(24)-9.3 合成生物學(xué)的研究方向

第三節(jié)合成生物學(xué)的研究方向一、創(chuàng)建新的基因調(diào)控模塊和線路

各種蛋白質(zhì)、DNA、RNA的相互作用形成復(fù)雜的表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)構(gòu)建非天然的基因調(diào)控模塊設(shè)計(jì)構(gòu)建細(xì)胞生命活動(dòng)的分子網(wǎng)絡(luò)。用途：調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)功能?；蚓€路1）基因撥動(dòng)開關(guān)e.g.E.coli報(bào)告基因誘導(dǎo)物A阻遏物A啟動(dòng)子B啟動(dòng)子A阻遏物B誘導(dǎo)物B通過(guò)加入不同的誘導(dǎo)物實(shí)現(xiàn)開關(guān)在兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。狀態(tài)轉(zhuǎn)換具有滯后性，具有記憶功能。2）基因振蕩器FT1激活它本身和FT2；FT2過(guò)量，會(huì)抑制FT13）大腸桿菌成像系統(tǒng)

將細(xì)菌改造成感光膠片，像素1平方米1億像素分辨率。

將藻膽青素合成基因(ho1和pcyA)轉(zhuǎn)入大腸桿菌，使之能將血紅素轉(zhuǎn)化為光敏感的藻膽青素PCB。lacZompC

promoter

PCBBlackPCBPCB二、生命體代謝途徑的重新構(gòu)建微生物載體生產(chǎn)外源蛋白，目前人類利用E.coli生產(chǎn)1000多種人類蛋白。代謝途徑改造----調(diào)節(jié)核心組件優(yōu)化途徑

不同的生物學(xué)途徑提取出來(lái)優(yōu)化整合到宿主細(xì)胞合成目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)1.

青蒿酸合成線路的設(shè)計(jì)構(gòu)建瘧疾典型的瘧疾多呈周期性發(fā)作，表現(xiàn)為間歇性寒熱發(fā)作。發(fā)作時(shí)先有明顯的寒戰(zhàn)，全身發(fā)抖，面色蒼白，接著體溫迅速上升，達(dá)40℃或更高，面色潮紅，全身大汗淋漓，大汗后體溫降至正?；蛘Ｒ韵?。經(jīng)過(guò)一段間歇期后，又開始重復(fù)上述間歇性定時(shí)寒戰(zhàn)、高熱發(fā)作。

每年5億人感染，100萬(wàn)死亡。目前最有效的是青蒿素，生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本昂貴。

中藥青篙中提取的有過(guò)氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯藥物。Keasling利用合成生物學(xué)，將大腸桿菌改造成青蒿酸工廠。將甲羥戊酸合成途徑轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，改造獲得E.coli

青蒿酸的產(chǎn)量300mg/L。困難：難以預(yù)計(jì)的復(fù)雜性這一工作幾乎是150人一年工作的結(jié)果，這些工作包括，探究每個(gè)基因的功能、探究這些功能基因組合在一起的運(yùn)作機(jī)制。

由于在生物合成抗瘧疾藥物的突出成就,Keasling被美國(guó)“發(fā)現(xiàn)”雜志評(píng)選為2006年度最有影響的科學(xué)家。該項(xiàng)目已經(jīng)獲得比爾-梅林達(dá)蓋茨基金會(huì)4300萬(wàn)美元的資助,進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室研究、中試、臨床實(shí)驗(yàn)等后續(xù)工作。2.

代謝途徑的快速進(jìn)化基因突變改造代謝途徑生產(chǎn)目標(biāo)化合物

對(duì)20種番茄紅素合成有關(guān)的基因進(jìn)行突變；將突變的90個(gè)DNA片段，轉(zhuǎn)入大腸桿菌；

3天內(nèi)產(chǎn)生了150億基因突變體；從中篩選到使番茄紅素產(chǎn)量提高5倍的基因。3.

