合成生物學(xué)與基因回路

1、關(guān)于合成生物學(xué)與基因回路現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共109頁一一. 什么是合成生物學(xué)什么是合成生物學(xué)Synthetic Biology現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共109頁何時(shí)出現(xiàn)合成生物學(xué)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(xué)）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(xué)）一詞。在1980年第一次以“基因外科術(shù)：合成生物學(xué)的開始”為題出現(xiàn)在德文刊物上。2000年以后，“合成生物學(xué)”一詞在學(xué)術(shù)刊物及互聯(lián)網(wǎng)上逐漸大量出現(xiàn)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共109頁Nature Biotec

2、hnology, 27(12), 2009Focus 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(shè)計(jì)和組裝新生命形式新生命形式的前景現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共109頁Nature Reviews, 10(6), 2009現(xiàn)

3、在學(xué)習(xí)的是第五頁，共109頁 維基百科：合成生物學(xué)旨在設(shè)計(jì)和構(gòu)建工程化的生物系統(tǒng)，使其能夠處理信息處理信息、操操作化合物作化合物、制造材料制造材料、生產(chǎn)能源生產(chǎn)能源、提供食提供食物物、保持和增強(qiáng)人類的健康保持和增強(qiáng)人類的健康和改善我們的改善我們的環(huán)境環(huán)境。 /wiki/Synthetic_biology 簡單地說，合成生物學(xué)是通過設(shè)計(jì)和構(gòu)通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)來解決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)保等問題能源、材料、健康和環(huán)保等問題。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共109頁合成生物學(xué)的定義Synthetic Bio

4、logy is： A) the design and construction of new biological parts, devices, and systems, and B) the re-design of existing, natural biological systems for useful purposes. /現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共109頁1998200020022004200620082000400060008000100000204060801001200網(wǎng)絡(luò)信息期刊/專利數(shù)量Sciru網(wǎng)絡(luò)信息Scirus 檢

5、索專利Scopus檢索期刊Scirus 檢索期刊現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共109頁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(shù)之一(10 Emerging Technologies That Will Change Your World)。合成生物學(xué)的發(fā)展前景與基礎(chǔ)合成生物學(xué)的發(fā)展前景與基礎(chǔ)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共109頁DNA是生物的遺傳物質(zhì)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共109頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共109頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共109頁為了整理和分析這些序列信息，誕生了一門新興的交叉學(xué)科生物信息學(xué)生物信息學(xué)(Bioinformatics)是合成生物

6、學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)之一。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共109頁細(xì)胞: 奇異絕妙的小工廠現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共109頁系統(tǒng)生物學(xué)研究細(xì)胞對外界環(huán)境變化或刺激在各個(gè)層次上如何做相應(yīng)的變更, 并建立數(shù)學(xué)模型對總體應(yīng)答作出預(yù)測.基因組代謝物組蛋白質(zhì)組轉(zhuǎn)錄物組基因組學(xué)Genomics代謝物組學(xué)Metabolomics蛋白質(zhì)組學(xué)Proteomics轉(zhuǎn)錄物組學(xué)TranscriptomicsDNAmRNA蛋白質(zhì)代謝物轉(zhuǎn)錄翻譯催化反應(yīng)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共109頁Systems biology as a foundation for genome-scale synthetic biologyChristian L B

7、arrett, 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(xué)是在基因組層面上合成生物學(xué)的基礎(chǔ)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共109頁基因組超大量的序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 重大的生物技術(shù)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共109頁合成生物學(xué)發(fā)生與發(fā)展的學(xué)科基礎(chǔ)數(shù)學(xué)物理學(xué)工程學(xué)生物學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)化學(xué)信息學(xué)合 成 生 物 學(xué)生 物質(zhì) 能生物醫(yī)學(xué)環(huán)境修復(fù)精細(xì)化學(xué)品食品原料生物材料生物傳感器生物計(jì)算機(jī)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共109頁合成生物學(xué)的發(fā)展過

