第八章合成生物学.pptx

第八章合成生物学15、1 合成生物学得发展史及概念合成生物学得发展史及概念(1 1 1 1)合成生物学得发展史合成生物学得发展史合成生物学得发展史合成生物学得发展史1978197819781978年年年年 SkallkaSkallkaSkallkaSkallka在对限制性内切核酸酶得评论中在对限制性内切核酸酶得评论中在对限制性内切核酸酶得评论中在对限制性内切核酸酶得评论中第一次预言了合成生物学得诞生。第一次预言了合成生物学得诞生。第一次预言了合成生物学得诞生。第一次预言了合成生物学得诞生。1980198019801980年年年年 HobomHobomHobomHobom引入了合成生物学得得名词来描述引入了合成生物学得得名词来描述引入了合成生物学得得名词来描述引入了合成生物学得得名词来描述基因重组技术。基因重组技术。基因重组技术。基因重组技术。DNADNADNADNA合成测序技术得发展和工程学在生物体系得应合成测序技术得发展和工程学在生物体系得应合成测序技术得发展和工程学在生物体系得应合成测序技术得发展和工程学在生物体系得应用用用用,为合成生物学奠定基础。为合成生物学奠定基础。为合成生物学奠定基础。为合成生物学奠定基础。2020世纪提出得概念世纪提出得概念世纪提出得概念世纪提出得概念 用现有得有机化学和生物化学得合成能力设用现有得有机化学和生物化学得合成能力设用现有得有机化学和生物化学得合成能力设用现有得有机化学和生物化学得合成能力设计非天然得分子计非天然得分子计非天然得分子计非天然得分子,使这些分子在生命体系中发挥功使这些分子在生命体系中发挥功使这些分子在生命体系中发挥功使这些分子在生命体系中发挥功能。通过合成得方法来理解自然得生命体系能。通过合成得方法来理解自然得生命体系能。通过合成得方法来理解自然得生命体系能。通过合成得方法来理解自然得生命体系,构建构建构建构建创造新得人工生命体。创造新得人工生命体。创造新得人工生命体。创造新得人工生命体。美国基因组学先驱克莱格美国基因组学先驱克莱格凡特凡特,在她位于马在她位于马里兰州和加州得实验室里兰州和加州得实验室,科研人员在其为期科研人员在其为期15年年得研究项目中得研究项目中,已成功制造出全球首个已成功制造出全球首个“合成细胞合成细胞”,一种称为丝状支原体得细菌。一种称为丝状支原体得细菌。(2 2)合成生物学合成生物学合成生物学合成生物学 合成生物学学就是生物科学在二十一世纪刚合成生物学学就是生物科学在二十一世纪刚合成生物学学就是生物科学在二十一世纪刚合成生物学学就是生物科学在二十一世纪刚刚出现得一个分支学科。刚出现得一个分支学科。刚出现得一个分支学科。刚出现得一个分支学科。目得在于设计和创造新得生物组件和体系目得在于设计和创造新得生物组件和体系,对对现有得生物体系进行重新设计。现有得生物体系进行重新设计。从基本得生物组从基本得生物组件构建复杂得人工生命体系件构建复杂得人工生命体系,对整个生命过程进行对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。重新设计、改造、构建。合成生物包含得内容合成生物包含得内容 基因合成基因合成构建人工生命体构建人工生命体 基于现有得基于现有得天然生物组件天然生物组件,设计构建有新功设计构建有新功能得生物体系。能得生物体系。1515、2 2 合成生物学得研究方法和工具合成生物学得研究方法和工具(1)合成生物学得研究方法合成生物学得研究方法 工程领域中所有得单元部件都具有独立功能工程领域中所有得单元部件都具有独立功能,可以互换可以互换,容易进行模块化得组合容易进行模块化得组合,即从零件到器即从零件到器件再到系统。件再到系统。合成生物学包含工程学得理念合成生物学包含工程学得理念,任何一个生命任何一个生命体系可以看作就是具有不同功能得生物零件得有体系可以看作就是具有不同功能得生物零件得有序组合。序组合。9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流 20042004年年年年,美国就成功在一位半身不遂得男性患美国就成功在一位半身不遂得男性患美国就成功在一位半身不遂得男性患美国就成功在一位半身不遂得男性患者大脑中植入了一个电脑芯片者大脑中植入了一个电脑芯片者大脑中植入了一个电脑芯片者大脑中植入了一个电脑芯片,患者仅凭大脑里得患者仅凭大脑里得患者仅凭大脑里得患者仅凭大脑里得意志力就可以操作电脑意志力就可以操作电脑意志力就可以操作电脑意志力就可以操作电脑,能发送电子邮件。