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1、LOGO资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值合 成 生 物 学简 介资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值内内 容容1.合成生物学的概念合成生物学的概念2.研究方式和工具研究方式和工具3.合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向2资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值合成生物学合成生物学(synth
2、etic biology)基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究，从基因片段、物系统研究，从基因片段、DNADNA分子、基因调控分子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域，法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域，合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。系统生物技术的方法基础。3资金是运动的价值
3、，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值n 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。n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。4资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值标准化抽象化复杂系统去偶合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
4、：合成生物学工程化三原则：2.研究方式和工具研究方式和工具5资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 标准化 从可更换的部件库，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。6资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 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。http:/partsregistry.org
5、7资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值Standard Assembly8资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 抽象化：将生物功能单元划分为不同层次。抽象化：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9资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立
6、的简单问题。复杂系统去偶合复杂系统去偶合10资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 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11资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值12资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功能的生将这些器件逐级设计构建组合成具
7、有特定功能的生物系统。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module13资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向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。14资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值1）基
8、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 B15资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值n 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。n状态转换具有滞后性，具有记忆功能。16资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值2）
9、基因振荡器 FT1激活它本身和激活它本身和FT2；FT2过量，会抑制过量，会抑制FT117资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值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。18资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值代谢途径改造-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19资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间
10、的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 1.1.生物质能和乙醇发酵微生物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 绿色植物和海洋藻类合成的有机物（生物质）约绿色植物和海洋藻类合成的有机物（生物质）约2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍。倍。资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值可用于发酵生产乙醇的部分微生物及其主要底物21资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的
11、，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值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。22资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值酵母的木糖代谢工程23资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的
12、推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 大肠杆菌的乙醇代谢工程EMP24资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值主要优势主要优势 大大肠肠杆杆菌菌能能够够利利用用非非常常广广泛泛的的碳碳源源，其其中中包包括括六六碳碳糖糖(葡葡萄萄糖糖，果果糖糖)和和五五碳碳糖糖(木木糖糖，阿阿拉拉伯伯糖糖)以以及及糖糖酸酸等等物物质质，这这一一特特性性使使得得大大肠肠杆杆菌菌能能利利用用木木质质纤纤维维素素降降解解产产生生的的各各种种糖糖类类，同同时时又又由由于于大大肠肠杆杆菌菌遗遗传传背背景景清清楚楚，因因此此
13、在在原原核核微微生生物物乙乙醇醇代代谢谢工工程程以以及及木木质质纤纤维维素素的的高高效效利利用用中中具具有有重重要的研究价值。要的研究价值。大肠杆菌的乙醇代谢工程大肠杆菌的乙醇代谢工程25资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题1.1.大肠杆菌乙醇耐受能力低大肠杆菌乙醇耐受能力低2.2.乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中的表达乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中的表达研究不够充分研究不够充分3.3.竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效的转化竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效的
