細胞細胞: 奇異絕妙的小工廠

6、奇異絕妙的小工廠 系統(tǒng)生物學研究細胞對外界環(huán)境變化或刺激在系統(tǒng)生物學研究細胞對外界環(huán)境變化或刺激在 各個層次上如何做相應的變更各個層次上如何做相應的變更, , 并建立數(shù)學模并建立數(shù)學模 型對總體應答作出預測型對總體應答作出預測. . 基因組代謝物組蛋白質組轉錄物組 基因組學 Genomics 代謝物組學 Metabolomics 蛋白質組學 Proteomics 轉錄物組學 Transcriptomics DNAmRNA蛋白質代謝物 轉錄 翻譯 催化反應 Systems biology as a foundation for genome-scale synthetic biology Chr

7、istian L Barrett, Tae Yong Kim, Hyun Uk Kim, Bernhard Palsson and Sang Yup Lee, Current Opinion in Biotechnology 2006, 17:488492 系統(tǒng)生物學是在基因組層面上合成生物學 的基礎 基因組超大量的序列和結構數(shù)據(jù) 重大的生物技 術 合成生物學發(fā)生與發(fā)展的學科基礎合成生物學發(fā)生與發(fā)展的學科基礎 數(shù) 學 物 理 學 工 程 學 生 物 學 計 算 機 科 學 化 學 信 息 學 合 成 生 物 學 生 物 質 能 生物醫(yī)學 環(huán)境修復 精細 化學品 食品 原料 生物材料 生物傳 感

8、器 生物 計算機 合成生物學的發(fā)展過程合成生物學的發(fā)展過程 1979年H. G. Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因（207bp）； 2002年紐約州立大學石溪分校魏瑪（E.Wimmer）小組用了3年 的時間合成出了脊髓灰質炎病毒（Poliovirus）的全基因組， 7500bp。 2003年，J. C. Venter 研究小組用了14天時間從頭合成了噬菌 體Phi X174（5386 bp）基因組。 2004年，人工合成了1918年造成全世界上千萬人死亡的“西班 牙流感病毒”。 2008年J. C. Venter小組又合成了Mycoplasma genitalium生 殖道支原體基因

9、組（582790kb），這是迄今為止人類在合成生 物過程中走得最遠的一步。 J. C. Venter小組 的另外一項工作卻獲得了成功：不久前將關系 較近的兩株支原體中一株的基因組用另外一株的基因組替換，結 果仍能正?！肮ぷ鳌?。 人工合成生物全基因組人工合成生物全基因組 合成生物學的研究內容合成生物學的研究內容 合成代謝網絡合成代謝網絡 利用轉錄和翻譯控制單元調控酶的表達以合成或分解代謝 物。主要以代謝物濃度作為控制元件的輸入信號。 例如：利用釀酒酵母和大腸桿菌合成抗瘧疾藥物青蒿素的前體物質。 遺傳遺傳/基因線路的設計與構建基因線路的設計與構建 1961年F. Jacob和J. Monod提出的

10、乳糖操縱子模型第一 次明確提出了基因表達的調控概念，被認為是分子生物學發(fā)展的 第二個里程碑。 細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)研究細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)研究 基于細胞間交流的細胞群體系統(tǒng)及多細胞系統(tǒng)的開發(fā)，主要 是研究細胞群體間的同步基因表達、信號交流、異步功能配合等。 數(shù)學模擬和功能預測數(shù)學模擬和功能預測 二二. 合成生物學的研究方法合成生物學的研究方法 基因回路（基因回路（Genetic Circuits）設）設 計計 合成生物學領域三大目標：合成生物學領域三大目標： 一、有別于以往拆解生命體的方式，它是一、有別于以往拆解生命體的方式，它是 通過合成來理解生命。通過合成來理解生命。 二、將遺傳工