能发送电子邮件。能发送电子邮件。能发送电子邮件。未来在芯片得帮助下未来在芯片得帮助下未来在芯片得帮助下未来在芯片得帮助下,人们可以直接用大脑控人们可以直接用大脑控人们可以直接用大脑控人们可以直接用大脑控制手臂和腿得假肢。现在就已经出现了可以部分制手臂和腿得假肢。现在就已经出现了可以部分制手臂和腿得假肢。现在就已经出现了可以部分制手臂和腿得假肢。现在就已经出现了可以部分控制得假肢。控制得假肢。控制得假肢。控制得假肢。标准化标准化抽象化抽象化复杂系统去偶合复杂系统去偶合Drew Endy(MIT)合成生物学工程化三原则合成生物学工程化三原则合成生物学工程化三原则合成生物学工程化三原则:标准化标准化 从可更换得部件库从可更换得部件库,快速构建多组分体系快速构建多组分体系,包包括建立生物学功能、试验得检测条件及系统做出括建立生物学功能、试验得检测条件及系统做出通用、便捷得标准。通用、便捷得标准。不同部件间要进行标准化来实现不同部件间要进行标准化来实现“即插即用即插即用”得性能。得性能。2003 MIT成立了标准生物部件登记处成立了标准生物部件登记处,数据数据库收集了库收集了3200个标准化生物学部件。个标准化生物学部件。将一个复杂得问题分解成若干可操作得独立将一个复杂得问题分解成若干可操作得独立得简单问题。得简单问题。复杂系统去偶合复杂系统去偶合 抽象化抽象化:将生物功能单元划分为不同层次。将生物功能单元划分为不同层次。DNA、RNA、蛋白质、代谢物、蛋白质、代谢物相互作用相互作用系统系统(2)合成生物学得组成工具合成生物学得组成工具 将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功能得生物系统。能得生物系统。生物部件生物部件part器件器件device系统系统system模块模块module 标准生物部件标准生物部件 具有特定生物学功能得基因编码元件具有特定生物学功能得基因编码元件 启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序列、终止子列、终止子15、3 合成生物学得研究方向合成生物学得研究方向15、3、1 创建新得基因调控模块和线路创建新得基因调控模块和线路 各种蛋白质、各种蛋白质、DNADNA、RNARNA得相互作用形成复杂得相互作用形成复杂得表达调控网络。通过构建非天然得基因调控模得表达调控网络。通过构建非天然得基因调控模块设计构建细胞生命活动得分子网络。块设计构建细胞生命活动得分子网络。用途用途:调节基因表达和蛋白质功能。调节基因表达和蛋白质功能。基因线路基因线路1)基因拨动开关基因拨动开关 e、g、E、coli报告基因报告基因报告基因报告基因诱导物诱导物诱导物诱导物A A阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物A A启动子启动子启动子启动子B B启动子启动子启动子启动子A A阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物 B B诱导物诱导物诱导物诱导物B Bv 通过加入不同得诱导物实现开关在两个稳定态之通过加入不同得诱导物实现开关在两个稳定态之 间得转换。间得转换。v状态转换具有滞后性状态转换具有滞后性,具有记忆功能。具有记忆功能。2)基因振荡器基因振荡器 FT1激活她本身和激活她本身和FT2;FT2过量过量,会抑制会抑制FT13)大肠杆菌成像系统大肠杆菌成像系统 将细菌改造成感光胶片将细菌改造成感光胶片将细菌改造成感光胶片将细菌改造成感光胶片,像素像素像素像素1 1平方米平方米平方米平方米1 1亿像素亿像素亿像素亿像素分辨率。分辨率。分辨率。分辨率。将藻胆青素合成基因将藻胆青素合成基因(ho1和和pcyA)转入大肠杆转入大肠杆菌菌,使之能将血红素转化为光敏感得藻胆青素使之能将血红素转化为光敏感得藻胆青素PCB。lac ZompC promoter PCBBlackPCBPCB15、3、2 生命体代谢途径得重新构建生命体代谢途径得重新构建 微生物载体生产外源蛋白微生物载体生产外源蛋白,目前人类利用目前人类利用E、coli生产生产1000多种多种人类人类蛋白。蛋白。