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1、 合成生物学中底盘生物的构建与功合成生物学中底盘生物的构建与功能模块的集成表达能模块的集成表达第九章第九章 合成生物学合成生物学背景人类基因组计划1990年模式生物基因组计划转录组学蛋白质组学代谢组学生物信息学系统生物学衍生出产生了交叉学科合成生物学合成生物学两重意义: ( 1 ) 新的生物零件、组件和系统的设计与构建( 2) 对现有的、天然存在的生物系统的重新设计合成生物学合成生物学旨在设计和旨在设计和构建工程化的生物系统构建工程化的生物系统, 使其能够处理信息、操使其能够处理信息、操作化合物、制造材料、作化合物、制造材料、生产能源、提供食物、生产能源、提供食物、保持和增强人类的健康保持和增
2、强人类的健康和改善我们的环境。和改善我们的环境。定义：定义：1 基因线路(Genetic circuit ) 一个典型的基因线路是基因双稳态线路 ,由两个蛋白质编码基因与两个相对应的启动子组成。2 合成基因组 生物是大自然亿万年进化的产物, 但人类利用无机物合成生物物质甚至生物的努力一直没有停止。 1979年，美国化学家Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因(207bp)。 2002年，Wimmer小组合成了有生物活性的脊髓灰质炎病毒基因组(约7400bp)。 2003年，Venter小组合成了psiX174噬菌体基因组(约5400bp); 2005年，他们又合成了生殖道支原体基因组(58
3、2.790kb) 。3 合成药物与生物基产品或材料 合成抗疟疾药物青蒿素。 加州大学伯克利分校的J.Keasling对来自细菌, 酵母与青蒿( 高等真核生物) 多种基因及其代谢途径的设计组装与精密调控，使青蒿素前体青蒿酸的生产能力提高了几个数量级。 生产能源物质氢 Zhang 等人用13 个已知酶组成一个新的非天然的催化体系，建立催化途径, 将淀粉和水在一般条件下产生氢, 并通过燃料电池产生电能 利用合成生物学技术生产生物柴油。 佛大学医学院教授Church发起成立了LS9 可再生石油公司,试制生物柴油燃料, 并已取得了一些进展,且获得了美国MIT技术评论2007 年度的TR35最高奖中国能否
4、在这个崭新而且重要的领域的国际竞争中站到国际领先行列？中国能否在这个崭新而且重要的领域的国际竞争中站到国际领先行列？这是我国政府和科学界急需认真面对的战略问题！这是我国政府和科学界急需认真面对的战略问题！ 抢占合成生物学理论和应用研究制高点抢占合成生物学理论和应用研究制高点 自自20052005年美国政府对合成生物学相关研究已投入年美国政府对合成生物学相关研究已投入4.34.3亿美元亿美元。美国政府资助的合成生。美国政府资助的合成生物学项目仅物学项目仅2008-20092008-2009两年就达两年就达 4040多项；自多项；自20052005年起欧盟及荷兰、英国、德国已在此年起欧盟及荷兰、英
5、国、德国已在此领域投入约领域投入约1.61.6亿亿美元研究资金美元研究资金。 （威尔逊分析中心）（威尔逊分析中心） 在亚洲，日本、韩国、印度、新加坡等国也在此领域投入研究经费，例如新加坡最在亚洲，日本、韩国、印度、新加坡等国也在此领域投入研究经费，例如新加坡最近投入近投入10001000万美元万美元用于合成生物学研究用于合成生物学研究。 20012001年美国能源部年美国能源部GTLGTL计划计划美国美国欧盟欧盟2004 2004 年美国年美国技术评论技术评论将合成生物将合成生物学列为将改变世界的十大新技术之一学列为将改变世界的十大新技术之一 2006 2006 年建立年建立SynBERCSy
6、nBERC中心中心2007 2007 年年基因组基因组合成和设计之未合成和设计之未来，对美国经济来，对美国经济的影响的影响的研究的研究报告报告20082008年美国年美国时代时代周刊将周刊将“创造生命创造生命”列为列为 年度十大科学发现年度十大科学发现2005 2005 年欧盟在第年欧盟在第6 6个研究框架规划中发表个研究框架规划中发表合成合成生物学生物学将工程应用于生物学将工程应用于生物学的项目报告的项目报告20072007年欧盟年欧盟 启动了启动了合成生物学引导项合成生物学引导项目共目共 18 18 项项20082008年英国将合成生年英国将合成生物学列为优先资助的物学列为优先资助的研究领
7、域研究领域20092009年年5 5月英国皇家工程院月英国皇家工程院发表发表合成生物学合成生物学蓝皮书蓝皮书20082008年英国建立国家年英国建立国家合成生物学与创新研合成生物学与创新研究中心究中心20102010年德国马普学会成立合成生物学研究所年德国马普学会成立合成生物学研究所7三个关键科学问题 构建底盘微生物基因组最小化设计和重构原则构建底盘微生物基因组最小化设计和重构原则 功能模块的设计、优化与重构原理功能模块的设计、优化与重构原理 功能模块之间及与底盘微生物的适配耦联机理功能模块之间及与底盘微生物的适配耦联机理11基因组的最小化是探索生物必需基因的重基因组的最小化是探索生物必需基因
