合成生物学简介
合成生物学简介以及BioBrick的相关介绍
什么是合成生物学？合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个正在迅速发展的分支学科，并结合了工程学，化学，计算机以及分子生物学等多种学科。
合成生物学按照一定的规律和已有的知识：①设计和建造新的生物部件、装置和系统；②重新设计已有的天然生物系统为人类的特殊目的服务。
合成生物学家试图创造出一种以脱氧核糖核酸（DNA）编写的语言。
为了达此目的，需要设计DNA片段，而这些DNA片段已获标准化处理，能与其他片段轻易连结。
每个片段代表着个别指示，而将它们组合起来，便成为一个程式，能够指示细胞进行一系列的工作。
这个过程类似编写电脑程式又或是制造机器人，不同之处是其制成品是具有生命及繁殖力的活细胞。
他们尝试着利用基因的序列信息和人工合成DNA，去改装细胞的新陈代谢路径从而使得细胞具有全新的功能，例如生产化学物质和药品。
他们的最终目标是尝试从无到有地构建基因——以及新的生命形式。
而那些用以铸造新系统的生物因子就被称为“生物砖石”（BioBricks）。
2.1BioBricks简介什么是BioBricks？BioBricks是为了实现能够在活细胞体内搭建上面描述的相应的生物系统而建立的标准，使得部件之间能够更好的组合。
右图就是在质粒上的BioBrick™partBBa_B0034，它两侧的是前缀prefix(P)和后缀suffix(S).什么是前缀prefix和后缀suffix？前缀prefix和后缀suffix都是在目地基因周围的一段基因序列。
BioBrick具有相同的前缀和后缀。
每一个前缀都扩EcoRI和XbaI两个酶切位点，如果其后面的编码基因等组件（part）以“ATG”开头，则前缀为gaattcgcggccgcttctag。
否则就是gaattcgcggccgcttctagag 后缀中包括SpeI和PstI两个酶切位点。
序列为tactagtagcggccgctgcag而中间的基因经过特殊的遗传工程手段处理，使得真正的编码序列不含这四个酶切位点。
合成生物学的特点
合成生物学的特点合成生物学是一门跨学科的新兴科学领域，它将生物学、化学、物理学和工程学等多个学科融合在一起，致力于通过人工合成和修改生物系统的基因、代谢途径和细胞结构，来创造具有新功能的生物体或改造已有生物体的一种学科。
合成生物学的特点主要体现在以下几个方面。
合成生物学具有系统化的研究方法。
合成生物学采用工程学的思维方式，将复杂的生物系统抽象为模块化的组件，通过对这些组件的设计、组装和调控，实现对生物体的精确控制和改造。
合成生物学工程师可以通过设计和构建基因回路、调控元件和代谢途径等来实现对生物体功能的改造和优化。
合成生物学具有高度的可编程性。
合成生物学通过设计和合成具有特定功能的DNA序列来实现对生物体的编程。
通过改变DNA序列的排列和组合，可以实现对生物体的不同功能的编码和表达。
合成生物学的研究者可以通过合成和修改DNA序列来实现对生物体的精确控制和调控。
合成生物学具有高度的可控性和可预测性。
合成生物学通过对生物系统的建模和仿真来预测和优化生物体的功能。
合成生物学的研究者可以通过对生物体的基因表达、代谢途径和细胞结构等进行精确调控，从而实现对生物体的功能的预测和优化。
通过合成生物学的方法，可以实现对生物体的精确控制和调控，从而实现对生物体功能的定向改造和优化。
合成生物学具有广泛的应用前景。
合成生物学可以应用于生物医药、农业生产、环境保护等多个领域。
在生物医药领域，合成生物学可以用于设计和合成新型药物，改善传统药物的性能，以及创造具有特定治疗效果的新型疗法。
在农业生产领域，合成生物学可以用于设计和合成高效的农业微生物，提高农作物的产量和质量，减少农药的使用。
在环境保护领域，合成生物学可以用于设计和合成具有生物降解能力的微生物，用于处理有机废弃物和污染物。
合成生物学具有系统化的研究方法，高度的可编程性，可控性和可预测性，以及广泛的应用前景。
合成生物学的发展将为人类提供新的工具和方法来改造和优化生物体的功能，推动生物技术和生物工程的发展，为解决人类面临的各种挑战提供新的解决方案。
合成生物学
合成生物学
Jaff Hasty
UC, San Diego. 化学工程系，教授 研究领域： 合成生物学 系统生物学 细胞信号转导 微流体设计
使用甲硫氨酸阻抑型启动子，抑制ERG9 表达。紫穗槐产量：4.4mg/L到153mg/L
Dae-Kyun Ro, Jay D Keasling, et al. Nature, 2006(4):940-943. Robert H Dahl, Jay D Keasling, et al. Nature biotechnology, 2013:1039-1048.
