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1、人工合成基因组人工合成基因组第1页，共10页，编辑于2022年，星期四Genome transplantation in Genome transplantation in bacteria:changing one bacteria:changing one species to anotherspecies to another天然完整基因组种间转移天然完整基因组种间转移天然完整基因组种间转移天然完整基因组种间转移:As a step toward propagation of synthetic As a step toward propagation of synthetic geno
2、mes,we completely replaced the genome genomes,we completely replaced the genome of a bacterial cell with one from another of a bacterial cell with one from another species by transplanting a whole genome as species by transplanting a whole genome as naked DNA.Intact genomic DNA from naked DNA.Intact
3、 genomic DNA from Mycoplasma mycoidesMycoplasma mycoides（蕈状支原体蕈状支原体蕈状支原体蕈状支原体）large colony(LC),virtually free of large colony(LC),virtually free of protein,was transplanted into protein,was transplanted into Mycoplasma capricolumMycoplasma capricolum（山羊支原体）山羊支原体）山羊支原体）山羊支原体）cells by polyethylene gly
4、col(PEG)-mediated cells by polyethylene glycol(PEG)-mediated transformation.Cells selected for transformation.Cells selected for tetracycline resistance,carried by the tetracycline resistance,carried by the M.M.mycoidesmycoides LC chromosome,contain the LC chromosome,contain the complete donor genom
5、e and are free of complete donor genome and are free of detectable recipient genomic sequences.detectable recipient genomic sequences.These cells that result from genome These cells that result from genome transplantation are transplantation are phenotypically identical phenotypically identical to t
6、he M.mycoides LC donorto the M.mycoides LC donor strain as strain as judged by several criteria.judged by several criteria.-Science.2007 Aug 3;317:632-8-Science.2007 Aug 3;317:632-8第2页，共10页，编辑于2022年，星期四合成基因组合成基因组-Science论文论文ScienceScience 2 July 2010:Vol.329.no.5987,pp.52-56 2 July 2010:Vol.329.no.5
7、987,pp.52-56 Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized GenomeDaniel G.Gibson,1 John I.GlassDaniel G.Gibson,1 John I.Glass et al et alWe report the design,synthesis,and assembly of the 1.08We report t
8、he design,synthesis,and assembly of the 1.08 megamega base pair base pair Mycoplasma mycoidesMycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 genome starting from digitized genome sequence JCVI-syn1.0 genome starting from digitized genome sequence information and its transplantation into a information and its transp
9、lantation into a M.capricolumM.capricolum recipient cell to create recipient cell to create new new M.mycoidesM.mycoides cells that are controlled only by the synthetic chromosome.The cells that are controlled only by the synthetic chromosome.The only DNA in the cells is the designed synthetic DNA s