8、的重要研究内容要研究内容 DNADNA双螺旋结构双螺旋结构基因组最小化的底盘生物基因组最小化的底盘生物基因组测序基因组测序分子生物学分析分子生物学分析基因删除基因删除系统生物学分析系统生物学分析生物信息分析生物信息分析代谢网络分析代谢网络分析4构建底盘微生物基因组最小化设计和重构原构建底盘微生物基因组最小化设计和重构原则则构建底盘生物？构建底盘生物？构建底盘生物的方法构建底盘生物的方法（连续性基因删除）（连续性基因删除）自上而下自上而下由下至上由下至上（从无到有的全合成）（从无到有的全合成）8功能模块功能模块基因组基因组不适配不适配优化优化基因组基因组简化简化微生物微生物底盘微生物底盘微生物（
9、ChassisChassis）简化简化基因组基因组适配适配功能改善的功能改善的新模块新模块基因组的最小化研究基因组的最小化研究3基因组的最小化研究是人工合成生物基因组的最小化研究是人工合成生物系统的基础系统的基础 合合成成优化的，基因组最小化的底盘生物优化的，基因组最小化的底盘生物 合成生物系统合成生物系统功能化模块功能化模块genegene限制修饰系统限制修饰系统乳糖操纵子模型乳糖操纵子模型工具工具genegene原料原料细胞细胞1 1细胞细胞2 2人工构建人工构建生态系统生态系统5构建功能模块？构建功能模块？ 从模式微生物中从模式微生物中如何选择功能模块如何选择功能模块 如何优化人工如何优
10、化人工模块的功能模块的功能科学问题科学问题2 2：功能模块的设计、优化与重构原理：功能模块的设计、优化与重构原理9 如何优化人工如何优化人工模块的插入模块的插入自然模块自然模块自然模块自然模块自然模块自然模块人工模块人工模块各种模式微生物各种模式微生物人工模块人工模块人工模块人工模块功能模块和底盘的互配？功能模块和底盘的互配？科学问题科学问题3 3：功能模块之间及与底盘微生物的适配耦联机理：功能模块之间及与底盘微生物的适配耦联机理底盘生物底盘生物固有基因固有基因 不同人工模块通过表达的不同人工模块通过表达的蛋白、代谢物等是否相互影蛋白、代谢物等是否相互影响干扰响干扰 不同人工模块转录调控不同人
11、工模块转录调控机制是否一致机制是否一致 人工模块与底盘生物的人工模块与底盘生物的转录调控、密码子使用、转录调控、密码子使用、蛋白表达等是否一致蛋白表达等是否一致“系统优化系统优化”原则原则人工模块人工模块10所选重要模式微生物具有重要应用价值大肠杆菌大肠杆菌酵母菌酵母菌芽孢杆菌芽孢杆菌假单胞菌假单胞菌蓝细菌蓝细菌 所选模式微生物在环境、能源和医学等领域有着重要的应用所选模式微生物在环境、能源和医学等领域有着重要的应用价值，对解决国家重大需求具有深远的战略性意义。价值，对解决国家重大需求具有深远的战略性意义。 重大应用潜力：重大应用潜力： Morimoto Morimoto et alet al
12、. 2008, DNA research. 2008, DNA research在敲除了20%基因的枯草芽孢杆菌中，异源表达纤维素酶和蛋白酶的产量分别提高了1.7倍和2.5倍Cong Cong et alet al. 2008, AEM. 2008, AEM在敲除了大肠杆菌中的六个关键基因后，大大减少了细胞内的代谢途径，实现葡萄糖和木糖的高效利用并能转化为乙醇6解决科学问题的路线图A AB BC CD DE EF FG G模块与底盘的适配模块与底盘的适配微生物底盘微生物底盘b ba ac c功能模块功能模块必需基因预测必需基因预测大规模基因敲除大规模基因敲除各组学手段解耦各组学手段解耦多基因连
13、接及整合多基因连接及整合数学建模分析数学建模分析复合自动化重组复合自动化重组大肠杆菌大肠杆菌芽孢杆菌芽孢杆菌假单孢菌假单孢菌 蓝细菌蓝细菌 酵母菌酵母菌建建立立较较为为完完整整的的合合成成生生物物学学知知识识体体系系攻攻克克关关键键技技术术路路线线难难题题建建立立合合成成生生物物学学“系系统统优优化化”设设计计的的重重要要原原则则人人工工合合成成全全新新细细胞胞16 理论研究的创新：理论研究的创新：以以“系统优化系统优化”的原则研究功能模块和的原则研究功能模块和宿主细胞（或底盘细胞）的优化耦合。宿主细胞（或底盘细胞）的优化耦合。建立和发展合成生物建立和发展合成生物学学“系统优化系统优化”设计的重要原则。设计的重要原则。 研究手段的创新：研究手段的创新：建立和完善计算生物学以及高通量实验建立和完善计算生物学以及高通量实验生物学手段，用于微生物基因组最小化的研究。生物学手段，用于微生物基因组最小化的研究。 生物系统人工合成的创新：生物系统人工合成的创新：获得的具有新功能的功能模块，获得的具有新功能的功能模块，并在新的基因组最小化的底盘微生物中实现优化耦合。并在新的基因组最小化的底盘微生物中实现优化耦合。27