研究策略
翻译水平适配性的研究
选择不同的RBS序列，脂肪酸产量提高了46%
Peng Xu, Mattheos A.G. Koffas, et al. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms2425
研究策略
融合蛋白
1、一些分子数小的多肽基因常采用融合的方法与某一基因相 连，以增加在体内表达后产物的稳定性。 2、两个分子串连融合以提高效率。 3、与分泌性蛋白的信号肽基因组成融合基因，以使表达产物 分泌到膜外或胞外。
中国科学院微生物研究所
上海交通大学 中科院上海生科院 清华大学
2013CB734000 2013CB733900
2014CB745100
合成微生物体系的适配性研究 抗逆元器件的构建和机理研究
微生物多细胞体系的设计与合成
中国科学院微生物研究所 清华大学
天津大学
合成生物学的意义
合成生物学的意义合成生物学（Synthetic Biology）是一门涉及生物学、生物技术、工程学和计算机科学等多领域的新兴科学，它通过改变生物体的遗传物质，创造出具有新功能的生物机器和生物系统。
合成生物学的意义在于其对于人类社会和生态环境的发展和影响具有重要的意义。
下面将从医疗、农业、能源、环境保护以及经济发展等方面探讨合成生物学的相关意义。
首先，合成生物学在医疗领域具有重要意义。
通过利用合成生物学技术，可以实现精准医学的发展。
例如，通过合成生物学技术，可以大规模生产人类所需的药物，降低药物的成本并提高供应量，从而使更多的患者受益。
此外，合成生物学还可以通过改变生物体的遗传物质，研发出具有特定功能的新药物，例如用于治疗癌症和遗传性疾病的靶向药物，以及用于预防和控制传染病的疫苗。
其次，在农业领域，合成生物学可以帮助改善作物的生产效率和抗病能力。
通过合成生物学技术，可以改变作物的基因组，使其具有更高的产量和抗虫、抗逆的能力。
这将有助于解决全球粮食安全问题，并减少对化学农药的使用，从而保护生态环境和人类健康。
合成生物学在能源领域也有重要意义。
传统能源来源如石油和煤炭等对环境造成严重的污染，而可再生能源如太阳能和风能等则存在存储和利用方面的挑战。
通过合成生物学技术，可以利用微生物合成生物燃料，不仅可以减少对化石能源的依赖，还可以降低温室气体的排放，对环境更加友好。
此外，合成生物学还可以利用微生物来进行生物修复，例如利用微生物降解有机污染物，将其转化为无害的物质，从而达到环境保护和资源回收的目的。
除此之外，合成生物学还可以对经济发展产生积极影响。
合成生物学技术的应用可以促进新型产业的发展，创造就业机会，提高经济效益。
例如，合成生物学技术在生物制药、生物燃料和生物材料等领域的应用已经取得了显著的成果，推动了相关产业的发展。
综上所述，合成生物学具有广泛的应用前景和重要的意义。
其在医疗、农业、能源、环境保护以及经济发展等方面的应用，将为人类社会的可持续发展和环境保护做出重要贡献。
合成生物学和生物工程
合成生物学和生物工程合成生物学是一门生物技术学科，旨在设计、构建和改造细胞、生物体系和组织器官等生物系统，以期实现特定的功能和性能。
与生物工程不同，合成生物学注重从基础原理出发，通过精细的设计和预测，建立生物系统的精确控制和优化。
目前，合成生物学已经成为一个研究热点，在食品、医药、环境、能源等领域都有广泛的应用前景。
合成生物学与细胞自由创造的能力有关，可以让生物学家创造新的生物体系，通过设计、组装和重构使得细胞表现出一些人为制造的功能。
合成生物学的终极目标是建立一个模块化的类生物学物理学理论，使得这个新生物学物理学能够准确的预测细胞行为。