11、程所使用的元件標準化，使二、將遺傳工程所使用的元件標準化，使 其能與現(xiàn)有系統(tǒng)相結合，創(chuàng)造出其能與現(xiàn)有系統(tǒng)相結合，創(chuàng)造出多、功多、功 能能復雜的系統(tǒng)。復雜的系統(tǒng)。 三、將電子工程領域的系統(tǒng)設計三、將電子工程領域的系統(tǒng)設計論應用論應用 到生物系統(tǒng)，重組到生物系統(tǒng)，重組DNA基因工程，產生真基因工程，產生真 正可由程序控制的生物，設計生物計算機。正可由程序控制的生物，設計生物計算機。 基基 因因 回回 路路 設設 計計 流流 程程 建立建立DNA 元件庫元件庫 根據(jù)設計目標根據(jù)設計目標 決定基因回路決定基因回路 結構結構 調用庫元調用庫元 件模型件模型 利用計算機仿利用計算機仿 真軟件確認輸真軟件確

12、認輸 出及功能正確？出及功能正確？ 建立集成生建立集成生 物回路（物回路（IC） 檢測基因回路檢測基因回路 性能穩(wěn)定可靠？性能穩(wěn)定可靠？ 建立集成生物建立集成生物 回路（回路（IC） 成功建立穩(wěn)定可成功建立穩(wěn)定可 調控的基因回路調控的基因回路 基基 因因 回回 路路 設設 計計 流流 程程 特定的信使RNA（mRNA）的分子的濃度代表一個邏輯信 號。左圖，輸入的mRNA是缺失，則細胞轉錄基因輸出 mRNA。右圖，輸入的mRNA存在，細胞把此mRNA翻譯 成輸入蛋白，此蛋白與基因上的啟動子相結合，阻止細胞 合成mRNA輸出。 生物化學反相器-非門（NOT） 用原核生物基因調用原核生物基因調 控模

13、組模擬電子工程控模組模擬電子工程 邏輯門邏輯門。上方圖示 出調控啟動子活性的 因子。RNAP：RNA 聚合酶，TF：轉錄因 子。 (Silva-Rocha and de Lorenzo, FEBS Letters 582 (2008) 12371244) Bio-Informatics要做的事要做的事 Looking at life as an information system DNA as a database（數(shù)據(jù)庫）（數(shù)據(jù)庫） RNA as a decision network（決定網絡）（決定網絡） Proteins and genes as runtime DLLs（運行時間動態(tài)

14、鏈接庫）（運行時間動態(tài)鏈接庫） Modeling gene regulatory networks Simulating life as a computer program Using silicon to validate biological models Goal of Digital Cells（數(shù)字細數(shù)字細 胞胞） Simulate a Gene Regulatory Network Goal of e-cell, CellML, and SBML projects Test microarray data for biological model Run expression d

15、ata through GRN functions Create biological cells with new functions Splice in promoters to control expression Create oscillating networks using operons 拼接啟動子來控制表達拼接啟動子來控制表達 利用操縱子創(chuàng)建振蕩網絡利用操縱子創(chuàng)建振蕩網絡 Digital Cell Components 數(shù)字細胞元件數(shù)字細胞元件 Bio-logic gates Inverters, oscillators Creating genomic circuitry

16、Promoters, operons and genes Multigenic oscillating solutions Ron Weiss is the pioneer in the field /rweiss/ To 電子回路的工程設計基礎電子回路的工程設計基礎 基因回路（基因回路（Genetic Circuits）設）設 計計 編程并控制細胞行為的第一步是建立一 個精心設計的元件庫，作為更復雜的生物系 統(tǒng)的基石。在構建具有一定的遺傳功能的邏 輯門時，與電子邏輯門的輸入和輸出的電信 號（H/1或L/0）相對應的是特定DNA與蛋白 質結合以及它

17、們誘導物分子的濃度高（H，1） 或低（L，0）。 建立在原核生物調控模式上的建立在原核生物調控模式上的 數(shù)字細胞元件（生物數(shù)字細胞元件（生物邏輯門邏輯門）模型）模型 - -基因回路元件設計基因回路元件設計 在細胞內，這些分子與其它蛋白質相 互作用，綁定特定的DNA結合位點，并最 終調節(jié)其他蛋白表達。這些調控活動，可以 用數(shù)字邏輯功能及模擬信號處理來實現(xiàn)。 任何基因轉錄翻譯成蛋白質的首要條 件是：RNAp(RNA polymerase, RNA聚 合酶)與基因上游區(qū)域的啟動子結合，啟動 轉錄，隨后RNAp將基因轉錄為信使 RNA(mRNA)，然后mRNA被翻譯成蛋白 質。若RNAp不能與啟動子結