利用合成生物學(xué)生產(chǎn)新能源

Kaslling利用13個(gè)可逆的酶促反應(yīng)組合起來(lái)創(chuàng)建一條非天然的催化路徑。

淀粉+水H2三、最小基因組與合成生物學(xué)合成生物學(xué)最終目標(biāo)：

合成獨(dú)立的可遺傳的人工生命體

人工生命的基本要素具有膜系統(tǒng)能進(jìn)行新陳代謝具有自己的基因研究最簡(jiǎn)化生命的兩種方法從下而上：從核苷酸合成新生命體。從上而下：從基因組中剔除非必要基因組。1.人工構(gòu)建合成生命體

2002年Wimmer小組脊髓灰質(zhì)炎病毒的合成Venter合成噬菌體基因組和生殖道支原體基因組

不同物種間基因組的移植

將蕈狀支原體基因組移植到山羊支原體中。

絲狀支原體2.最小基因組的構(gòu)建

Blattnerj小組刪除大腸桿菌基因組的15%（高達(dá)82Kb）,細(xì)菌仍保持了良好的生存狀態(tài)。改造后菌株的電穿孔效率、基因表達(dá)都有改變。電穿孔

Endy小組用12kb人工合成的DNA取代野生T7基因組中的11kb的非必須DNA構(gòu)建新的生命體。

最小基因組優(yōu)點(diǎn)選擇性的保留所需的代謝途徑和功能；成為合成基因網(wǎng)絡(luò)理想的容器；為插入模塊提供最簡(jiǎn)單無(wú)干擾的環(huán)境。理想的細(xì)胞底盤應(yīng)具備的條件長(zhǎng)期培養(yǎng)中保持基因穩(wěn)定能夠在低營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基中生長(zhǎng)以降低成本同時(shí)協(xié)調(diào)多基因的表達(dá)能夠通過(guò)調(diào)整合成路徑抑制與生產(chǎn)無(wú)關(guān)的合成路徑四、構(gòu)建多細(xì)胞體系多細(xì)胞體系是建立在群體細(xì)胞效應(yīng)的研究基礎(chǔ)上，多細(xì)胞涉及細(xì)胞間的通信體系。

群體效應(yīng)：微生物通過(guò)自身產(chǎn)生的一種化學(xué)信號(hào)來(lái)感受群體的濃度，從而表現(xiàn)出某種特殊的行為。細(xì)菌QS系統(tǒng)作用細(xì)菌根據(jù)特定信號(hào)分子的濃度可以監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境中自身或其它細(xì)菌的數(shù)量變化，當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定的濃度閾值時(shí)，能啟動(dòng)菌體中相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)適應(yīng)環(huán)境中的變化。枯草芽胞桿菌利用QS系統(tǒng)對(duì)細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)行調(diào)控當(dāng)營(yíng)養(yǎng)豐富、菌體稀少時(shí)向感受態(tài)方向發(fā)展；營(yíng)養(yǎng)貧乏菌體密度高時(shí)向芽胞方向發(fā)展。

合成生物學(xué)的工程本質(zhì)

“工程化”是合成生物學(xué)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，也是合成生物學(xué)區(qū)別現(xiàn)有生物學(xué)其它學(xué)科的主要特征之一。合成生物學(xué)家力圖通過(guò)工程化方法，將復(fù)雜生物系統(tǒng)簡(jiǎn)化以探索自然生物現(xiàn)象及其應(yīng)用，并利用基因等元素設(shè)計(jì)和構(gòu)建具有嶄新功能的合成生物系統(tǒng)。自上至下（逆向工程）和自下至上（前/正向工程）是合成生物學(xué)的過(guò)程化研究主要有兩種策略。自上至下策略主要用于分析階段，試圖利用抽提和解耦方法降低自然生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，將其層層凝練成工程化的標(biāo)準(zhǔn)模塊。自下至上的策略通常是指通過(guò)工程化方法，利用標(biāo)準(zhǔn)化模塊，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜構(gòu)建具有期望功能的生物系統(tǒng)的方法。合成生物系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)

具有一定功能的DNA序列組成最簡(jiǎn)單的生物積塊，稱為生物部件（Part）；不同功能的生物部件按照一定的邏輯和物理連接組成復(fù)雜的生物裝置（Device）；不同功能的生物裝置協(xié)同運(yùn)作組成更加復(fù)雜的生物