合成生物学与基因回路

合成生物学与基因回路SyntheticBiologyandGeneticCircuits李孔宁分子生物学馆110室一.什么是合成生物学SyntheticBiology何时出现合成生物学这一名字？●Science杂志最早于1911年33卷有两篇文章出现“syntheticbiology”（合成生物学）一词。●Lancet杂志最早于1911年7月8日有一篇文章出现“syntheticbiology”（合成生物学）一词。●在1980年第一次以“基因外科术：合成生物学的开始”为题出现在德文刊物上。●2000年以后，“合成生物学”一词在学术刊物及互联网上逐渐大量出现NatureBiotechnology,27(12),2009FocusonSyntheticBiology•Thelatestiterationofgeneticengineeringofferstheprospectofthedesignandconstructionofnewlifeformsfrombiologicalparts,devicesandsystems.•基因工程的最新研究成果提供了通过生物元件、装置和系统设计和组装新生命形式的前景NatureReviews,10(6),2009●维基百科：合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统，使其能够处理信息、操作化合物、制造材料、生产能源、提供食物、保持和增强人类的健康和改善我们的环境。●简单地说，合成生物学是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题。合成生物学的定义SyntheticBiologyis：•A)thedesignandconstructionofnewbiologicalparts,devices,andsystems,and•B)there-designofexisting,naturalbiologicalsystemsforusefulpurposes.网络信息期刊/专利数量Sciru网络信息Scirus检索专利Scopus检索期刊Scirus检索期刊合成生物学领域由Scirus搜索的学术论文数、专利数和网络信息以及由Scopus搜索的学术论文数2004年被美国MIT出版的《TechnologyReview》评为将改变世界的10大新出现的技术之一(10EmergingTechnologiesThatWillChangeYourWorld)。2009年中科院300多位专家经过一年多研究发布的《创新2050：科技革命与中国的未来》战略研究系列报告中指出：“合成生物学”是可能出现革命性突破的4个基本科学问题之一。合成生物学的发展前景与基础DNA是生物的遗传物质于1990年正式启动,于2003年4月14日完成了人类基因组全部序列测定人类基因组计划ACGT为了整理和分析这些序列信息，诞生了一门新兴的交叉学科—生物信息学(Bioinformatics)是合成生物学的学科基础之一。它包含了生物信息的获取、处理、存储、分发、分析和解释等在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。细胞:奇异绝妙的小工厂系统生物学研究细胞对外界环境变化或刺激在各个层次上如何做相应的变更,并建立数学模型对总体应答作出预测.基因组代谢物组蛋白质组转录物组基因组学Genomics代谢物组学Metabolomics蛋白质组学Proteomics转录物组学TranscriptomicsDNAmRNA蛋白质代谢物转录翻译催化反应Systemsbiologyasafoundationforgenome-scalesyntheticbiologyChristianLBarrett,TaeYongKim,HyunUkKim,BernhardØPalssonandSangYupLee,CurrentOpinioninBiotechnology2006,17:488–492系统生物学是在基因组层面上合成生物学的基础基因组超大量的序列和结构数据重大的生物技术数据积累引起的科学发现－－第四次科学大发展合成生物学发生与发展的学科基础数学物理学工程学生物学计算机科学化学信息学合成生物学生物质能环境修复精细化学品食品原料生物材料生物传感器生物计算机应用合成生物学的发展过程†1979年H.G.Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因（207bp）；†2002年纽约州立大学石溪分校魏玛（E.Wimmer）小组用了3年的时间合成出了脊髓灰质炎病毒（Poliovirus）的全基因组，7500bp。†2003年，J.C.Venter研究小组用了14天时间从头合成了噬菌体PhiX174（5386bp）基因组。†2004年，人工合成了1918年造成全世界上千万人死亡的“西班牙流感病毒”。†2008年J.C.Venter小组又合成了Mycoplasmagenitalium生殖道支原体基因组（582790kb），这是迄今为止人类在合成生物过程中走得最远的一步。†J.C.Venter小组的另外一项工作却获得了成功：不久前将关系较近的两株支原体中一株的基因组用另外一株的基因组替换，结果仍能正常“工作”。人工合成生物全基因组合成生物学的研究内容•合成代谢网络利用转录和翻译控制单元调控酶的表达以合成或分解代谢物。主要以代谢物浓度作为控制元件的输入信号。例如：利用酿酒酵母和大肠杆菌合成抗疟疾药物青蒿素的前体物质。•遗传/基因线路的设计与构建1961年F.Jacob和J.Monod提出的乳糖操纵子模型第一次明确提出了基因表达的调控概念，被认为是分子生物学发展的第二个里程碑。