合成生物學(xué)與基因回路課件

合成生物學(xué)與基因回路第一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。一.什么是合成生物學(xué)SyntheticBiology第二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。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)“syntheticbiology”（合成生物學(xué)）一詞?！馤ancet雜志最早于1911年7月8日有一篇文章出現(xiàn)“syntheticbiology”（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)第三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。NatureBiotechnology,27(12),2009

FocusonSyntheticBiologyThelatestiterationofgeneticengineeringofferstheprospectofthedesignandconstructionofnewlifeformsfrombiologicalparts,devicesandsystems.基因工程的最新研究成果提供了通過生物元件、裝置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組裝新生命形式的前景第四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。NatureReviews,10(6),2009第五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。

●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、操作化合物、制造材料、生產(chǎn)能源、提供食物、保持和增強(qiáng)人類的健康和改善我們的環(huán)境。

/wiki/Synthetic_biology

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簡(jiǎn)單地說，合成生物學(xué)是通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。

第六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。合成生物學(xué)的定義SyntheticBiologyis：A)thedesignandconstructionofnewbiologicalparts,devices,andsystems,andB)there-designofexisting,naturalbiologicalsystemsforusefulpurposes.

/第七頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。1998200020022004200620082000400060008000100000204060801001200網(wǎng)絡(luò)信息期刊/專利數(shù)量Sciru網(wǎng)絡(luò)信息Scirus檢索專利Scopus檢索期刊Scirus檢索期刊合成生物學(xué)領(lǐng)域由Scirus搜索的學(xué)術(shù)論文數(shù)、專利數(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息以及由Scopus搜索的學(xué)術(shù)論文數(shù)第八頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。 2004年被美國(guó)MIT出版的《TechnologyReview》評(píng)為將改變世界的10大新出現(xiàn)的技術(shù)之一(10EmergingTechnologiesThatWillChangeYourWorld)。 2009年中科院300多位專家經(jīng)過一年多研究發(fā)布的《創(chuàng)新2050：科技革命與中國(guó)的未來》戰(zhàn)略研究系列報(bào)告中指出：“合成生物學(xué)”是可能出現(xiàn)革命性突破的4個(gè)基本科學(xué)問題之一。合成生物學(xué)的發(fā)展前景與基礎(chǔ)第九頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。DNA是生物的遺傳物質(zhì)第十頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。于1990年正式啟動(dòng),于2003年4月14日完成了人類基因組全部序列測(cè)定人類基因組計(jì)劃第十一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。ACGT第十二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。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)(Bioinformatics)

是合成生物學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)之一。它包含了生物信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)、分析和解釋等在內(nèi)的所有方面，它綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，來闡明和理解大量數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義。第十三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。細(xì)胞:奇異絕妙的小工廠第十四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。系統(tǒng)生物學(xué)研究細(xì)胞對(duì)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(duì)總體應(yīng)答作出預(yù)測(cè).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)第十五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。Systemsbiologyasafoundationforgenome-scalesyntheticbiologyChristianLBarrett,TaeYongKim,HyunUkKim,Bernhard?PalssonandSangYupLee,CurrentOpinioninBiotechnology2006,17:488–492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)第十六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。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)數(shù)據(jù)積累引起的科學(xué)發(fā)現(xiàn)

－－第四次科學(xué)大發(fā)展第十七頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。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)應(yīng)用第十八頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。合成生物學(xué)的發(fā)展過程第十九頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。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PhiX174（5386bp）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Mycoplasmagenitalium生殖道支原體基因組（582790kb），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?！肮ぷ鳌?。人工合成生物全基因組第二十頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。合成生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容合成代謝網(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(hào)。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/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，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(hào)交流、異步功能配合等。數(shù)學(xué)模擬和功能預(yù)測(cè)第二十一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。二.合成生物學(xué)的研究方法

基因回路（GeneticCircuits）設(shè)計(jì)

