第15章 合成生物学.pptVIP

第15章合 成 生 物 学 15.1 合成生物学的发展史及概念 （1）合成生物学的发展史 1978年 Skallka在对限制性内切核酸酶的评论中第一次预言了合成生物学的诞生。 1980年 Hobom引入了合成生物学的的名词来描述基因重组技术。 DNA合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应用，为合成生物学奠定基础。 20世纪提出的概念 用现有的有机化学和生物化学的合成能力设计非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥功能。通过合成的方法来理解自然的生命体系，构建创造新的人工生命体。 美国基因组学先驱克莱格·凡特，在他位于马里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期15年的研究项目中，已成功制造出全球首个“合成细胞”，一种称为丝状支原体的细菌。 （2） 合成生物学 合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科。 目的在于设计和创造新的生物组件和体系，对现有的生物体系进行重新设计。从基本的生物组件构建复杂的人工生命体系，对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。 15.2 合成生物学的研究方法和工具 （1）合成生物学的研究方法 工程领域中所有的单元部件都具有独立功能，可以互换，容易进行模块化得组合，即从零件到器件再到系统。 合成生物学包含工程学的理念，任何一个生命体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。 2004年，美国就成功在一位半身不遂的男性患者大脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑里的意志力就可以操作电脑，能发送电子邮件。 未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑控制手臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部分控制的假肢。 标准化 抽象化 复杂系统去偶合 Endy created the comic book Adventures in Synthetic Biology to help explain his work to students and other scientists. 标准化 从可更的换部件库，快速构建多组分体系，包括建立生物学功能、试验的检测条件及系统做出等通用、便捷的标准。 不同部件间要进行标准化来实现“即插即用”的性能。 2003 MIT成立了标准生物部件登记处，数据库收集了3200个标准化生物学部件。 将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立的简单问题。 标准生物部件 具有特定生物学功能的基因编码元件 启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序列、终止子 15.3 合成生物学的研究方向 15.3.1 创建新的基因调控模块和线路 各种蛋白质、DNA、RNA的相互作用形成复杂的表达调控网络。通过构建非天然的基因调控模块设计构建细胞生命活动的分子网络。 用途：调节基因表达和蛋白质功能。 基因线路 1） 基因拨动开关 e.g. E. coli 通过加入不同的诱导物实现开关在两个稳定态之 间的转换。 状态转换具有滞后性，具有记忆功能。 2）基因振荡器 3）大肠杆菌成像系统 将细菌改造成感光胶片，像素1平方米1亿像素分辨率。 将藻胆青素合成基因(ho1和pcyA)转入大肠杆菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素PCB。 15.3.2 生命体代谢途径的重新构建 微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用E. coli生产1000多种人类蛋白。 代谢途径改造----调节核心组件优化途径 不同的生物学途径提取出来 优化整合到宿主细胞 合成目标化学物质 1. 生物质能和乙醇发酵微生物 E. Coli 的乙醇代谢重组菌： 具有五碳糖和六碳糖代谢酶系 混合酸发酵 乙醇耐受能力低 可用于发酵生产乙醇的部分微生物及其主要底物 酵母的乙醇代谢工程 酿酒酵母是工业上生产乙醇的优良菌株，与细菌相比具有较高的乙醇耐受力，对纤维素水解液中的抑制物有较高的抗性。 缺点 酿酒酵母缺乏木糖转化为木酮糖所需的酶，因而不能利用木糖，但它能利用木酮糖。对其菌种改造涉及木糖跨膜运输、吸收利用、磷酸戊糖途径、糖酵解及胞内氧化还原状态的维持等多个方面。 酵母的木糖代谢工程 运动发酵单胞菌的乙醇代谢工程 大肠杆菌的乙醇代谢工程 大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题