与此相关的一个问题是：既然细胞有自己的千变万化的特性，那么是否还有一个最基本的通用特性或者工作方式，生物学家能不能从这个最基本的特性出发去设计、构建和改造细胞？生物工程和合成生物学的区别在于方法和目标。
合成生物学是基于工程原理的某种机械式方法，可视作人工物理学而不是生物学。
它的目标是在最极端时，设计活细胞能够创造新的工程材料。
相应的，生物工程是应用生物学原理开发新生物技术的一种前沿科技。
生物工程的核心是从学科交叉的角度出发，利用化学、生物、物理等学科的知识，研究和开发能够利用生物体系来生产化学品、药品、生物燃料、生物材料等相关产品和技术。
近年来，由于合成生物学和生物工程的比较靠近，学科之间的交叉渐渐开始发生，生物工程从原来的实验室实践中开始向合成技术转移。
学科的交叉使得生物工程产生了更高的主题性，通过合成技术，生物工程希望生产更高效的药品和更智能化的医疗设备，这正迎合了合成生物学建立“系统生物学”，探索生物本质的一种思路。
同时，合成生物学也将生物系统看作是物理系统，关注的是其物理性质，这也有助于生物工程的发展。
总的来说，合成生物学和生物工程，虽然其目的和方法不同，但都有其独特的贡献，构成了现代生物学和生物技术的两个分支。
在日益严峻的生态问题和社会需求的推动下，二者的交叉和协同将产生更大的推动力，促进生物技术的发展，改变人类生活的方式。
合成生物学整理
本课程。。。综合Wikipedia和Wikigenes的基础上，整合了班级同学的共同努力，为今后的合成生物学教学提供参考。
所有编者（按姓氏拼音）：
陈鹏祥、陈颂赞、丁彦甫、高嘉豪、胡大辉、林汉扬、刘苏滢、蒋刘一琦、潘唯玮、沈浩卿、盛涛涛、冉雪彬、王紫鑫、吴芑柔、肖雨曦、薛继统、杨文君、叶青、袁略真、张霈婧、张正越、郑炯壕、仲策、周丽娜
合成生物学的快速发展由三项关键的技术促成——数学模型的建立、DNA的合成以及DNA测序技术。
4.1 数学模型的建立
正如系统生物学，合成生物学的发展离不开生物过程的数学模型建立。近来，人们开始发展更大规模、更多层次的基因调节网络模型，以达到模拟整体基因调控网络中的生物分子相互作用，其中包括转录、翻译和基因表达调控的激活与抑制。目前有很多商业化的免费软件可供系统生物学家们使用，但是我们也注意到了合成生物学家们对整合的开发环境（IDE）的需求，例如各种工程化领域中的计算机辅助设计系统（CAD）。除了整合开发环境的需求，高通量的计算也对合成生物学的研究起到关键作用，例如使用并行计算、云计算等方式进行有效的药物发现。具体来说，模式设计、模型建立、校验合成生物学设备与系统，以及生物学参数的量化处理都是合成生物学中模型建立的重要组成部分，原因在于生物学过程的模型预测与真实情况的差异可能让我们发现对生物学过程的假设的一些缺陷，并且提示我们合成生物系统中存在的“故障”。未来，合成生物学的强力工具将帮助我们完成时间依赖的参数测量，以及大量的参数平行测量。
（合成生物学中的一些工具以及他们的应用描述已经展示在了下面的链接中：/e/art/e/187.html）
4.2 DNA合成
DNA或寡核苷酸的化学合成是合成生物学的重要组分。多亏了自动DNA合成仪的进步，现在合成和集成完整的基因、调控元件、基因回路或者整个微生物基因组已经成为可能。Khorana和他的同事们先驱性地探究了从寡核苷酸合成DNA的工作，并首次完成了一个酵母tRNA基因。这个过程也叫作基因的人工合成，因为不需要使用起始DNA模板。生长激素抑制素是第一个被化学合成的肽链，而白细胞干扰素则是第一个能在细菌里表达的人工蛋白合成基因。这些研究揭示了合成生物学的可能具有的应用。DNA的化学合成通常比重组DNA克隆更加直接经济，且被生物技术常规使用。
《合成生物学》课件
02
合成生物学基本技术
基因编辑技术