第二十二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。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，它是通過合成來理解生命。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)造出更多、功能更復(fù)雜的系統(tǒng)。三、將電子工程領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論應(yīng)用到生物系統(tǒng)，重組DNA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)。第二十三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。基因回路設(shè)計(jì)流程建立DNA元件庫(kù)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)決定基因回路結(jié)構(gòu)調(diào)用庫(kù)元件模型利用計(jì)算機(jī)仿真軟件確認(rèn)輸出及功能正確？建立集成生物回路（IC）檢測(cè)基因回路性能穩(wěn)定可靠？建立集成生物回路（IC）成功建立穩(wěn)定可調(diào)控的基因回路第二十四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分?；蚧芈吩O(shè)計(jì)流程第二十五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。特定的信使RNA（mRNA）的分子的濃度代表一個(gè)邏輯信號(hào)。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(dòng)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）第二十六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。利用原核生物基因調(diào)控模組模擬電子工程邏輯門。上方圖示列出調(diào)控啟動(dòng)子活性的因子。RNAP：RNA聚合酶，TF：轉(zhuǎn)錄因子。(Silva-RochaanddeLorenzo,FEBSLetters582(2008)1237–1244)第二十七頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。Bio-Informatics要做的事LookingatlifeasaninformationsystemDNAasadatabase（數(shù)據(jù)庫(kù)）RNAasadecisionnetwork（決定網(wǎng)絡(luò)）ProteinsandgenesasruntimeDLLs（運(yùn)行時(shí)間動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）ModelinggeneregulatorynetworksSimulatinglifeasacomputerprogramUsingsilicontovalidatebiologicalmodels第二十八頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。GoalofDigitalCells（數(shù)字細(xì)胞）SimulateaGeneRegulatoryNetworkGoalofe-cell,CellML,andSBMLprojectsTestmicroarraydataforbiologicalmodelRunexpressiondatathroughGRNfunctionsCreatebiologicalcellswithnewfunctionsSpliceinpromoterstocontrolexpression

Createoscillatingnetworksusingoperons拼接啟動(dòng)子來控制表達(dá)利用操縱子創(chuàng)建振蕩網(wǎng)絡(luò)第二十九頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。DigitalCellComponents

數(shù)字細(xì)胞元件Bio-logicgatesInverters,oscillatorsCreatinggenomiccircuitryPromoters,operonsandgenesMultigenicoscillatingsolutionsRonWeissisthepioneerinthefield/~rweiss/

第三十頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。To電子回路的工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第三十一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分?；蚧芈罚℅eneticCircuits）設(shè)計(jì)第三十二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。編程并控制細(xì)胞行為的第一步是建立一個(gè)精心設(shè)計(jì)的元件庫(kù)，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(hào)（H/1或L/0）相對(duì)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)第三十三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。

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(dòng)，可以用數(shù)字邏輯功能及模擬信號(hào)處理來實(shí)現(xiàn)。