代谢途径改造代谢途径改造-调节核心组件优化途径调节核心组件优化途径 不同得生物学途径提取出来不同得生物学途径提取出来 优化整合到宿主细胞优化整合到宿主细胞 合成目标化学物质合成目标化学物质1、青蒿酸合成线路得设计构建青蒿酸合成线路得设计构建疟疾疟疾 典型得疟疾多呈周期性发作典型得疟疾多呈周期性发作,表现为间歇性寒表现为间歇性寒热发作。发作时先有明显得寒战热发作。发作时先有明显得寒战,全身发抖全身发抖,面色面色苍白苍白,接着体温迅速上升接着体温迅速上升,达达4040或更高或更高,面色潮红面色潮红,全身大汗淋漓全身大汗淋漓,大汗后体温降至正常或正常以下。大汗后体温降至正常或正常以下。经过一段间歇期后经过一段间歇期后,又开始重复上述间歇性定又开始重复上述间歇性定时寒战、高热发作。时寒战、高热发作。每年每年5亿人感染亿人感染,100万死亡。目前最有效得就万死亡。目前最有效得就是青蒿素是青蒿素,生产周期长、成本昂贵。生产周期长、成本昂贵。中药青篙中提取得有过氧基团得倍半萜内酯中药青篙中提取得有过氧基团得倍半萜内酯药物。药物。Keasling利用合成生物学利用合成生物学,将大肠杆菌改造成将大肠杆菌改造成青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌中中,改造获得改造获得E、coli 青蒿酸得产量青蒿酸得产量300mg/L。困难困难困难困难:难以预计得复杂性难以预计得复杂性难以预计得复杂性难以预计得复杂性 这一工作几乎就是这一工作几乎就是这一工作几乎就是这一工作几乎就是150150人一年工作得结果人一年工作得结果人一年工作得结果人一年工作得结果,这这这这些工作包括些工作包括些工作包括些工作包括,探究每个基因得功能、探究这些功能探究每个基因得功能、探究这些功能探究每个基因得功能、探究这些功能探究每个基因得功能、探究这些功能基因组合在一起得运作机制。基因组合在一起得运作机制。基因组合在一起得运作机制。基因组合在一起得运作机制。由于在生物合成抗疟疾药物得突出成就由于在生物合成抗疟疾药物得突出成就,Keas ling 被美国被美国“发现发现”杂志评选为杂志评选为2006 年度最有影年度最有影响得科学家。响得科学家。该项目已经获得比尔该项目已经获得比尔-梅林达盖茨基金会梅林达盖茨基金会4300 万美元得资助万美元得资助,进行进一步得实验室研究、中试、进行进一步得实验室研究、中试、临床实验等后续工作。临床实验等后续工作。2 2、代谢途径得快速进化代谢途径得快速进化代谢途径得快速进化代谢途径得快速进化基因突变基因突变基因突变基因突变 改造代谢途径改造代谢途径改造代谢途径改造代谢途径 生产目标化合物生产目标化合物生产目标化合物生产目标化合物Church 对对2020种番茄红素合成有关得基因进行突变种番茄红素合成有关得基因进行突变;将突变得将突变得9090个个DNADNA片段片段,转入大肠杆菌转入大肠杆菌;3 3天内产生了天内产生了150150亿基因突变体亿基因突变体;从中筛选到使番茄红素产量提高从中筛选到使番茄红素产量提高5 5倍得基因倍得基因。3、利用合成生物学生产新能源利用合成生物学生产新能源 Kaslling利用利用13个可逆得酶促反应组合起来创个可逆得酶促反应组合起来创建一条非天然得催化路径。建一条非天然得催化路径。淀粉淀粉+水水 H215、3、3 最小基因组与合成生物学最小基因组与合成生物学 合成生物学最终目标合成生物学最终目标合成生物学最终目标合成生物学最终目标:合成独立得可遗传得人工生命体合成独立得可遗传得人工生命体合成独立得可遗传得人工生命体合成独立得可遗传得人工生命体 人工生命得基本要素人工生命得基本要素人工生命得基本要素人工生命得基本要素 具有膜系统具有膜系统具有膜系统具有膜系统 能进行新陈代谢能进行新陈代谢能进行新陈代谢能进行新陈代谢 具有自己得基因具有自己得基因具有自己得基因具有自己得基因研究最简化生命得两种方法研究最简化生命得两种方法研究最简化生命得两种方法研究最简化生命得两种方法1.从下而上从下而上:从核苷酸合成新生命体。从核苷酸合成新生命体。2.从上而下从上而下:从基因组中剔除非必要基因组。从基因组中剔除非必要基因组。1 1、人工构建合成生命体人工构建合成生命体人工构建合成生命体人工构建合成生命体2002年年 Wimmer小组脊髓灰质炎病毒得合成小组脊髓灰质炎病毒得合成Venter 合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组 不同物种间基因组得移植不同物种间基因组得移植 将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。