基因编辑技术是指通过特定的手 段对生物体的基因组进行精确的 修改，以达到改变其性状的目的 。
基因编辑技术的发展对于人类疾 病治疗、农业生产、生物多样性 保护等方面具有重要意义。
目前最常用的基因编辑技术是 CRISPR-Cas9系统，它能够实现 对基因组的精准定位和高效编辑 。
基因合成技术的发展对于人类疾病治疗、生物制药、农业育种等方面具有重要意义 。
生物信息学技术
生物信息学技术是指利用计算机科学和 数学的方法对生物数据进行分析、处理 和挖掘的技术。
生物信息学技术是合成生物学中的重要技术 之一，它能够实现对生物数据的快速处理和 深度挖掘，为合成生物学的研究提供重要的 数据支持和理论指导。
人工合成噬菌体基因组
总结词
开创性、潜力巨大
详细描述
人工合成噬菌体基因组是一项开创性的工作，展示了合成生物学在解决全球性问题上的 巨大潜力。噬菌体是细菌的天敌，通过人工合成噬菌体基因组，有望为未来的抗菌治疗
提供新的策略和工具。
人工合成生物钟基因组
总结词
挑战性、应用前景广阔
详细描述
人工合成生物钟基因组是一项极具挑战性的 任务，其成功实现了对生物钟的精确调控。 这一成果不仅有助于深入了解生物钟的机制 ，还为未来的生物技术应用提供了广阔的前 景，如优化农作物产量、提高动物养殖效益 等。
特性
合成生物学具有跨学科性、创新性、 系统性和工程性等特性，它旨在通过 设计和构建人工生物系统来解决实际 问题，改善人类生活和环境。
研究领域与方向
研究领域
合成生物学的研究领域包括基因和细胞工程、代谢工程、生物信息学和系统生物学等。
研究方向
合成生物学
组装：
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DNA大分子，所以Venter等人巧妙地借助啤酒 酵母和大肠杆菌的帮助，把1Kb的DNA分子有序准确 的连成超过1000kb的片段。
移植：
Venter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 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。
器件 devic模块 module
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。
1） 基因拨动开关
诱导物B
建一条非天然的催化路径。
淀粉 + 水
H2
最小基因组与合成生物学 合成生物学最终目标：
合成独立的可遗传的人工生命体
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
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。
1.人工构建合成生命体 2002年 Wimmer小组脊髓灰质炎病毒的合成
大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题
1. 大肠杆菌乙醇耐受能力低 2. 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 3. 竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效的转化 成乙醇
2. 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 药物。
Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成
Standard Assembly
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