•细胞群体系统及多细胞系统研究基于细胞间交流的细胞群体系统及多细胞系统的开发，主要是研究细胞群体间的同步基因表达、信号交流、异步功能配合等。•数学模拟和功能预测二.合成生物学的研究方法基因回路（GeneticCircuits）设计合成生物学领域三大目标：一、有别于以往拆解生命体的方式，它是通过合成来理解生命。二、将遗传工程所使用的元件标准化，使其能与现有系统相结合，创造出更多、功能更复杂的系统。三、将电子工程领域的系统设计理论应用到生物系统，重组DNA基因工程，产生真正可由程序控制的生物，设计生物计算机。基因回路设计流程建立DNA元件库根据设计目标决定基因回路结构调用库元件模型利用计算机仿真软件确认输出及功能正确？建立集成生物回路（IC）检测基因回路性能稳定可靠？建立集成生物回路（IC）成功建立稳定可调控的基因回路基因回路设计流程建立DNA元件库根据设计目标决定基因回路结构调用库元件模型利用计算机仿真软件确认输出及功能正确？建立集成生物回路（IC）成功建立稳定可调控的基因回路检测基因回路性能稳定可靠？调整基因回路的原件特性NOYESORYESNO特定的信使RNA（mRNA）的分子的浓度代表一个逻辑信号。左图，输入的mRNA是缺失，则细胞转录基因输出mRNA。右图，输入的mRNA存在，细胞把此mRNA翻译成输入蛋白，此蛋白与基因上的启动子相结合，阻止细胞合成mRNA输出。生物化学反相器-非门（NOT）利用原核生物基因调控模组模拟电子工程逻辑门。上方图示列出调控启动子活性的因子。RNAP：RNA聚合酶，TF：转录因子。(Silva-RochaanddeLorenzo,FEBSLetters582(2008)1237–1244)Bio-Informatics要做的事•Lookingatlifeasaninformationsystem–DNAasadatabase（数据库）–RNAasadecisionnetwork（决定网络）–ProteinsandgenesasruntimeDLLs（运行时间动态链接库）•Modelinggeneregulatorynetworks–Simulatinglifeasacomputerprogram–UsingsilicontovalidatebiologicalmodelsGoalofDigitalCells（数字细胞）•SimulateaGeneRegulatoryNetwork–Goalofe-cell,CellML,andSBMLprojects•Testmicroarraydataforbiologicalmodel–RunexpressiondatathroughGRNfunctions•Createbiologicalcellswithnewfunctions–Spliceinpromoterstocontrolexpression–Createoscillatingnetworksusingoperons拼接启动子来控制表达利用操纵子创建振荡网络DigitalCellComponents数字细胞元件•Bio-logicgates–Inverters,oscillators•Creatinggenomiccircuitry–Promoters,operonsandgenes•MultigenicoscillatingsolutionsRonWeissisthepioneerinthefield–~rweiss/To电子回路的工程设计基础基因回路（GeneticCircuits）设计编程并控制细胞行为的第一步是建立一个精心设计的元件库，作为更复杂的生物系统的基石。在构建具有一定的遗传功能的逻辑门时，与电子逻辑门的输入和输出的电信号（H/1或L/0）相对应的是特定DNA与蛋白质结合以及它们诱导物分子的浓度高（H，1）或低（L，0）。建立在原核生物调控模式上的数字细胞元件（生物逻辑门）模型-基因回路元件设计在细胞内，这些分子与其它蛋白质相互作用，绑定特定的DNA结合位点，并最终调节其他蛋白表达。这些调控活动，可以用数字逻辑功能及模拟信号处理来实现。任何基因转录翻译成蛋白质的首要条件是：RNAp(RNApolymerase,RNA聚合酶)与基因上游区域的启动子结合，启动转录，随后RNAp将基因转录为信使RNA(mRNA)，然后mRNA被翻译成蛋白质。若RNAp不能与启动子结合，后面的过程就不能进行。1.非门或反相器（NOT）生物学过程：B阻遏因子，当它存在时，B抢占了RNAp与启动子结合的位点。因此阻碍了基因P进行转录表达。电学过程：B为输入信号，当其输入量高时，输出为低；反之亦然。输入与输出反相，也称反相器。1.非门或反相器（NOT）左图表示当无mRNA输入时，启动子未被抑制时，基因转录出mRNA，有mRNA输出；右图表示当有mRNA输入时，在细胞中转录成蛋白质，蛋白质与启动子区域的基因结合，抑制了基因的表达，无mRNA输出。此处输入的mRNA的缺失或存在决定了下游mRNA是否输出。2.缓冲器门（AmplifierorBuffer）生物学过程：A为转录因子，可以调控基因P使其进行转录表达。电学过程：A为输入信号，只有当其输入量满足能启动基因P转录表达的阈值时，输出信号才为高。A与P同相。3.与门（AND）生物学过程：１）Ａ、Ｂ两个均为转录因子２）Ａ为转录因子，Ｂ为激活因子；以上两种情况都要求只有当Ａ、Ｂ都同时存在时，才能启动基因P转录表达。3.与门（AND）电学过程：Ａ、Ｂ为两个不同的输入信号，只有当ＡＢ的输入量同时满足能启动基因P转录表达的阈值时，才会使输出信号高表达（输出信号表示基因Ｐ的表达量）。3.与门（AND）已发现或证实的例子（参考文献）：1）Tropel,D.andVanDerMeer,J.R.(2004)Bacterialtranscriptionalregulatorsfordegradationpathwaysofaromaticcomp