8、程合成生物學(xué)的發(fā)展過程現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共109頁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(xué)石溪分校魏瑪（E.Wimmer）小組用了3年的時(shí)間合成出了脊髓灰質(zhì)炎病毒（Poliovirus）的全基因組，7500bp。2003年，J. C. Venter 研究小組用了14天時(shí)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生殖道支原體基因組（582790kb），

9、這是迄今為止人類在合成生物過程中走得最遠(yuǎn)的一步。J. C. Venter小組 的另外一項(xiàng)工作卻獲得了成功：不久前將關(guān)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(jié)果仍能正常“工作”。人工合成生物全基因組現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共109頁合成生物學(xué)的研究內(nèi)容 合成代謝網(wǎng)絡(luò)合成代謝網(wǎng)絡(luò) 利用轉(zhuǎn)錄和翻譯控制單元調(diào)控酶的表達(dá)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(zhì)。 遺傳遺傳/基因線路的設(shè)計(jì)與構(gòu)建基因線路的設(shè)計(jì)與構(gòu)建 1961年F. Jacob和J. Monod提出的乳糖操縱子模型第一次明確提出了基因表達(dá)的調(diào)控概念

10、，被認(rèn)為是分子生物學(xué)發(fā)展的第二個(gè)里程碑。細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng)研究細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng)研究 基于細(xì)胞間交流的細(xì)胞群體系統(tǒng)及多細(xì)胞系統(tǒng)的開發(fā)，主要是研究細(xì)胞群體間的同步基因表達(dá)、信號交流、異步功能配合等。數(shù)學(xué)模擬和功能預(yù)測數(shù)學(xué)模擬和功能預(yù)測現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共109頁二二. 合成生物學(xué)的研究方法合成生物學(xué)的研究方法基因回路（基因回路（Genetic Circuits）設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共109頁合成生物學(xué)領(lǐng)域三大目標(biāo)：合成生物學(xué)領(lǐng)域三大目標(biāo)：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、將遺傳工程所

11、使用的元件標(biāo)準(zhǔn)化，使其能二、將遺傳工程所使用的元件標(biāo)準(zhǔn)化，使其能與現(xiàn)有系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)造出與現(xiàn)有系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)造出多、功能多、功能復(fù)雜復(fù)雜的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。三、將電子工程領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、將電子工程領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)論應(yīng)用論應(yīng)用到生物系統(tǒng)，重組到生物系統(tǒng)，重組DNA基因工程，產(chǎn)生真基因工程，產(chǎn)生真正可由程序控制的生物，設(shè)計(jì)生物計(jì)算機(jī)正可由程序控制的生物，設(shè)計(jì)生物計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共109頁基基因因回回路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)流流程程建立建立DNA元件庫元件庫根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)決定基因回路決定基因回路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)調(diào)用庫元件調(diào)用庫元件模型模型利用計(jì)算機(jī)仿利用計(jì)算機(jī)仿真軟件確認(rèn)輸真軟件確認(rèn)輸出及功能正確

12、出及功能正確？建立集成生物建立集成生物回路（回路（IC）檢測基因回路性檢測基因回路性能穩(wěn)定可靠？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(diào)控的基因回路調(diào)控的基因回路現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共109頁基基因因回回路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)流流程程現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁，共109頁特定的信使RNA（mRNA）的分子的濃度代表一個(gè)邏輯信號。左圖，輸入的mRNA是缺失，則細(xì)胞轉(zhuǎn)錄基因輸出mRNA。右圖，輸入的mRNA存在，細(xì)胞把此mRNA翻譯成輸入蛋白，此蛋白與基因上的啟動子相結(jié)合，阻止細(xì)胞合成mRNA輸出。生物化學(xué)反相器-非門（NOT）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共109頁用

