營養(yǎng)生物化學與分子生物學 課件 第11章-食品合成生物學

第十一章食品合成生物學概述合成生物學基本原理本章目錄一二合成生物學基因線路與組裝合成生物學與營養(yǎng)健康三四本章重難點掌握熟悉合成生物學的解耦與標準化；生物積塊的標準化與定量；合成生物系統(tǒng)的邏輯結構?；蚓€路調控元件；基因調控開關；邏輯門基因線路類型。了解合成生物學與營養(yǎng)健康。第一節(jié)概述一、合成生物學的起源與發(fā)展二、合成生物學的定義與研究策略三、合成生物學的特點一、合成生物學的起源與發(fā)展1910年，法國物理化學家StephaneLeduc首次提出“合成生物學；1953年DNA雙螺旋結構被發(fā)現(xiàn)以來，胰島素一級結構的確定、蛋白質和寡聚DNA/RNA的人工合成等一系列生命科學研究的進步為生物分子結構與功能研究的新時代奠定了基礎；1980年，“合成生物學”第一次被作為文章標題出現(xiàn)在學術期刊上；一、合成生物學的起源與發(fā)展20世紀90年代以后，人類基因組計劃的實施、“組學”研究的興起為生物體和生命運動提供了“藍圖”；生物信息學以及后來的系統(tǒng)生物學等學科的發(fā)展，為合成生物學的出現(xiàn)奠定了全面的生物學基礎。2000年，EricKool重新定義了“合成生物學”，是基于系統(tǒng)生物學的遺傳工程，標志著這一學科的出現(xiàn)。二、合成生物學的定義與研究策略

合成生物學是在現(xiàn)代分子生物學和系統(tǒng)科學以及合成科學基礎上發(fā)展起來、融入工程學思想和策略的新興交叉學科，通過將自然界存在的生物元件標準化、去耦合和模塊化來設計新的生物系統(tǒng)或改造已有的生物系統(tǒng)。

學科交叉與融合是合成生物學打破傳統(tǒng)技術的優(yōu)點之一，很多技術通過合成生物學得以集成，突破了單一方法的局限，從而能解決更復雜的問題。第二節(jié)合成生物學基本原理一、合成生物學解析的思路二、生物積塊的標準化及定量化三、合成生物學中的層級結構四、合成生物系統(tǒng)的邏輯結構一、合成生物學解析的思路生物系統(tǒng)的解耦生物系統(tǒng)的抽提生物系統(tǒng)的標準化二、生物積塊的標準化及定量化1.生物積塊標準化的優(yōu)點：生物積塊種類多，可供選擇的余地大?？朔酥苯訌淖匀簧镏锌寺』蛩仨毭鎸Φ漠愒幢磉_問題。節(jié)省了時間，提高了效率。為使用者迅速找到理想的模塊提供了便利。為生物模塊的功能預測提供了參考、比較和優(yōu)化的平臺。iGEMRegistry提供的交流平臺和文獻資料，可以互相取長補短。二、生物積塊的標準化及定量化2.生物積塊的通用符號和功能描述iGEMRegistry對其中的每一個生物積塊都有詳細的注釋,包括該片段的示意圖、堿基順序(不包括前綴和后綴)二、生物積塊的標準化及定量化3.生物積塊的通用符號和功能描述iGEMRegistry中生物積塊的標準化體現(xiàn)在每一個DNA模塊的結構上:除了本身的功能序列以外,它們都具有相同的前綴和后綴,每一個生物積塊的前綴中都包括EcoRⅠ和XbaⅠ兩個酶切位點,后綴中包括SpeI和PstI兩個酶切位點。二、生物積塊的標準化及定量化3.生物積塊的定量機制PoPS(RNApolymerasepersecond,RNA聚合酶每秒)用于衡量基因的被轉錄水平,對于每個DNA拷貝來講RNA聚合酶分子每秒通過DNA分子上某一點的數(shù)量即為PoPS。從某種意義上講,PoPS類似于流經(jīng)電線特定位置的電流流量。RIPS(ribosomalinitiationspersecond,RIPS)則是用于衡量mRNA的翻譯水平,對于每一個mRNA來講,是指核糖體分子每秒通過mRNA分子上某一點的數(shù)量三、合成生物學中的層級結構生物元件、生物裝置、生物系統(tǒng)構成了合成生物系統(tǒng)的層級化結構三、合成生物學中的層級結構生物元件:啟動子、蛋白質編碼基因、終止子、報告基因、引物組件、標簽組件、蛋白質發(fā)生組件、轉換器等類別。生物裝置:通過組合具有生物學功能的基本設計單元生物元件設計更復雜的生物裝置。生物系統(tǒng):生物系統(tǒng)是具有互連功能的可執(zhí)行復雜任務的一組生物裝置。簡化的生物裝置示意圖四、合成生物系統(tǒng)的邏輯結構借鑒計算機邏輯結構中的前饋、反饋等,經(jīng)過合理組合,連接成功能性基因線路,進而形成基因網(wǎng)絡乃至生物系統(tǒng)。四、合成生物系統(tǒng)的邏輯結構（1）串聯(lián)結構與并聯(lián)結構四、合成生物系統(tǒng)的邏輯結構（2）單輸入結構單輸入結構示意圖大腸桿菌精氨酸合成系統(tǒng)中單輸入結構四、合成生物系統(tǒng)的邏輯結構（3）多輸入結構多輸入結構示意圖多輸入熱敏傳感器多輸入連接單輸入四、合成生物系統(tǒng)的邏輯結構（4）前饋結構：前饋控制的基本原理是測取進入過程的擾動量(包括外界擾動和設定值的變化),并按照其信號產生合適的控制作用去改變控制量,使被控制的變量維持在設定值上。前饋控制的特點是在干擾信號進入系統(tǒng)后分成干擾通路和補償通路這兩條不同途徑影響最終變量。不一致前饋中的Z脈沖響應曲線