18、合，后面的過 程就不能進行。 1. 1. 非門或反相器（非門或反相器（NOT） 生物學過程：B阻遏因子，當它存在時，B搶占了RNAp與 啟動子結合的位點。因此阻礙了基因P進行轉錄表達。 電學過程：B為輸入信號，當其輸入量高時，輸出為低； 反之亦然。輸入與輸出反相，也稱反相器反相器。 1. 1. 非門或反相器（非門或反相器（NOT） 左圖表示當無左圖表示當無mRNA輸入時，啟動子未被抑制時，基因輸入時，啟動子未被抑制時，基因 轉錄出轉錄出mRNA，有，有mRNA輸出；右圖表示當有輸出；右圖表示當有mRNA 輸入時，在細胞中轉錄成蛋白質，蛋白質與啟動子區(qū)域輸入時，在細胞中轉錄成蛋白質，蛋白質與啟動

19、子區(qū)域 的基因結合，抑制了基因的表達，無的基因結合，抑制了基因的表達，無mRNA 輸出。此輸出。此 處輸入的處輸入的mRNA的缺失或存在決定了下游的缺失或存在決定了下游mRNA是否是否 輸出。輸出。 2. 2. 緩沖器門（緩沖器門（Amplifier or Buffer） 生物學過程：A為轉錄因子，可以調控基因P使其進行 轉錄表達。 電學過程：A為輸入信號，只有當其輸入量滿足能啟 動基因P轉錄表達的閾值時，輸出信號才為高。A與P 同相。 3. 3. 與門（與門（AND） 生物學過程：）、兩個均為轉錄因子） 為轉錄因子，為激活因子； 以上兩種情況都要求只有當、都同時存在時，才 能啟動基因P轉錄表

20、達。 3. 3. 與門（與門（AND） 電學過程：、為兩個不同的輸入信號，只有當 的輸入量同時滿足能啟動基因P轉錄表達的閾值時， 才會使輸出信號高表達（輸出信號表示基因的表達 量）。 3. 3. 與門（與門（AND） 已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）： 1）Tropel, D. and Van Der Meer, J.R. (2004) Bacterial transcriptional regulators for degradation pathways of aromatic compounds. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 68, 474500. 2）Buchl

21、er, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141. 4. 4. 或門（或門（OR） 生物學過程：和都是基因的轉錄因子，當和 其中一個存在時，或者兩者同時存在時都能啟動基 因轉錄表達。即僅當兩者都不存在時，轉錄才 無法進行。 4. 4. 或門（或門（OR） 電學過程：和B是兩個不同的輸入信號，當A 、B其 中一個的輸入量滿足能啟動基因P轉錄表達的閾值時， 或者兩者同時滿足所要求的閾值時，

22、輸出信號表現(xiàn)為 高表達。 4. 4. 或門（或門（OR） 已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）： 1）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 100, 51365141. 2）Fernandez, S., Shingler, V. and De Lorenzo, V. (1994) Crossregulation by XylR and DmpR activators of Pseudomonas

23、 putida suggests that transcriptional control of biodegradative operons evolves independently of catabolic genes. J. Bacteriol. 176, 50525058. 5. 5. 與非門（與非門（NAND） 生物學過程：A與B都是抑制基因P轉錄表達的因子， 稱為阻遏因子。僅當A與B同時存在時，基因P才不能 正常的進行轉錄表達。因為此時A與B“搶占”了 RNAp與啟動子的結合位點，阻礙了轉錄的啟動。 5. 5. 與非門（與非門（NAND） 電學過程：A 、B為兩個不同的輸入信號，

24、僅當兩者的 輸入量同時滿足能啟動基因P轉錄表達的閾值時，才使 得輸出信號為低表達?？梢詫AND門電路拆分為 AND和NOT的組合。 5. 5. 與非門（與非門（NAND） 已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）： 1）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，100, 51365141 2）Escolar, L., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1999)