任何基因轉(zhuǎn)錄翻譯成蛋白質(zhì)的首要條件是：RNAp(RNApolymerase,RNA聚合酶)與基因上游區(qū)域的啟動(dòng)子結(jié)合，啟動(dòng)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(dòng)子結(jié)合，后面的過程就不能進(jìn)行。第三十四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。1.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(dòng)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(hào)，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。第三十五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。1.非門或反相器（NOT）左圖表示當(dāng)無mRNA輸入時(shí)，啟動(dòng)子未被抑制時(shí)，基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，有mRNA輸出；右圖表示當(dāng)有mRNA輸入時(shí)，在細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)與啟動(dòng)子區(qū)域的基因結(jié)合，抑制了基因的表達(dá)，無mRNA輸出。此處輸入的mRNA的缺失或存在決定了下游mRNA是否輸出。第三十六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。2.緩沖器門（AmplifierorBuffer）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)錄表達(dá)。電學(xué)過程：A為輸入信號(hào)，只有當(dāng)其輸入量滿足能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)，輸出信號(hào)才為高。A與P同相。第三十七頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。3.與門（AND）生物學(xué)過程：１）Ａ、Ｂ兩個(gè)均為轉(zhuǎn)錄因子２）Ａ為轉(zhuǎn)錄因子，Ｂ為激活因子；以上兩種情況都要求只有當(dāng)Ａ、Ｂ都同時(shí)存在時(shí)，才能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)。第三十八頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。3.與門（AND）電學(xué)過程：Ａ、Ｂ為兩個(gè)不同的輸入信號(hào)，只有當(dāng)ＡＢ的輸入量同時(shí)滿足能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)，才會(huì)使輸出信號(hào)高表達(dá)（輸出信號(hào)表示基因Ｐ的表達(dá)量）。第三十九頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。3.與門（AND）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：1）Tropel,D.andVanDerMeer,J.R.(2004)Bacterialtranscriptionalregulatorsfordegradationpathwaysofaromaticcompounds.Microbiol.Mol.Biol.Rev.68,474–500.2）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA100,5136–5141.第四十頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。4.或門（OR）生物學(xué)過程：Ａ和Ｂ都是基因Ｐ的轉(zhuǎn)錄因子，當(dāng)Ａ和Ｂ其中一個(gè)存在時(shí)，或者兩者同時(shí)存在時(shí)都能啟動(dòng)基因Ｐ轉(zhuǎn)錄表達(dá)。即僅當(dāng)ＡＢ兩者都不存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄才無法進(jìn)行。第四十一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。4.或門（OR）電學(xué)過程：Ａ和B是兩個(gè)不同的輸入信號(hào)，當(dāng)A、B其中一個(gè)的輸入量滿足能啟動(dòng)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(hào)表現(xiàn)為高表達(dá)。第四十二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。4.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.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA，100,5136–5141.2）Fernandez,S.,Shingler,V.andDeLorenzo,V.(1994)CrossregulationbyXylRandDmpRactivatorsofPseudomonasputidasuggeststhattranscriptionalcontrolofbiodegradativeoperonsevolvesindependentlyofcatabolicgenes.J.Bacteriol.176,5052–5058.第四十三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。5.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(dòng)子的結(jié)合位點(diǎn)，阻礙了轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)。第四十四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。5.與非門（NAND）電學(xué)過程：A、B為兩個(gè)不同的輸入信號(hào)，僅當(dāng)兩者的輸入量同時(shí)滿足能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值時(shí)，才使得輸出信號(hào)為低表達(dá)?？梢詫AND門電路拆分為AND和NOT的組合。第四十五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。5.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.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA，100,5136–51412）Escolar,L.,Perez-Martin,J.anddeLorenzo,V.(1999)Openingtheironbox:transcriptionalmetalloregulationbytheFurprotein.J.Bacteriol.181,6223–6229.3）Bertoni,G.,Marques,S.anddeLorenzo,V.(1998)Activationofthetoluene-responsiveregulatorXylRcausesatranscriptionalswitchbetweensigma-54andsigma-70promotersatthedivergentPr/PsregionoftheTOLplasmid.Mol.Microbiol.27,651–659.4）Bertoni,G.,Perez-Martin,J.anddeLorenzo,V.(1997)GeneticevidenceofseparaterepressorandactivatoractivitiesoftheXylRregulatoroftheTOLplasmid,pWW0,ofPseudomonasputida.Mol.Microbiol.23,1221–1227第四十六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。6.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)Ｂ存在時(shí)，Ｂ就會(huì)搶占啟動(dòng)子結(jié)合位點(diǎn)，使RNAp不能與啟動(dòng)子結(jié)合，因此不能啟動(dòng)基因Ｐ進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。因此只有當(dāng)Ａ存在并且Ｂ不存在時(shí)，基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)才能正常進(jìn)行。第四十七頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。