10、equence,including only DNA in the cells is the designed synthetic DNA sequence,including watermark sequences and other designed gene deletions and polymorphisms,watermark sequences and other designed gene deletions and polymorphisms,and mutations acquired during the building process.The new cells ha
11、ve expected and mutations acquired during the building process.The new cells have expected phenotypic properties and are capable of continuous self-replication.phenotypic properties and are capable of continuous self-replication.第3页，共10页，编辑于2022年，星期四合成合成生命生命的基的基本操本操作程作程序序第4页，共10页，编辑于2022年，星期四酵母酵母中克中
12、克隆细隆细菌全菌全基因基因组策组策略略Nucleic Acids Research,2010,Vol.38,No.8第5页，共10页，编辑于2022年，星期四酵母中克隆支原体全基因组酵母中克隆支原体全基因组Nucleic Acids Research,2010,Vol.38,No.8第6页，共10页，编辑于2022年，星期四合成生命的的关关键键步步骤骤根据解读的蕈状支原体（根据解读的蕈状支原体（根据解读的蕈状支原体（根据解读的蕈状支原体（M.mycoidesM.mycoidesM.mycoidesM.mycoides）基因组）基因组）基因组）基因组DNADNADNADNA顺序，文特尔团队设计了
13、顺序，文特尔团队设计了顺序，文特尔团队设计了顺序，文特尔团队设计了1078107810781078个个个个DNADNADNADNA卡盒（卡盒（卡盒（卡盒（cassettecassettecassettecassette）,每个每个每个每个DNADNADNADNA卡盒长卡盒长卡盒长卡盒长1080bp1080bp1080bp1080bp，其末端有，其末端有，其末端有，其末端有80bp80bp80bp80bp的顺序重叠的顺序重叠的顺序重叠的顺序重叠.这些这些这些这些DNADNADNADNA卡盒由卡盒由卡盒由卡盒由JCVIJCVIJCVIJCVI指定的公司指定的公司指定的公司指定的公司lue Hero
14、n Biotechnologylue Heron Biotechnologylue Heron Biotechnologylue Heron Biotechnology合成。随后进行合成。随后进行合成。随后进行合成。随后进行三个操作步骤：第一步，从三个操作步骤：第一步，从三个操作步骤：第一步，从三个操作步骤：第一步，从1078107810781078个个个个DNADNADNADNA卡盒中每次取卡盒中每次取卡盒中每次取卡盒中每次取10101010个构建了个构建了个构建了个构建了109109109109个长个长个长个长10kb10kb10kb10kb的的的的DNADNADNADNA卡盒卡盒卡盒卡盒
15、.第二步，从第二步，从第二步，从第二步，从110110110110个个个个10kbDNA10kbDNA10kbDNA10kbDNA卡盒中每次取卡盒中每次取卡盒中每次取卡盒中每次取10101010个构建了个构建了个构建了个构建了11111111个长个长个长个长100kb100kb100kb100kb的的的的DNADNADNADNA卡盒卡盒卡盒卡盒.第三步，将第三步，将第三步，将第三步，将11111111个长个长个长个长100kb100kb100kb100kb的的的的DNADNADNADNA卡盒在酵母细胞中彼此连接卡盒在酵母细胞中彼此连接卡盒在酵母细胞中彼此连接卡盒在酵母细胞中彼此连接装配成完整的
16、人工基因组装配成完整的人工基因组装配成完整的人工基因组装配成完整的人工基因组,全长全长全长全长1080kb,1080kb,1080kb,1080kb,以酵母人工染色体（以酵母人工染色体（以酵母人工染色体（以酵母人工染色体（YACYACYACYAC）的形式扩增。）的形式扩增。）的形式扩增。）的形式扩增。在酵母细胞中人工基因组在酵母细胞中人工基因组在酵母细胞中人工基因组在酵母细胞中人工基因组DNADNADNADNA不发生甲基化，当进入受体细菌后将被受体限制不发生甲基化，当进入受体细菌后将被受体限制不发生甲基化，当进入受体细菌后将被受体限制不发生甲基化，当进入受体细菌后将被受体限制酶降解酶降解酶降解
17、酶降解,因此需要体外甲基化加以保护。酵母人工染色体（因此需要体外甲基化加以保护。酵母人工染色体（因此需要体外甲基化加以保护。酵母人工染色体（因此需要体外甲基化加以保护。酵母人工染色体（YACYACYACYAC）可以随同）可以随同）可以随同）可以随同染色体复制扩增。因带有标记基因，可在筛选培养基上稳定遗传。染色体复制扩增。因带有标记基因，可在筛选培养基上稳定遗传。染色体复制扩增。因带有标记基因，可在筛选培养基上稳定遗传。染色体复制扩增。因带有标记基因，可在筛选培养基上稳定遗传。从酵母细胞中分离扩增的人工合成蕈状支原体基因组从酵母细胞中分离扩增的人工合成蕈状支原体基因组从酵母细胞中分离扩增的人工合
18、成蕈状支原体基因组从酵母细胞中分离扩增的人工合成蕈状支原体基因组DNADNADNADNA，随后将人工合成基因组导入山羊支，随后将人工合成基因组导入山羊支，随后将人工合成基因组导入山羊支，随后将人工合成基因组导入山羊支原体（原体（原体（原体（Mycoplasma capricolumMycoplasma capricolumMycoplasma capricolumMycoplasma capricolum）受体细胞，）受体细胞，）受体细胞，）受体细胞，山羊支原体受体细胞中编码限制性山羊支原体受体细胞中编码限制性山羊支原体受体细胞中编码限制性山羊支原体受体细胞中编码限制性核酸内切酶基因已失活核酸