25、Opening the iron box: transcriptional metalloregulation by the Fur protein. J. Bacteriol. 181, 62236229. 3）Bertoni, G., Marques, S. and de Lorenzo, V. (1998) Activation of the toluene-responsive regulator XylR causes a transcriptional switch between sigma-54 and sigma-70 promoters at the divergent P

26、r/Ps region of the TOL plasmid. Mol. Microbiol. 27, 651659. 4）Bertoni, G., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1997) Genetic evidence of separate repressor and activator activities of the XylR regulator of the TOL plasmid, pWW0, of Pseudomonas putida. Mol. Microbiol. 23, 12211227 6. 6. 非與門（非與門（ANDN

27、） 生物學過程：A為轉錄的激活因子，能使基因轉錄表達；B 為阻遏因子，當存在時，就會搶占啟動子結合位點，使 RNAp不能與啟動子結合，因此不能啟動基因進行轉錄表 達。因此只有當存在并且不存在時，基因轉錄表達才能 正常進行。 6. 6. 非與門（非與門（ANDN） 電學過程：只有當信號滿足能啟動基因P轉錄表達的閾值 （以下簡稱為“高表達”），并且信號低于該閾值時 （簡稱為“低表達”），輸出才會高表達。 6. 6. 非與門（非與門（ANDN） 已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）： Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcriptio

28、nal regulation by competing transcription factor modules. PLoS Comput. Biol. 2, e164. 7. 7. 或非門（或非門（NOR） 生物學過程：、均為阻礙轉錄表達的阻遏因子。兩者都 阻礙了RNAp與啟動子的結合。 因此，只有當兩者都不存在時，基因的轉錄表達才能進行。 7. 7. 或非門（或非門（NOR） 電學過程：只有當信號與都低表達時，輸出才會高表達。 8. 8. 非或門（非或門（ORN） 生物學過程：B是阻遏因子，A是能夠降解B的蛋白質。當只 有B存在時，B與啟動子結合，阻礙了RNAp與啟動子結合， 因此使基因P

29、不能正常進行轉錄表達。當A存在時，即使B也 同時存在，但是A能降解B，使B的活性降低，使B不能與啟 動子結合或結合性減弱，因此使基因P能進行轉錄表達。 8. 8. 非或門（非或門（ORN） 電學過程：A與B都是入信號，當只有B高表達并且A低 表達時，輸出為低。其余三種情況均為高表達。 8. 8. 非或門（非或門（ORN） 已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）： Erill, I., Campoy, S. and Barbe, J. (2007) Aeons of distress: an evolutionary perspective on the bacterial SOS response.

30、FEMS Microbiol. Rev. 31, 637656. 9. 9. 異或門（異或門（XOR） 生物學過程生物學過程：基因：基因P能沿著能沿著DNA從兩個方向進行轉錄表達。從兩個方向進行轉錄表達。 轉錄因子轉錄因子A使基因沿著左端進行轉錄表達，轉錄因子使基因沿著左端進行轉錄表達，轉錄因子B使基使基 因沿著右端進行轉錄表達。但是當兩者同時存在時，因沿著右端進行轉錄表達。但是當兩者同時存在時，A會搶會搶 占占B的的RNAp與啟動子結合的位點（或者說是與啟動子結合的位點（或者說是B會搶占會搶占A的的 RNAp與啟動子結合的位點），使得基因與啟動子結合的位點），使得基因P不能沿著不能沿著DNA

31、 進行轉錄。因此，當且僅當進行轉錄。因此，當且僅當A 、B其中一個存在時，基因其中一個存在時，基因P 才能進行正常的轉錄表達。才能進行正常的轉錄表達。 9. 9. 異或門（異或門（XOR） 電學過程：當且僅當輸入信號A、B其中一 個存在，并且它的表達量高時，才能使輸出 表達高。此時，我們可以將XOR門看成是兩 個ANDN門的組合。 9. 9. 異或門（異或門（XOR） 已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）： Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Pr