6.非與門（ANDN）電學(xué)過程：只有當(dāng)信號(hào)Ａ滿足能啟動(dòng)基因P轉(zhuǎn)錄表達(dá)的閾值（以下簡(jiǎn)稱為“Ａ高表達(dá)”），并且信號(hào)Ｂ低于該閾值時(shí)（簡(jiǎn)稱為“低表達(dá)”），輸出才會(huì)高表達(dá)。第四十八頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。6.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.andtenWolde,P.R.(2006)Transcriptionalregulationbycompetingtranscriptionfactormodules.PLoSComput.Biol.2,e164.第四十九頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。7.或非門（NOR）生物學(xué)過程：Ａ、Ｂ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(dòng)子的結(jié)合。因此，只有當(dāng)兩者都不存在時(shí)，基因Ｐ的轉(zhuǎn)錄表達(dá)才能進(jìn)行。第五十頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。7.或非門（NOR）電學(xué)過程：只有當(dāng)信號(hào)Ａ與Ｂ都低表達(dá)時(shí)，輸出才會(huì)高表達(dá)。第五十一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。8.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(dòng)子結(jié)合，阻礙了RNAp與啟動(dòng)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(dòng)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)。第五十二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。8.非或門（ORN）電學(xué)過程：A與B都是入信號(hào)，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)。第五十三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。8.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.andBarbe,J.(2007)Aeonsofdistress:anevolutionaryperspectiveonthebacterialSOSresponse.FEMSMicrobiol.Rev.31,637–656.第五十四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。9.異或門（XOR）生物學(xué)過程：基因P能沿著DNA從兩個(gè)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。轉(zhuǎn)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B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)，A會(huì)搶占B的RNAp與啟動(dòng)子結(jié)合的位點(diǎn)（或者說是B會(huì)搶占A的RNAp與啟動(dòng)子結(jié)合的位點(diǎn)），使得基因P不能沿著DNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。因此，當(dāng)且僅當(dāng)A、B其中一個(gè)存在時(shí)，基因P才能進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。第五十五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。9.異或門（XOR）電學(xué)過程：當(dāng)且僅當(dāng)輸入信號(hào)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。第五十六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。9.異或門（XOR）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA100,5136–5141.第五十七頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。10.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(dòng)子的活性比較弱，需要ＡＢ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(dòng)子結(jié)合的阻遏因子，因此沿著P’方向，當(dāng)Ａ或Ｂ兩者之一存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄過程就會(huì)受到抑制。ａ）當(dāng)兩者都不存在時(shí)，Ｐ受抑制，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１。ｂ）當(dāng)只有Ａ或Ｂ其中一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子存在時(shí)，由于不滿足Ｐ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ＲＮＡｐ與啟動(dòng)子結(jié)合，使P’方向的轉(zhuǎn)錄也不能進(jìn)行。所以輸出為０。ｃ）當(dāng)Ａ與Ｂ同時(shí)存在時(shí)，雖然轉(zhuǎn)錄因子阻礙了P’方向的ＲＮＡｐ與啟動(dòng)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Ｐ方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的條件，所以輸出為１。第五十八頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。10.同或門（XNOR）電學(xué)過程：只有當(dāng)Ａ、Ｂ兩個(gè)輸入信號(hào)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cXOR與NOT組成的XOR的相反過程。第五十九頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。10.同或門（XNOR）已發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的例子（參考文獻(xiàn)）：１）Hermsen,R.,Tans,S.andtenWolde,P.R.(2006)Transcriptionalregulationbycompetingtranscriptionfactormodules.PLoSComput.Biol.2,e164２）Buchler,N.E.,Gerland,U.andHwa,T.(2003)Onschemesofcombinatorialtranscriptionlogic.Proc.Natl.Acad.Sci.USA100,5136–5141.第六十頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。11.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R(shí)1、R2，分別抑制啟動(dòng)子P1、P2。兩個(gè)誘導(dǎo)劑I1、I2，分別能使抑制蛋白R(shí)1、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。第六十一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。12.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(duì)應(yīng)的啟動(dòng)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(duì)應(yīng)一個(gè)環(huán)形振蕩器邏輯電路。第六十二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。12.環(huán)形振蕩器在PLtetO-1啟動(dòng)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(dòng)。其他細(xì)胞的振蕩行為差別很大。第六十三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。三.基因回路的設(shè)計(jì)成果實(shí)例