一致前饋中的Z脈沖響應曲線四、合成生物系統(tǒng)的邏輯結構（4）反饋結構：反饋是指系統(tǒng)的信號輸出會反過來影響系統(tǒng)的輸入,并進一步影響自身的一種控制機制。

反饋結構示意圖左：四環(huán)素傳感器與正反饋放大器耦合的示意圖。

右：耦合放大器后對四環(huán)素檢測效果的影響第三節(jié)合成生物學基因線路與組裝一、基因線路的概述二、基因線路調控元件三、邏輯門基因線路類型四、基因線路調控開關一、基因線路的概述基因線路：細胞內的生物學部分被設計成模仿在電子電路中觀察到的邏輯功能。二、基因線路調控元件啟動子：是指位于結構基因5'-端上游，可被RNAP特異性識別和結合的一段特殊DNA序列。原核和真核生物啟動子結構示意圖二、基因線路調控元件2.終止子：是位于基因編碼區(qū)下游，能夠給予RNAP轉錄終止信號的特殊DNA序列。內在終止子的序列特征二、基因線路調控元件3.弱化子：是指原核生物操縱子中能顯著減弱甚至終止轉錄作用的一段核苷酸序列，該區(qū)域位于操縱子的上游，能形成不同的二級結構，利用原核微生物轉錄與翻譯的偶聯(lián)機制對轉錄進行調節(jié)。色氨酸操縱子mRNA5’端的弱化子結構二、基因線路調控元件4.增強子：是指位于結構基因附近，能夠明顯增強該基因轉錄活性的一段DNA序列。增強子的作用機制二、基因線路調控元件5.阻遏子：是基于某種調節(jié)基因表達的一種調控蛋白質，在原核生物中具有抑制特定基因(群)產生特征蛋白質的作用，也稱阻遏蛋白。色氨酸操縱子中阻遏子的工作原理二、基因線路調控元件6.絕緣子(insulator)：是在基因組內建立獨立的轉錄活性結構域的邊界DNA序列。二、基因線路調控元件7.核糖體結合位點：是mRNA上的起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū)，核糖體可以識別并結合這一序列來啟動翻譯過程。8.轉錄因子：是指可以結合到特定DNA序列進而調控遺傳信息從DNA到mRNA的蛋白質。三、邏輯門基因路線類型合成生物學常見邏輯門線路及真值表合成生物學中邏輯門基因線路起源于數(shù)字電路中的邏輯運算,借鑒其控制理論和邏輯電路的設計規(guī)則來研究基因線路的邏輯關系與調控方法,即模擬各種邏輯關系和數(shù)字元件的遺傳路線,復雜的生物學被抽象成{0,1}空間的映射關系,這有助于更好地深入認識網(wǎng)絡自身的主要功能。三、邏輯門基因路線類型（1）“與”門基因線路