32、oc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141. 10. 10. 同或門（同或門（XNOR） 生物學過程： 基因P（P）可以沿著DNA向著左右兩端進行 轉錄表達。但是沿著P（左端）進行轉錄，啟動子的活性比 較弱，需要兩個轉錄因子同時作用才可進行；沿著P方 向，轉錄因子則變成了阻礙RNAp與啟動子結合的阻遏因子， 因此沿著P方向，當或兩者之一存在時，轉錄過程就會 受到抑制。 ）當兩者都不存在時，受抑制，而P沒受到阻礙， 可以沿著P方向進行轉錄，所以輸出為。 ）當只有或其中一個轉錄因子存在時，由于不滿 足方向條件（需要兩者同時存在），而此時這個轉錄因 子阻礙了P方向的

33、與啟動子結合，使P方向的轉 錄也不能進行。所以輸出為。 ）當與同時存在時，雖然轉錄因子阻礙了P方向 的與啟動子結合，使P方向的轉錄不能進行，但 是此時滿足了沿著方向進行轉錄的條件，所以輸出為。 10. 10. 同或門（同或門（XNOR） 電學過程：只有當、兩個輸入信號同時高或者同 時低時，輸出才為高；否則輸出為低。可以看做是可以看做是 與與XOR與與NOT組成的組成的XOR的相反過程的相反過程。 10. 10. 同或門（同或門（XNOR） 已發(fā)現(xiàn)或證實的例子（參考文獻）： ）Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcripti

34、onal regulation by competing transcription factor modules. PLoS Comput. Biol. 2, e164 ）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141. 11. 11. 觸發(fā)器觸發(fā)器 生物學過程：觸發(fā)器是一個能保持雙穩(wěn)態(tài)的合成基因網絡。 觸發(fā)器包含兩個蛋白R1、R2，分別抑制啟動子P1、P2。兩 個誘導劑

35、I1、I2，分別能使抑制蛋白R1、R2無效化，導致 P1、P2表達。相當于下面的回路包含兩個互聯(lián)的ORN門。 12. 12. 環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器 環(huán)形振蕩器包含三個蛋白質和三個它們對應的啟動子，設 定蛋白質Px抑制蛋白質Py的表達，而蛋白質Py抑制蛋白質 Pz的表達，蛋白質Pz抑制蛋白質Px的表達 ?；蚓W絡配 置對應一個環(huán)形振蕩器邏輯電路。 12. 12. 環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器 在PLtetO-1啟動子的下游標放一個綠色熒光標記的蛋白以 便顯示在任何特定細胞中cI的近似濃度。 右圖顯示了在一個特定的細胞中熒光強度隨時間的變化， 表現(xiàn)為振蕩，圖中的小條描繪細胞的分裂活動。其他細胞 的振蕩行為

36、差別很大。 三三. 基因回路的設計成果實基因回路的設計成果實 例例 發(fā)表合成生物學較多的刊物及新創(chuàng)刊的刊發(fā)表合成生物學較多的刊物及新創(chuàng)刊的刊 物物 PNAS Nature Science MSB Nature, 2010 1.由基因編碼“與非門”構成其他更復雜的 邏輯門； 2.基因編碼門間的化學連接。 基因編碼的“或非”門 在大腸桿菌（在大腸桿菌（E. Coli)中，中， 2個串聯(lián)的啟動子作為輸入個串聯(lián)的啟動子作為輸入 驅動阻遏子的轉錄。驅動阻遏子的轉錄。 1個菌株形成個菌株形成1個或非門。個或非門。 群體感應分子（群體感應分子（quorum molecules）AHL（ Acyl homo-

37、serine lactone ） 可以形成門間的連線?？梢孕纬砷T間的連線。 由多個或非門間的相互連接由多個或非門間的相互連接 組成各種復雜的邏輯門。組成各種復雜的邏輯門。 基因編碼的“或非”門 PBAD、PTet分別由arabinose (Ara)和 anhydrotetracycline (aTc)激活。它門作為或非門 的2個輸入啟動子。 YFP（Yellow Fluorescent Protein，黃色熒光蛋白）作 為輸出基因。 流式細胞儀（flow cytometry）測量結果 或門 CI阻遏基因 或非門 5 5E-1 5E-2 5E-3 5E-4 0 其他輸入信號： 3OC12-HSL