13、原核生物基因調(diào)控用原核生物基因調(diào)控模組模擬電子工程邏輯模組模擬電子工程邏輯門門。上方圖示出調(diào)控啟動子活性的因子。RNAP：RNA 聚合酶，TF：轉(zhuǎn)錄因子。 (Silva-Rocha and de Lorenzo, FEBS Letters 582 (2008) 12371244)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共109頁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(wǎng)絡(luò)）（決定網(wǎng)絡(luò)） Proteins and

14、 genes as runtime DLLs（運(yùn)行（運(yùn)行時(shí)間動態(tài)鏈接庫）時(shí)間動態(tài)鏈接庫） Modeling gene regulatory networks Simulating life as a computer program Using silicon to validate biological models現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁，共109頁Goal of Digital Cells（數(shù)字細(xì)胞數(shù)字細(xì)胞） Simulate a Gene Regulatory Network Goal of e-cell, CellML, and SBML projects Test microarra

15、y data for biological model Run expression data 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(dá)拼接啟動子來控制表達(dá)利用操縱子創(chuàng)建振蕩網(wǎng)絡(luò)利用操縱子創(chuàng)建振蕩網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁，共109頁Digital Cell Components數(shù)字細(xì)胞元件數(shù)字細(xì)胞元件 Bio-logic

16、 gates Inverters, oscillators Creating genomic circuitry Promoters, operons and genes Multigenic oscillating solutionsRon Weiss is the pioneer in the field /rweiss/ 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁，共109頁To電子回路的工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)電子回路的工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁，共109頁基因回路（基因回路（Genetic Circuits）設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁，共109頁 編程并控制

17、細(xì)胞行為的第一步是建立一個(gè)精心設(shè)計(jì)的元件庫，作為更復(fù)雜的生物系統(tǒng)的基石。在構(gòu)建具有一定的遺傳功能的邏輯門時(shí)，與電子邏輯門的輸入和輸出的電信號（H/1或L/0）相對應(yīng)的是特定DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合以及它們誘導(dǎo)物分子的濃度高（H，1）或低（L，0）。 建立在原核生物調(diào)控模式上的建立在原核生物調(diào)控模式上的數(shù)字細(xì)胞元件（生物邏輯門）模型數(shù)字細(xì)胞元件（生物邏輯門）模型- -基因回路元件設(shè)計(jì)基因回路元件設(shè)計(jì)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁，共109頁在細(xì)胞內(nèi)，這些分子與其它蛋白質(zhì)相互作用，綁定特定的DNA結(jié)合位點(diǎn)，并最終調(diào)節(jié)其他蛋白表達(dá)。這些調(diào)控活動，可以用數(shù)字邏輯功能及模擬信號處理來實(shí)現(xiàn)。任何基因轉(zhuǎn)錄翻譯成蛋白質(zhì)的首

18、要條件是：RNAp(RNA polymerase, RNA聚合酶)與基因上游區(qū)域的啟動子結(jié)合，啟動轉(zhuǎn)錄，隨后RNAp將基因轉(zhuǎn)錄為信使RNA(mRNA)，然后mRNA被翻譯成蛋白質(zhì)。若RNAp不能與啟動子結(jié)合，后面的過程就不能進(jìn)行?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁，共109頁1. 1. 非門或反相器（非門或反相器（NOT）生物學(xué)過程：B阻遏因子，當(dāng)它存在時(shí)，B搶占了RNAp與啟動子結(jié)合的位點(diǎn)。因此阻礙了基因P進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。電學(xué)過程：B為輸入信號，當(dāng)其輸入量高時(shí)，輸出為低；反之亦然。輸入與輸出反相，也稱反相器反相器?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁，共109頁1. 1. 非門或反相器（非門或反相器（NOT）左圖表示當(dāng)