14、转化成乙醇成乙醇26资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值2.青蒿酸合成线路的设计构建青蒿酸合成线路的设计构建 中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物。药物。Keasling利用合成生物学，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中，改造获的E.coli 青蒿酸的产量300mg/L。27资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就,Ke
15、as ling 被美国“发现”杂志评选为2006 年度最有影响的科学家。该项目已经获得比尔-梅林达盖茨基金会4300 万美元的资助,进行进一步的实验室研究、中试、临床实验等后续工作。28资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值3.3.代谢途径的快速进化代谢途径的快速进化基因突变基因突变 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29资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值Church 对20种番茄红素合成有关的基因进
16、行突变；将突变的90个DNA片段，转入大肠杆菌；3天内产生了150亿基因突变体；从中筛选到使番茄红素产量提高5倍的基因。30资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值4.利用合成生物学生产新能源 Kaslling利用13个可逆的酶促反应组合起来创建一条非天然的催化路径。淀粉+水 H231资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值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：合成独立的可遗传的人工生命体合成独立的可遗
17、传的人工生命体 32资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值人工生命的基本要素 具有膜系统 能进行新陈代谢 具有自己的基因33资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值研究最简化生命的两种方法1.从下而上：从核苷酸合成新生命体。2.从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。34资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值1.1.人工构建合成生命体人工构建合
18、成生命体2002年年 Wimmer小组脊髓灰质炎病毒的合成小组脊髓灰质炎病毒的合成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 35资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值三个步骤：合成、组装和移植三个步骤：合成、组装和移植合成合成：n蕈状支原体的基因组是一条大片段的蕈状支原体的基因组是一条大片段的DNA分子，序列是分子，序列是A、T、G、C四种脱氧核糖核苷酸的排列组合。四种脱氧核糖核苷酸的排列组合。n通过实验确定维持其生命周期的最小基因组，并加上通过实验确定维持其生命
19、周期的最小基因组，并加上4个个“水印基因水印基因”作为标记。作为标记。n用计算机精确计算需要合成用计算机精确计算需要合成DNA分子序列，并用化学方分子序列，并用化学方法合成法合成A、T、G、C碱基，并使其按所要求序列延伸。碱基，并使其按所要求序列延伸。n这是它被称为这是它被称为“人造生命人造生命”或者或者“化学合成化学合成”的关键。的关键。nVenter用化学方法合成了一千多个约用化学方法合成了一千多个约1kb的的DNA片段，片段，作为这次组装的基本材料。作为这次组装的基本材料。Venter的实验的实验36资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增
20、值的这部分资金就是原有资金的时间价值组装：组装：n因为合成生物学技术上的局限，不能直接合成上万碱因为合成生物学技术上的局限，不能直接合成上万碱基对的基对的DNA大分子，所以大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒等人巧妙地借助啤酒酵母和大肠杆菌的帮助，把酵母和大肠杆菌的帮助，把1Kb的的DNA分子有序准确分子有序准确的连成超过的连成超过1000kb的片段。的片段。移植：移植：n Venter等把这个合成基因组移植到不含限制性酶切系等把这个合成基因组移植到不含限制性酶切系统的山羊支原体中，基因组能使用后者的酶系统进行统的山羊支原体中，基因组能使用后者的酶系统进行自我复制，经过多代繁殖后，长成的
21、菌落已经纯粹由自我复制，经过多代繁殖后，长成的菌落已经纯粹由蕈状支原体组成。蕈状支原体组成。丝状支原体丝状支原体37资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值用化学合成的基因组构建一个细菌细胞用化学合成的基因组构建一个细菌细胞38资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值2.最小基因组的构建 Blattnerj小组删除大肠杆菌基因组的组删除大肠杆菌基因组的15%15%（高达（高达82Kb82Kb）,细菌仍保持了良好的生存状态。细菌仍
22、保持了良好的生存状态。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。39资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值最小基因组优点 选择性的保留所需的代谢途径和功能；成为合成基因网络理想的容器；为插入模块提高最简单无干扰的环境。40资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值理想的细胞底盘应具备的条件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
23、长以降低成本同时协调多基因的表达同时协调多基因的表达能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径41资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值15.3.4 15.3.4 构建多细胞体系构建多细胞体系 多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。群体效应：微生物通过自身产生的一种化学群体效应：微生物通过自身产生的一种化学信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的信号来感受群
24、体的浓度，从而表现出某种特殊的行为。行为。42资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值细菌细菌QSQS系统作用系统作用 细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境中的变化。达来适应环境中的变化。43资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就
25、是原有资金的时间价值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系统对细胞的发育进行调控系统对细胞的发育进行调控系统对细胞的发育进行调控系统对细胞的发育进行调控 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。44资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这
26、部分资金就是原有资金的时间价值15.4 展望 20042004年合成生物学被美国年合成生物学被美国MITMIT出版的出版的技术评论技术评论评为评为“将改变世界将改变世界的的1010大新技术之一大新技术之一”。美国生物经济研究协会美国生物经济研究协会20072007年发表了题为年发表了题为基因组合成和设计未来：基因组合成和设计未来：对美国经济的影响对美国经济的影响的研究报告。的研究报告。45资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值 细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。该项研究可用来探测地雷位置：靠近地雷时细菌发绿光；远离地雷时则发红光。麻省理工学院计算机工程师麻省理工学院计算机工程师麻省理工学院计算机工程师麻省理工学院计算机工程师 46LOGO资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值Thank You!