19、内切酶基因已失活核酸内切酶基因已失活核酸内切酶基因已失活。人工合成的蕈状支原体基因组。人工合成的蕈状支原体基因组。人工合成的蕈状支原体基因组。人工合成的蕈状支原体基因组DNADNADNADNA在山羊支原体受体在山羊支原体受体在山羊支原体受体在山羊支原体受体细胞中可以转录细胞中可以转录细胞中可以转录细胞中可以转录mRNA,mRNA,mRNA,mRNA,并可翻译成蛋白质。转化的山羊支原体受体细胞基因并可翻译成蛋白质。转化的山羊支原体受体细胞基因并可翻译成蛋白质。转化的山羊支原体受体细胞基因并可翻译成蛋白质。转化的山羊支原体受体细胞基因组组组组DNADNADNADNA或者被蕈状支原体限制性核酸内切酶
20、破坏，或者在细胞繁殖后丟失。或者被蕈状支原体限制性核酸内切酶破坏，或者在细胞繁殖后丟失。或者被蕈状支原体限制性核酸内切酶破坏，或者在细胞繁殖后丟失。或者被蕈状支原体限制性核酸内切酶破坏，或者在细胞繁殖后丟失。在筛选培养基上，最后只生长人工合成蕈状支原体基因组的细胞克隆。在筛选培养基上，最后只生长人工合成蕈状支原体基因组的细胞克隆。在筛选培养基上，最后只生长人工合成蕈状支原体基因组的细胞克隆。在筛选培养基上，最后只生长人工合成蕈状支原体基因组的细胞克隆。最初的实验中，人工合成的基因组并没有产上预想的结果，没有细胞生长。为此文特尔最初的实验中，人工合成的基因组并没有产上预想的结果，没有细胞生长。为
21、此文特尔最初的实验中，人工合成的基因组并没有产上预想的结果，没有细胞生长。为此文特尔最初的实验中，人工合成的基因组并没有产上预想的结果，没有细胞生长。为此文特尔团队设计了一种检测合成的每个团队设计了一种检测合成的每个团队设计了一种检测合成的每个团队设计了一种检测合成的每个DNADNADNADNA卡盒中是否存在错误的方法。他们将天然的卡盒中是否存在错误的方法。他们将天然的卡盒中是否存在错误的方法。他们将天然的卡盒中是否存在错误的方法。他们将天然的11111111个个个个100kb100kb100kb100kb的的的的DNADNADNADNA卡盒和人工合成的卡盒和人工合成的卡盒和人工合成的卡盒和人
22、工合成的11111111个个个个100 kb100 kb100 kb100 kb的卡盒进行搭配重组，用于检测人工合成的卡盒进行搭配重组，用于检测人工合成的卡盒进行搭配重组，用于检测人工合成的卡盒进行搭配重组，用于检测人工合成的的的的100kb100kb100kb100kb卡盒中是否存在错误卡盒中是否存在错误卡盒中是否存在错误卡盒中是否存在错误.凡是检测到功能有缺陷的人工卡盒，随即进行凡是检测到功能有缺陷的人工卡盒，随即进行凡是检测到功能有缺陷的人工卡盒，随即进行凡是检测到功能有缺陷的人工卡盒，随即进行DNADNADNADNA测测测测序，找出存在的突变并给予矫正序，找出存在的突变并给予矫正序，找
23、出存在的突变并给予矫正序，找出存在的突变并给予矫正,确保进入人工基因组合成的卡盒完全正确。确保进入人工基因组合成的卡盒完全正确。确保进入人工基因组合成的卡盒完全正确。确保进入人工基因组合成的卡盒完全正确。First Self-Replicating Synthetic Bacterial CellFirst Self-Replicating Synthetic Bacterial CellFirst Self-Replicating Synthetic Bacterial CellFirst Self-Replicating Synthetic Bacterial Cell 20-May-20
24、10 20-May-2010 20-May-2010 20-May-2010 第7页，共10页，编辑于2022年，星期四合合成成生生命命操操作作图图解解创造这个可复制的试验性单细胞生物花费了创造这个可复制的试验性单细胞生物花费了4,000万美元万美元 取名 Synthia:人造儿人造儿 第8页，共10页，编辑于2022年，星期四合合成成基基因因组组结结构构图图第9页，共10页，编辑于2022年，星期四人工合成基因组中的人工合成基因组中的水印水印 The secret amino acid messages contained in watermarks that were The secret
25、 amino acid messages contained in watermarks that were embedded in the worldembedded in the world s first manmade bacterial genome.s first manmade bacterial genome.NCBINCBI checked into the genetic sequence submitted by Venter checked into the genetic sequence submitted by Venter s Institute s Insti
26、tute and found the watermarks hidden in plain sight.and found the watermarks hidden in plain sight.The five coded messages that will go down in history as embedded The five coded messages that will go down in history as embedded in the first synthetic genome in the first synthetic genome VENTERINSTITVTEVENTERINSTITVTECRAIGVENTERCRAIGVENTERHAMSMITHHAMSMITHCINDIANDCLYDECINDIANDCLYDEGLASSANDCLYDEGLASSANDCLYDE 代表代表5 5个作者个作者:Craig Venter,Hamilton Smith,John Glass,Clyde:Craig Venter,Hamilton Smith,John Glass,Clyde Hutchison Hutchison 第10页，共10页，编辑于2022年，星期四