19、無左圖表示當(dāng)無mRNA輸入時(shí)，啟動子未被抑制時(shí)，基因輸入時(shí)，啟動子未被抑制時(shí)，基因轉(zhuǎn)錄出轉(zhuǎn)錄出mRNA，有，有mRNA輸出；右圖表示當(dāng)有輸出；右圖表示當(dāng)有mRNA輸入輸入時(shí)，在細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)與啟動子區(qū)域的基因結(jié)合時(shí)，在細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)與啟動子區(qū)域的基因結(jié)合，抑制了基因的表達(dá)，無，抑制了基因的表達(dá)，無mRNA 輸出。此處輸入的輸出。此處輸入的mRNA的缺失或存在決定了下游的缺失或存在決定了下游mRNA是否輸出。是否輸出。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁，共109頁2. 2. 緩沖器門（緩沖器門（Amplifier or Buffer）生物學(xué)過程：A為轉(zhuǎn)錄因子，可以調(diào)控基因P使其進(jìn)行轉(zhuǎn)

20、錄表達(dá)。電學(xué)過程：A為輸入信號，只有當(dāng)其輸入量滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)，輸出信號才為高。A與P同相?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁，共109頁3. 3. 與門（與門（AND）生物學(xué)過程：）、兩個(gè)均為轉(zhuǎn)錄因子）為轉(zhuǎn)錄因子，為激活因子；以上兩種情況都要求只有當(dāng)、都同時(shí)存在時(shí)，才能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁，共109頁3. 3. 與門（與門（AND）電學(xué)過程：、為兩個(gè)不同的輸入信號，只有當(dāng)?shù)妮斎肓客瑫r(shí)滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)，才會使輸出信號高表達(dá)（輸出信號表示基因的表達(dá)量）?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁，共109頁3. 3. 與門（與門（AND）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：1）

21、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）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA100, 51365141.

22、現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁，共109頁4. 4. 或門（或門（OR）生物學(xué)過程：和都是基因的轉(zhuǎn)錄因子，當(dāng)和其中一個(gè)存在時(shí)，或者兩者同時(shí)存在時(shí)都能啟動基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)。即僅當(dāng)兩者都不存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄才無法進(jìn)行?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁，共109頁4. 4. 或門（或門（OR）電學(xué)過程：和B是兩個(gè)不同的輸入信號，當(dāng)A 、B其中一個(gè)的輸入量滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)，或者兩者同時(shí)滿足所要求的閾值時(shí)，輸出信號表現(xiàn)為高表達(dá)。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十二頁，共109頁4. 4. 或門（或門（OR）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：1）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003)

23、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 putida suggests that transcriptional control of biodegradative operonsevolves independently of

24、catabolic genes. J. Bacteriol. 176, 50525058.現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁，共109頁5. 5. 與非門（與非門（NAND）生物學(xué)過程：A與B都是抑制基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的因子，稱為阻遏因子。僅當(dāng)A與B同時(shí)存在時(shí)，基因P才不能正常的進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。因?yàn)榇藭r(shí)A與B“搶占”了RNAp與啟動子的結(jié)合位點(diǎn)，阻礙了轉(zhuǎn)錄的啟動?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十四頁，共109頁5. 5. 與非門（與非門（NAND）電學(xué)過程：A 、B為兩個(gè)不同的輸入信號，僅當(dāng)兩者的輸入量同時(shí)滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)，才使得輸出信號為低表達(dá)。可以將NAND門電路拆分為AND和NOT的組合?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第

25、四十五頁，共109頁5. 5. 與非門（與非門（NAND）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：1）Buchler, N.E., Gerland, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，100, 513651412）Escolar, L., Perez-Martin, J. and de Lorenzo, V. (1999) Opening the iron box: transcriptional metalloregulation by t

26、he 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 Pr/Ps region of the TOL plasmid. Mol. Microbiol. 27, 651659.4）

27、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現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十六頁，共109頁6. 6. 非與門（非與門（ANDN）生物學(xué)過程：A為轉(zhuǎn)錄的激活因子，能使基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)；B為阻遏因子，當(dāng)存在時(shí)，就會搶占啟動子結(jié)