丝状支原体丝状支原体2、最小基因组得构建最小基因组得构建 Blattnerj小小组删除大肠杆菌基因组得组删除大肠杆菌基因组得组删除大肠杆菌基因组得组删除大肠杆菌基因组得15%15%(高达高达高达高达82Kb82Kb),细菌仍保持了良好得生存状态。细菌仍保持了良好得生存状态。细菌仍保持了良好得生存状态。细菌仍保持了良好得生存状态。改造后菌株得电穿孔效率、基因表达都有改变。改造后菌株得电穿孔效率、基因表达都有改变。改造后菌株得电穿孔效率、基因表达都有改变。改造后菌株得电穿孔效率、基因表达都有改变。电穿孔电穿孔电穿孔电穿孔 EndyEndy小组用小组用小组用小组用12 kb 12 kb 人工合成得人工合成得人工合成得人工合成得DNADNA取代野生取代野生取代野生取代野生T7T7基因组中得基因组中得基因组中得基因组中得11 kb 11 kb 得非必须得非必须得非必须得非必须DNA DNA 构建新得生命体。构建新得生命体。构建新得生命体。构建新得生命体。最小基因组优点最小基因组优点 选择性得保留所需得代谢途径和功能选择性得保留所需得代谢途径和功能;成为合成基因网络理想得容器成为合成基因网络理想得容器;为插入模块提供最简单无干扰得环境。为插入模块提供最简单无干扰得环境。理想得细胞底盘应具备得条件理想得细胞底盘应具备得条件长期培养中保持基因稳定长期培养中保持基因稳定长期培养中保持基因稳定长期培养中保持基因稳定能够在低营养培养基中生长以降低成本能够在低营养培养基中生长以降低成本能够在低营养培养基中生长以降低成本能够在低营养培养基中生长以降低成本同时协调多基因得表达同时协调多基因得表达同时协调多基因得表达同时协调多基因得表达能够通过调整合成路径抑制与生产无关得合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关得合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关得合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关得合成路径1515、3 3、4 4 构建多细胞体系构建多细胞体系构建多细胞体系构建多细胞体系 多细胞体系就是建立在群体细胞效应得研究多细胞体系就是建立在群体细胞效应得研究多细胞体系就是建立在群体细胞效应得研究多细胞体系就是建立在群体细胞效应得研究基础上基础上基础上基础上,多细胞涉及细胞间得通信体系。多细胞涉及细胞间得通信体系。多细胞涉及细胞间得通信体系。多细胞涉及细胞间得通信体系。群体效应群体效应群体效应群体效应:微生物通过自身产生得一种化学信微生物通过自身产生得一种化学信微生物通过自身产生得一种化学信微生物通过自身产生得一种化学信号来感受群体得浓度号来感受群体得浓度号来感受群体得浓度号来感受群体得浓度,从而表现出某种特殊得行为。从而表现出某种特殊得行为。从而表现出某种特殊得行为。从而表现出某种特殊得行为。细菌细菌细菌细菌QSQS系统作用系统作用系统作用系统作用 细菌根据特定信号分子得浓度可以监测周围细菌根据特定信号分子得浓度可以监测周围细菌根据特定信号分子得浓度可以监测周围细菌根据特定信号分子得浓度可以监测周围环境中自身或其她细菌得数量变化环境中自身或其她细菌得数量变化环境中自身或其她细菌得数量变化环境中自身或其她细菌得数量变化,当信号达到一当信号达到一当信号达到一当信号达到一定得浓度阈值时定得浓度阈值时定得浓度阈值时定得浓度阈值时,能启动菌体中相关基因得表达来能启动菌体中相关基因得表达来能启动菌体中相关基因得表达来能启动菌体中相关基因得表达来适应环境中得变化。适应环境中得变化。适应环境中得变化。适应环境中得变化。枯草芽胞杆菌利用枯草芽胞杆菌利用枯草芽胞杆菌利用枯草芽胞杆菌利用QSQSQSQS系统对细胞得发育进行调控系统对细胞得发育进行调控系统对细胞得发育进行调控系统对细胞得发育进行调控 当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展;营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。