38、激活的 PLas啟動子也可 作為輸入。 PBAD、PTet PBAD、PLas PTet、PLas 不同邏輯門的構成 不同邏輯門的構成 Gene Regulatory Network 基因調控網絡基因調控網絡 Basic GRN Circuit Flow Gross anatomy of a minimal gene regulatory network (GRN) embedded in a regulatory network. A regulatory network can be viewed as a cellular input-output device. http:/doege

39、/ / Gene regulatory networks interface with cellular processes 合成生物學應用合成生物學應用 BioEnergy. Cells are being engineered to consume agricultural products and produce liquid fuels. British Petroleum and the US DOE granted $650 million dollars for research in the Sa

40、n Francisco Bay Area. Drug Production. Bacteria and yeast can be re-engineered for the low cost production of drugs. Examples include the anti-malarial drug Artemisinin and the cholesterol- lowering drug （降膽固醇藥）. Materials. Recombinant cells have been constructed that can build chemical precursors f

41、or the production of plastics and textiles, such as Bio-PDO （1，3丙二醇）and spider silk（蛛絲）. Medicine. Cells are being programmed for therapeutic purposes. Bacteria and T-cells can be rewired to circulate in the body and identify and treat diseased cells and tissues. （1）美國UCB化學工程系教授、勞倫斯國家實驗室合成 生物學中心主任Ke

42、asling本科曾獲得化學與生物學雙 學位，后來又獲得化學工程博士學位。所以在他從事代 謝工程及合成生物學的研究中能很好地將化學、生物學、 化學工程學相結合。在他從事抗瘧疾藥的生物合成研究 中，始終把細胞當作微生物制藥工廠（Microbial drug factories），進行設計、加工、集成、組裝、 控制。體現(xiàn)在合成生物學技術上包括DNA的合成、來自 細菌、酵母及植物（青蒿Artemisia annua）等多種基 因及代謝途徑的組裝、多基因的精密調控等。他們關于 抗瘧疾藥物生物合成的研究成果先后發(fā)表在2003年 Nature Biotechnology和2006年的Nature上。 合成生

43、物學研究舉例合成生物學研究舉例 Keasling 實驗室實驗室 Research Interests: 代謝工程， 系統(tǒng)生物學，合成生物學 Synthetic Biology for Synthetic Chemistry ACS Chemical Biology, 2008,3:64-76 （合成生物學合成化學青蒿素合成舉 例） Importance of systems biology in engineering microbes for biofuel production Current Opinion in Biotechnology 2008, 19:228234（系統(tǒng)生物學生物

44、燃 料生產） Metabolic engineering of microorganisms for biofuels production: from bugs to synthetic biology to fuels（代謝工程：微生物合成生物學生物燃料） Current Opinion in Biotechnology 2008, 19: in press The process for the microbial production of artemisinin. Using synthetic biology 用合成生物學生產抗瘧疾藥青蒿素用合成生物學生產抗瘧疾藥青蒿素 Chris

45、tina D. Smolke Division of Chemistry and Chemical Engineering California Institute of Technology A Synthetic Gene-Metabolic Oscillator Fung, E., Wong, W.W., Suen, J.K., Bulter, T., Lee, S.G. and Liao, J.C. (2005) Nature, 435, 118-122. we designed and constructed a synthetic circuit in Escherichia co

46、li K12, using glycolytic flux to generate oscillation through the signalling metabolite acetyl phosphate. If two metabolite pools are interconverted by two enzymes that are placed under the transcriptional control of acetyl phosphate, the system oscillates when the glycolytic rate exceeds a critical

47、 value. We used bifurcation analysis to identify the boundaries of oscillation, and verified these experimentally. This work demonstrates the possibility of using metabolic flux as a control factor in system-wide oscillation, as well as the predictability of a de novo genemetabolic circuit designed