28、合位點(diǎn)，使RNAp不能與啟動子結(jié)合，因此不能啟動基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。因此只有當(dāng)存在并且不存在時(shí)，基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)才能正常進(jìn)行?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十七頁，共109頁6. 6. 非與門（非與門（ANDN）電學(xué)過程：只有當(dāng)信號滿足能啟動基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值（以下簡稱為“高表達(dá)”），并且信號低于該閾值時(shí)（簡稱為“低表達(dá)”），輸出才會高表達(dá)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十八頁，共109頁6. 6. 非與門（非與門（ANDN）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcriptional regulation by compet

29、ing transcription factor modules. PLoS Comput. Biol. 2, e164.現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十九頁，共109頁7. 7. 或非門（或非門（NOR）生物學(xué)過程：、均為阻礙轉(zhuǎn)錄表達(dá)的阻遏因子。兩者都阻礙了RNAp與啟動子的結(jié)合。因此，只有當(dāng)兩者都不存在時(shí)，基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)才能進(jìn)行。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十頁，共109頁7. 7. 或非門（或非門（NOR）電學(xué)過程：只有當(dāng)信號與都低表達(dá)時(shí)，輸出才會高表達(dá)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十一頁，共109頁8. 8. 非或門（非或門（ORN）生物學(xué)過程：B是阻遏因子，A是能夠降解B的蛋白質(zhì)。當(dāng)只有B存在時(shí)，B與啟動子結(jié)合，阻礙了R

30、NAp與啟動子結(jié)合，因此使基因P不能正常進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。當(dāng)A存在時(shí)，即使B也同時(shí)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(jié)合或結(jié)合性減弱，因此使基因P能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十二頁，共109頁8. 8. 非或門（非或門（ORN）電學(xué)過程：A與B都是入信號，當(dāng)只有B高表達(dá)并且A低表達(dá)時(shí)，輸出為低。其余三種情況均為高表達(dá)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十三頁，共109頁8. 8. 非或門（非或門（ORN）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：Erill, I., Campoy, S. and Barbe, J. (2007) Aeons of distress: an evolutionary p

31、erspective on the bacterial SOS response. FEMS Microbiol. Rev. 31, 637656.現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十四頁，共109頁9. 9. 異或門（異或門（XOR）生物學(xué)過程生物學(xué)過程：基因：基因P能沿著能沿著DNA從兩個(gè)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。轉(zhuǎn)從兩個(gè)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。轉(zhuǎn)錄因子錄因子A使基因沿著左端進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)，轉(zhuǎn)錄因子使基因沿著左端進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)，轉(zhuǎn)錄因子B使基因沿著使基因沿著右端進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。但是當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，右端進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。但是當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，A會搶占會搶占B的的RNAp與啟動子結(jié)合的位點(diǎn)（或者說是與啟動子結(jié)合的位點(diǎn)（或者說是B會搶

32、占會搶占A的的RNAp與啟與啟動子結(jié)合的位點(diǎn)），使得基因動子結(jié)合的位點(diǎn)），使得基因P不能沿著不能沿著DNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。因此進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。因此，當(dāng)且僅當(dāng)，當(dāng)且僅當(dāng)A 、B其中一個(gè)存在時(shí)，基因其中一個(gè)存在時(shí)，基因P才能進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)錄表才能進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。達(dá)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十五頁，共109頁9. 9. 異或門（異或門（XOR）電學(xué)過程：當(dāng)且僅當(dāng)輸入信號A、B其中一個(gè)存在，并且它的表達(dá)量高時(shí)，才能使輸出表達(dá)高。此時(shí)，我們可以將XOR門看成是兩個(gè)ANDN門的組合?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十六頁，共109頁9. 9. 異或門（異或門（XOR）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：Buchler, N.E., Gerla