第六十四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。發(fā)表合成生物學(xué)較多的刊物及新創(chuàng)刊的刊物PNASNatureScienceMSB第六十五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。Nature,2010由基因編碼“與非門”構(gòu)成其他更復(fù)雜的邏輯門；基因編碼門間的化學(xué)連接。第六十六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分?；蚓幋a的“或非”門在大腸桿菌（E.Coli)中，2個(gè)串聯(lián)的啟動(dòng)子作為輸入驅(qū)動(dòng)阻遏子的轉(zhuǎn)錄。1個(gè)菌株形成1個(gè)或非門。群體感應(yīng)分子（quorummolecules）AHL（

Acylhomo-serinelactone）可以形成門間的連線。由多個(gè)或非門間的相互連接組成各種復(fù)雜的邏輯門。第六十七頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分?；蚓幋a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(gè)輸入啟動(dòng)子。YFP（YellowFluorescentProtein，黃色熒光蛋白）作為輸出基因。流式細(xì)胞儀（flowcytometry）測(cè)量結(jié)果或門CI阻遏基因或非門55E-15E-25E-35E-40第六十八頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。其他輸入信號(hào)：3OC12-HSL激活的PLas啟動(dòng)子也可作為輸入。PBAD、PTetPBAD、PLasPTet、PLas第六十九頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。第七十頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。不同邏輯門的構(gòu)成第七十一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。不同邏輯門的構(gòu)成第七十二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。第七十三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。第七十四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。GeneRegulatoryNetwork

基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)第七十五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。BasicGRNCircuitFlowGrossanatomyofaminimalgeneregulatorynetwork(GRN)embeddedinaregulatorynetwork.Aregulatorynetworkcanbeviewedasacellularinput-outputdevice.

/

第七十六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。/Generegulatorynetworks‘interface’withcellularprocesses第七十七頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。第七十八頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。合成生物學(xué)應(yīng)用BioEnergy.Cellsarebeingengineeredtoconsumeagriculturalproductsandproduceliquidfuels.BritishPetroleumandtheUSDOEgranted$650milliondollarsforresearchintheSanFranciscoBayArea.DrugProduction.Bacteriaandyeastcanbere-engineeredforthelowcostproductionofdrugs.Examplesincludetheanti-malarialdrugArtemisininandthecholesterol-loweringdrug（降膽固醇藥）.Materials.Recombinantcellshavebeenconstructedthatcanbuildchemicalprecursorsfortheproductionofplasticsandtextiles,suchasBio-PDO（1，3－丙二醇）andspidersilk（蛛絲）.Medicine.Cellsarebeingprogrammedfortherapeuticpurposes.BacteriaandT-cellscanberewiredtocirculateinthebodyandidentifyandtreatdiseasedcellsandtissues.第七十九頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。（1）美國(guó)UCB化學(xué)工程系教授、勞倫斯國(guó)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（Microbialdrugfactories），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Artemisiaannua）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NatureBiotechnology和2006年的Nature上。合成生物學(xué)研究舉例第八十頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。Keasling實(shí)驗(yàn)室

ResearchInterests:代謝工程，系統(tǒng)生物學(xué)，合成生物學(xué)SyntheticBiologyforSyntheticChemistryACSChemicalBiology,2008,3:64-76（合成生物學(xué)－合成化學(xué)－青蒿素合成舉例）ImportanceofsystemsbiologyinengineeringmicrobesforbiofuelproductionCurrentOpinioninBiotechnology2008,19:228–234（系統(tǒng)生物學(xué)－生物燃料生產(chǎn)）Metabolicengineeringofmicroorganismsforbiofuelsproduction:frombugstosyntheticbiologytofuels（代謝工程：微生物－合成生物學(xué)－生物燃料）

CurrentOpinioninBiotechnology2008,19:inpress

第八十一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。Theprocessforthemicrobialproductionofartemisinin.Usingsyntheticbiology

用合成生物學(xué)生產(chǎn)抗瘧疾藥青蒿素第八十二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。第八十三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。ChristinaD.SmolkeDivisionofChemistryandChemicalEngineeringCaliforniaInstituteofTechnologyFoundationaladvancesinRNAengineeringappliedtocontrolofbiosynthesis第八十四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。ASyntheticGene-MetabolicOscillator