48、using nonlinear dynamic analysis. Resistance to Diet-Induced Obesity in Mice with Synthetic Glyoxylate Shunt Cell Metabolism, 9：525-536, 2009 UCLA(加州大學洛杉磯分校 )的化學與生物分子工程 學教授廖俊智（James Liao）借鑒了合成生物學的 的研究策略，發(fā)現(xiàn)了一項新的、具有煽動效應的研究 結果。他們將細菌和植物中燃燒脂肪的途徑植入老鼠 的體內。這種基因改變能使動物將脂肪轉化成二氧化 碳，并且在食用同樣的快餐食譜的情況下保持苗條。 波士頓大學的合

49、成生物學家詹姆斯考林斯（James Collins）說：“這項研究令我著迷的地方在于，我 們可以以一種全新的方法、用合成生物學的方法治療 人類疾病?！碑斍暗幕蚧虻鞍字委煼桨钢饕杏?單個分子，比如說替換一個缺失的分子，如胰島素， 或者在癌癥中抑制一個有害蛋白的表達。換個思路， 考林斯認為，科學家們可以試著考慮利用工程學的方 法，使身體具有原先不具備的功能。 國際遺傳機器大賽（國際遺傳機器大賽（international Genetically Engineered Machine Competition， iGEM） Assembling Building Blocks for Novel

50、 Functions DNA元件庫 生物系統(tǒng)基因機器 構建組裝 Synthesis! DNA 2.0 DNA 2.0 Inc. is a leading provider for synthetic biology. With our gene synthesis process you can get synthetic DNA that conforms exactly to your needs, quickly and cost effectively. Applications of custom gene synthesis include codon optimization f

51、or increased protein expression, synthetic biology, gene variants, RNAi trans- complementation and much more. Information vs. Processing Just as in a computer, data bits and processing bits are made from the same material, 0 or 1, or A, T, C, G, or U in biology Nature as a Computer Biological system

52、s like DNA and RNA especially appear to be more than networks of information. RNA itself can be seen as a molecular decision network E-Cell E-Cell System is an object-oriented software suite for modeling, simulation, and analysis of large scale complex systems such as biological cells. Version 3 all

53、ows many components driven by multiple algorithms with different timescales to coexist Computer Modeling Metabolic Pathways BioCyc collection of organism specific metabolic pathway databases cellML is an XML based format for exchanging biological data from genes to proteins to metabolism Digital Cel

54、ls Meet Synthetic Biology Model the circuit Validate the circuit Tinker with the circuit Then Alter the gene to build a new protein SNPs will give you a first approach See if the new protein is well tolerated Gene Therapy Gene therapy using an Adenovirus vector. A new gene is inserted into an adenov

55、irus vector, which is used to introduce the modified DNA into a human cell. If the treatment is successful, the new gene will make a functional protein. /wiki/Gene_therapy DNA Vaccines The ultimate method to train the immune system against a multitude of threats Inject a known

56、sequence of DNA Trick the cell into expressing it, then seeing it as an antigen to ward against. Used to fight cancer. Animal Model Systems Mice make perfect models as they are: Cheap (reasonably) Fast / easy growing Very inbred Mouse DNA arrays and the mouse genome are fairly well known, characteri

57、zed Stem Cell Technology Once you have an altered genome ready to test beyond a simple one cell environment, you leverage the ability of stem cells to mass produce your synthetic biology solution Cell as a Nanosystem Bilayer outer lipid membrane Energy apparatus Diffuse metabolome Proteome with sign

58、aling network DNA / RNA operating system, nucleosome miRNA control units Green Algae at Work Making H2 Algal cell suspension / cells Thylakoid membrane These little critters are very happy just to be working! Proposed Engineered H2 Bacterium /pdfs/tr_hydrogen_prod_utilization.

59、pdf In Vitro Photo-Production of H2 Yellow arrow marks insertion of hydrogenase promoter. Right side data cell optimized for continuous H2 production. Synthetic Biology Roadmap Understanding of gene elements and transcriptional control at miRNA level Ability to model protein structure, and surface p

60、otential / folding / function Ability to create functional operons and regulated / feedback transcriptional control Stem cell and gene therapy synergism Role of Bioinformatics Where are genes? What are the regulatory inputs? What are the proteins? Where are post translational modifications? What are