33、nd, U. and Hwa, T. (2003) On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 51365141.現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十七頁，共109頁10. 10. 同或門（同或門（XNOR）生物學(xué)過程： 基因P（P）可以沿著DNA向著左右兩端進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。但是沿著P（左端）進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，啟動子的活性比較弱，需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子同時(shí)作用才可進(jìn)行；沿著P方向，轉(zhuǎn)錄因子則變成了阻礙RNAp與啟動子結(jié)合的阻遏因子，因此沿著P方向，當(dāng)或兩者之一存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄過程就會受到抑制。）當(dāng)兩者都不存在時(shí)，受

34、抑制，而P沒受到阻礙，可以沿著P方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，所以輸出為。）當(dāng)只有或其中一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子存在時(shí)，由于不滿足方向條件（需要兩者同時(shí)存在），而此時(shí)這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子阻礙了P方向的與啟動子結(jié)合，使P方向的轉(zhuǎn)錄也不能進(jìn)行。所以輸出為。）當(dāng)與同時(shí)存在時(shí)，雖然轉(zhuǎn)錄因子阻礙了P方向的與啟動子結(jié)合，使P方向的轉(zhuǎn)錄不能進(jìn)行，但是此時(shí)滿足了沿著方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的條件，所以輸出為?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十八頁，共109頁10. 10. 同或門（同或門（XNOR）電學(xué)過程：只有當(dāng)、兩個(gè)輸入信號同時(shí)高或者同時(shí)低時(shí)，輸出才為高；否則輸出為低?？梢钥醋鍪桥c可以看做是與XOR與與NOT組成的組成的XOR的相反過程的相反過程。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十九

35、頁，共109頁10. 10. 同或門（同或門（XNOR）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：）Hermsen, R., Tans, S. and ten Wolde, P.R. (2006) Transcriptional 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. Ac

36、ad. Sci. USA100, 51365141.現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十頁，共109頁11. 11. 觸發(fā)器觸發(fā)器生物學(xué)過程：觸發(fā)器是一個(gè)能保持雙穩(wěn)態(tài)的合成基因網(wǎng)絡(luò)。觸發(fā)器包含兩個(gè)蛋白R1、R2，分別抑制啟動子P1、P2。兩個(gè)誘導(dǎo)劑I1、I2，分別能使抑制蛋白R1、R2無效化，導(dǎo)致P1、P2表達(dá)。相當(dāng)于下面的回路包含兩個(gè)互聯(lián)的ORN門?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十一頁，共109頁12. 12. 環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器包含三個(gè)蛋白質(zhì)和三個(gè)它們對應(yīng)的啟動子，設(shè)定蛋白質(zhì)Px抑制蛋白質(zhì)Py的表達(dá)，而蛋白質(zhì)Py抑制蛋白質(zhì)Pz的表達(dá)，蛋白質(zhì)Pz抑制蛋白質(zhì)Px的表達(dá) ?；蚓W(wǎng)絡(luò)配置對應(yīng)一個(gè)環(huán)形振蕩器邏輯電路?，F(xiàn)

37、在學(xué)習(xí)的是第六十二頁，共109頁12. 12. 環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器在PLtetO-1啟動子的下游標(biāo)放一個(gè)綠色熒光標(biāo)記的蛋白以便顯示在任何特定細(xì)胞中cI的近似濃度。右圖顯示了在一個(gè)特定的細(xì)胞中熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，表現(xiàn)為振蕩，圖中的小條描繪細(xì)胞的分裂活動。其他細(xì)胞的振蕩行為差別很大?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十三頁，共109頁三三. 基因回路的設(shè)計(jì)成果實(shí)例基因回路的設(shè)計(jì)成果實(shí)例現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十四頁，共109頁發(fā)表合成生物學(xué)較多的刊物及新創(chuàng)刊的刊物PNASNatureScienceMSB現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十五頁，共109頁Nature, 2010由基因編碼“與非門”構(gòu)成其他更復(fù)雜的邏輯門；基因編碼門間的化