Fung,E.,Wong,W.W.,Suen,J.K.,Bulter,T.,Lee,S.G.andLiao,J.C.(2005)Nature,435,118-122.

wedesignedandconstructedasyntheticcircuitinEscherichiacoliK12,usingglycolyticfluxtogenerateoscillationthroughthesignallingmetaboliteacetylphosphate.Iftwometabolitepoolsareinterconvertedbytwoenzymesthatareplacedunderthetranscriptionalcontrolofacetylphosphate,thesystemoscillateswhentheglycolyticrateexceedsacriticalvalue.Weusedbifurcationanalysistoidentifytheboundariesofoscillation,andverifiedtheseexperimentally.Thisworkdemonstratesthepossibilityofusingmetabolicfluxasacontrolfactorinsystem-wideoscillation,aswellasthepredictabilityofadenovogene–metaboliccircuitdesignedusingnonlineardynamicanalysis.第八十五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。ResistancetoDiet-InducedObesityinMicewithSyntheticGlyoxylateShunt

CellMetabolism,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（JamesLiao）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、具有煽動(dòng)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(dòng)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（JamesCollins）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。第八十六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。國(guó)際遺傳機(jī)器大賽（internationalGeneticallyEngineeredMachineCompetition，

iGEM）AssemblingBuildingBlocksforNovelFunctionsDNA元件庫(kù)生物系統(tǒng)基因機(jī)器構(gòu)建組裝Synthesis!第八十七頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。第八十八頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。DNA2.0DNA2.0Inc.

isaleadingproviderforsyntheticbiology.WithourgenesynthesisprocessyoucangetsyntheticDNAthatconformsexactlytoyourneeds,quicklyandcosteffectively.Applicationsofcustomgenesynthesisincludecodonoptimizationforincreasedproteinexpression,syntheticbiology,genevariants,RNAitrans-complementationandmuchmore.

第八十九頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。Information

vs.

ProcessingJustasinacomputer,databitsandprocessingbitsaremadefromthesamematerial,0or1,orA,T,C,G,orUinbiology第九十頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。NatureasaComputerBiologicalsystemslikeDNAandRNAespeciallyappeartobemorethannetworksofinformation.RNAitselfcanbeseenasamoleculardecisionnetwork第九十一頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。E-CellE-CellSystemisanobject-orientedsoftwaresuiteformodeling,simulation,andanalysisoflargescalecomplexsystems

suchasbiologicalcells.Version3allowsmanycomponentsdrivenbymultiplealgorithmswithdifferenttimescalestocoexist

第九十二頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。ComputerModelingMetabolicPathwaysBioCyc–collectionoforganismspecificmetabolicpathwaydatabasescellMLisanXMLbasedformatforexchangingbiologicaldatafromgenestoproteinstometabolism第九十三頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。DigitalCellsMeet

SyntheticBiologyModelthecircuitValidatethecircuitTinkerwiththecircuitThen…AlterthegenetobuildanewproteinSNPswillgiveyoua‘firstapproach’Seeifthenewproteinis‘welltolerated’第九十四頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。GeneTherapyGenetherapyusinganAdenovirusvector.Anewgeneisinsertedintoanadenovirusvector,whichisusedtointroducethemodifiedDNAintoahumancell.Ifthetreatmentissuccessful,thenewgenewillmakeafunctionalprotein./wiki/Gene_therapy

第九十五頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。DNAVaccinesTheultimatemethodtotraintheimmunesystemagainstamultitudeofthreatsInjectaknownsequenceofDNATrickthecellintoexpressingit,thenseeingitasanantigentowardagainst.Usedtofightcancer.第九十六頁(yè)，編輯于星期五：十五點(diǎn)三十九分。AnimalModelSystemsMicemakeperfectmodels–astheyare:Cheap(reasonably)Fast/easygrowingVery‘inbred’MouseDNAarraysandthemousegenomeare