“與”門（ANDgate）是常見的邏輯門之一，其邏輯計算原則是只有輸入信號全部同時為“真”時，才會輸出“真”的信號?！芭c”門（ANDgate）基因線路示意圖三、邏輯門基因路線類型（1）“與”門基因線路

帶有記憶功能的“與”門基因線路示意圖新插入的cI基因在系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)時,表達的CI蛋白能夠抑制啟動子1,從而抑制lac和tet基因表達相應蛋白質,解除了LacI和TetR對啟動子2的抑制作用。當IPTG或aTc輸入不同時存在時,“與”門本應被關閉.但CI蛋白的存在會抑制啟動子1,進而抑制Lacl和TetR蛋白的產生,啟動子2得以繼續(xù)表達,系統(tǒng)仍然會維持開啟狀態(tài)不變,熒光蛋白還是會在一定時間內持續(xù)存在。三、邏輯門基因路線類型（2）“或”門基因線路“或”門（ORgate）邏輯計算的原則是輸入信號中，有一個為“真”，則輸出為“真”?！盎颉遍T（ORgate）基因線路示意圖三、邏輯門基因路線類型（3）“非”門基因線路“非”門（NOTgate）是數(shù)字邏輯中實現(xiàn)邏輯非的邏輯門，又稱轉換器、反向器（inverter）?！胺恰遍T（NOTgate）基因線路示意圖三、邏輯門基因路線類型（4）“與非”門基因線路是一個用“與”門和“非”門組成“與非”門。“與非”門基因線路示意圖三、邏輯門基因路線類型（5）“或非”門基因線路“或非”（NORgate）門是“或”門和“非”門的結合”?！盎蚍恰遍T基因線路示意圖第四節(jié)合成生物學與營養(yǎng)健康一、微生物工程增強益生菌功能二、健康產品及藥物開發(fā)三、食品檢測四、健康監(jiān)測一、微生物工程增強益生菌功能基于合成生物學的工程化益生菌在疾病治療中具有廣闊的應用前景。SyntheticCircuit使用合成基因電路動態(tài)控制細菌與周圍環(huán)境的相互作用。CAP細菌表面莢膜多糖—天然胞外生物聚合物AdjustableTranslocation允許在一個腫瘤中的細菌的原位激活，而后可誘導的細菌可異位至遠端未定植的腫瘤PreciselyControl精準控制，增強細菌的全身遞送。延時符一、微生物工程增強益生菌功能二、健康產品及藥物開發(fā)采用合成生物學技術路線研制藥物。通過激活“神秘”途徑來獲得豐富的基因組資源，發(fā)現(xiàn)新化合物。三、食品檢測在食品檢測方面，利用合成生物學改造出的菌株能夠有效檢測和降解多種食品污染物，其中包括對農藥殘留和重金屬的檢測。農藥分子特異性激活轉錄調節(jié)因子工作示意圖四、健康監(jiān)測活細胞生物傳感器在檢測臨床標志性化合物方面具有多種優(yōu)勢，并且已被證明是有用的分析工具。檢測葡萄糖的細菌傳感器的結構和操作二本章小結合成生物學是在分子生物學、生物化學、基因工程、生物信息學等學科發(fā)展和成熟過程中形成的一門具有工程化特質的交叉學科。合成生物學通過對復雜生物過程的解耦、系統(tǒng)抽提以及標準化，形成標準化的生物積塊和連接方法。通過生物元件、生物裝置和生物系統(tǒng)三