38、學(xué)連接?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十六頁，共109頁基因編碼的“或非”門在大腸桿菌（在大腸桿菌（E. Coli)中，中，2個(gè)串聯(lián)的啟動子作為輸入驅(qū)動個(gè)串聯(lián)的啟動子作為輸入驅(qū)動阻遏子的轉(zhuǎn)錄。阻遏子的轉(zhuǎn)錄。1個(gè)菌株形成個(gè)菌株形成1個(gè)或非門。個(gè)或非門。群體感應(yīng)分子（群體感應(yīng)分子（quorum molecules）AHL（ Acyl homo-serine lactone ）可）可以形成門間的連線。以形成門間的連線。由多個(gè)或非門間的相互連接組由多個(gè)或非門間的相互連接組成各種復(fù)雜的邏輯門。成各種復(fù)雜的邏輯門?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十七頁，共109頁基因編碼的“或非”門PBAD、PTet分別由arabinose (Ara

39、)和anhydrotetracycline (aTc)激活。它門作為或非門的2個(gè)輸入啟動子。YFP（Yellow Fluorescent Protein，黃色熒光蛋白）作為輸出基因。流式細(xì)胞儀（flow cytometry）測量結(jié)果或門CI阻遏基因或非門55E-15E-25E-35E-40現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十八頁，共109頁其他輸入信號：3OC12-HSL激活的PLas啟動子也可作為輸入。PBAD、PTetPBAD、PLasPTet、PLas現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十九頁，共109頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十頁，共109頁不同邏輯門的構(gòu)成現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十一頁，共109頁不同邏輯門的構(gòu)成現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十二頁，

40、共109頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十三頁，共109頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十四頁，共109頁Gene Regulatory Network基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十五頁，共109頁Basic GRN Circuit FlowGross 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.

41、/ 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十六頁，共109頁/Gene regulatory networks interface with cellular processes現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十七頁，共109頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十八頁，共109頁合成生物學(xué)應(yīng)用BioEnergy. Cells are being engineered to consume agricultural products and produce liquid fuels. British Petroleum and the US DOE granted $650 million doll

42、ars for research in the San 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 bui

43、ld chemical precursors for 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. 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七十九頁，

44、共109頁（1）美國UCB化學(xué)工程系教授、勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室合成生物學(xué)中心主任Keasling本科曾獲得化學(xué)與生物學(xué)雙學(xué)位，后來又獲得化學(xué)工程博士學(xué)位。所以在他從事代謝工程及合成生物學(xué)的研究中能很好地將化學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)工程學(xué)相結(jié)合。在他從事抗瘧疾藥的生物合成研究中，始終把細(xì)胞當(dāng)作微生物制藥工廠（Microbial drug factories），進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、集成、組裝、控制。體現(xiàn)在合成生物學(xué)技術(shù)上包括DNA的合成、來自細(xì)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(diào)控等。他們關(guān)于抗瘧疾藥物生物合成的研究成果先后發(fā)表在2003年Nature B

45、iotechnology和2006年的Nature上。 合成生物學(xué)研究舉例現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十頁，共109頁Keasling 實(shí)驗(yàn)室 Research Interests: 代謝工程， 系統(tǒng)生物學(xué)，合成生物學(xué)Synthetic Biology for Synthetic Chemistry ACS Chemical Biology, 2008,3:64-76 （合成生物學(xué)合成化學(xué)青蒿素合成舉例）Importance of systems biology in engineering microbes for biofuel production Current Opinion in Biotec

46、hnology 2008, 19:228234（系統(tǒng)生物學(xué)生物燃料生產(chǎn)）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(xué)生物燃料） Current Opinion in Biotechnology 2008, 19: in press 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十一頁，共109頁The process for the microbial production of artemisinin. Using syntheti

47、c biology用合成生物學(xué)生產(chǎn)抗瘧疾藥青蒿素現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十二頁，共109頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十三頁，共109頁Christina D. SmolkeDivision of Chemistry and Chemical EngineeringCalifornia Institute of Technology現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十四頁，共109頁A Synthetic Gene-Metabolic OscillatorFung, E., Wong, W.W., Suen, J.K., Bulter, T., Lee, S.G. and Liao, J.C. (2005) Nature, 435

48、, 118-122. we designed and constructed a synthetic circuit in Escherichia coli 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

49、phosphate, the system oscillates when the glycolytic rate exceeds a critical 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

50、, as well as the predictability of a de novo genemetabolic circuit designed using nonlinear dynamic analysis.現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十五頁，共109頁Resistance to Diet-Induced Obesity in Mice with Synthetic Glyoxylate Shunt Cell Metabolism, 9：525-536, 2009UCLA(加州大學(xué)洛杉磯分校 )的化學(xué)與生物分子工程學(xué)教授廖俊智（James Liao）借鑒了合成生物學(xué)的的研究策略，發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)新的、

51、具有煽動效應(yīng)的研究結(jié)果。他們將細(xì)菌和植物中燃燒脂肪的途徑植入老鼠的體內(nèi)。這種基因改變能使動物將脂肪轉(zhuǎn)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(xué)的合成生物學(xué)家詹姆斯考林斯（James Collins）說：“這項(xiàng)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(xué)的方法治療人類疾病?！碑?dāng)前的基因或蛋白治療方案主要集中于單個(gè)分子，比如說替換一個(gè)缺失的分子，如胰島素，或者在癌癥中抑制一個(gè)有害蛋白的表達(dá)。換個(gè)思路，考林斯認(rèn)為，科學(xué)家們可以試著考慮利用工程學(xué)的方法，使身體具有原先不具備的功能。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十六頁，共109頁國際遺傳機(jī)器大賽（international

52、 Genetically Engineered Machine Competition， iGEM）Assembling Building Blocks for Novel FunctionsDNA元件庫生物系統(tǒng)基因機(jī)器構(gòu)建組裝Synthesis!現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十七頁，共109頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十八頁，共109頁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 exac

53、tly to your needs, quickly and cost effectively. Applications of custom gene synthesis include codon optimization for increased protein expression, synthetic biology, gene variants, RNAi trans-complementation and much more. 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八十九頁，共109頁Information vs. ProcessingJust as in a computer, data bits

54、and processing bits are made from the same material, 0 or 1, or A, T, C, G, or U in biology現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九十頁，共109頁Nature as a Computer Biological systems like DNA and RNA especially appear to be more than networks of information. RNA itself can be seen as a molecular decision network現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九十一頁，共109頁E-Cell

55、 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 allows many components driven by multiple algorithms with different timescales to coexist 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九十二頁，共109頁Computer Modeling Metabolic Pathway

56、s BioCyc collection of organism specific metabolic pathway databases cellML is an XML based format for exchanging biological data from genes to proteins to metabolism現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九十三頁，共109頁Digital Cells MeetSynthetic Biology Model the circuit Validate the circuit Tinker with the circuit Then Alter the gen

57、e to build a new protein SNPs will give you a first approach See if the new protein is well tolerated現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九十四頁，共109頁Gene TherapyGene therapy using an Adenovirus vector. A new gene is inserted into an adenovirus vector, which is used to introduce the modified DNA into a human cell. If the treatment

58、 is successful, the new gene will make a functional protein./wiki/Gene_therapy 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九十五頁，共109頁DNA VaccinesThe ultimate method to train the immune system against a multitude of threatsInject a known sequence of DNATrick the cell into expressing it, then seeing it as an antigen

59、 to ward against.Used to fight cancer.現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九十六頁，共109頁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, characterized現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九十七頁，共109頁Stem Cell TechnologyOnce you have an altered genome ready to test beyond a simple one cell environment, you leverage the ability of stem cells to mass produce yo