合成生物学
合成生物学的核心内涵
合成生物学的核心内涵
1. 设计与构建生物系统，合成生物学致力于设计和构建新的生
物系统，包括合成新的基因组、代谢途径、蛋白质和其他生物分子。
通过合成生物学的方法，研究人员可以创造具有特定功能的生物体，如生物传感器、生物药物等。
2. 分析与调控生物系统，合成生物学也关注对现有生物系统的
分析和调控。
研究人员通过改造现有生物系统的基因组，调控其代
谢途径和信号传导通路，从而使其具有新的性能和功能。
3. 应用与创新，合成生物学的另一个核心内涵是将其研究成果
应用到生物医药、能源、环境保护等领域。
例如，利用合成生物学
的方法可以生产生物燃料、生物塑料、生物药物等，为人类社会带
来新的经济和环境效益。
4. 倡导开放式研究与合作，合成生物学倡导开放式的研究与合
作模式，鼓励研究者之间的信息共享、资源共享和合作。
这种开放
式的研究模式有助于加速科研成果的转化和应用，推动合成生物学
领域的发展。
总的来说，合成生物学的核心内涵包括设计与构建生物系统、
分析与调控生物系统、应用与创新以及倡导开放式研究与合作。
这
些方面共同构成了合成生物学这一新兴领域的核心理念和研究方向。
合成生物学专业就业前景
合成生物学专业就业前景简介合成生物学是一门跨学科的学科，它结合了生物学、化学、物理学和工程学等领域的知识，旨在设计和构建新的生物系统，以实现特定的功能或目标。
随着合成生物学的发展，该专业的就业前景也变得越来越广阔。
本文将探讨合成生物学专业的就业前景，并分析该行业的发展趋势。
就业领域合成生物学专业的毕业生可以在以下领域找到就业机会：生物技术公司许多生物技术公司致力于开发新的生物制品和解决现实生活中的问题，合成生物学专业的毕业生在这些公司中非常受欢迎。
他们可以参与生物制药、生物燃料、农业和环境保护等方面的研发工作。
研究机构科研机构也是合成生物学专业毕业生的就业热点。
他们可以在大学、国家实验室或企业创新中心等地从事研究工作，为合成生物学的发展做出贡献。
创业公司随着合成生物学的兴起，许多创业公司涌现出来。
合成生物学专业的毕业生可以在这些初创公司中寻找创业机会，发展自己的创新项目。
就业前景合成生物学专业的就业前景非常广阔。
以下是合成生物学专业毕业生可能面临的一些职业机会：科研人员合成生物学专业的毕业生可以成为高级研究员或实验室负责人，在研究机构中从事合成生物学相关的研究工作。
他们可以参与项目设计、实验执行和数据分析等工作。
技术专家合成生物学的实践需要丰富的实验技术和仪器设备的操作经验。
合成生物学专业的毕业生可以成为生物技术公司的技术专家，负责实验室的运行和技术支持。
项目经理在生物技术公司或创业公司中，合成生物学专业的毕业生可以担任项目经理，负责管理团队、协调资源和监督项目的进展。
创业者合成生物学专业的毕业生具备创新精神和创业能力，他们可以成立自己的合成生物学公司，致力于开发新的生物制品或解决现实生活中的难题。
行业发展趋势合成生物学作为一门新兴学科，正在迅速发展。
以下是合成生物学行业的一些发展趋势：技术创新合成生物学行业将继续进行技术创新，尤其是在生物合成、基因编辑和高通量筛选等方面。
这将为合成生物学专业毕业生带来更多的职业机会。
《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
合成生物学的概念
合成生物学的概念
合成生物学是一门基于工程学和生物学的交叉学科，旨在通过设计和构建新的生物系统，来解决现实中的问题和挑战。
它的主要目的是利用现代基因工程技术和计算机技术，构建出一些新的生物体系，来实现人类社会对于生命科学的各种需求。
合成生物学的主要研究内容包括：
1. 设计和构建基因组：合成生物学家们可以通过改变基因组结构和功能，来创造出新的生物体系。
2. 设计和构建代谢途径：合成生物学家们可以利用基因工程技术，来构建出新的代谢途径，从而实现对人类社会的一些需求。
3. 设计和构建细胞：合成生物学家们可以利用基因工程技术，来构建出新的细胞体系，从而实现对人类社会的一些需求。
例如，设计生产有用药物的细胞。
4. 设计和构建生态系统：合成生物学家们可以利用基因工程技术和计算机技术，来构建出新的生态系统，从而实现对人类社会的一些需求。
总之，合成生物学是一门非常重要的交叉学科，它可以为人类社会带来很多实际应用，例如新药物的研发、新工业的建立、新能源的开发等等。
它在今后的发展中，将会扮演着越来越重要的角色。
- 1 -。
合成生物学
枯草芽胞杆菌利用QS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； 营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。
15.4 展望
2004年合成生物学被美国MIT出版的《技术评论》评为“将改变世 界的10大新技术之一”。
美国生物经济研究协会2007年发表了题为《基因组合成和设计未来： 对美国经济的影响》的研究报告。
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。
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
1. 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
将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功能的生 物系统。
器件 device
生物部Байду номын сангаас part
模块 module
系统
system
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。
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 Venter 合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组
Venter的实验
三个步骤：合成、组装和移植
合成 ：
蕈状支原体的基因组是一条大片段的DNA分子，序列是 A、T、G、C四种脱氧核糖核苷酸的排列组合。
通过实验确定维持其生命周期的最小基因组，并加上4个 “水印基因”作为标记。
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
合成生物学,药物学
合成生物学，药物学
合成生物学和药物学是两个相互关联的领域，它们在药物研发和生产中有着广泛的应用。
合成生物学是一门新兴的交叉学科，它综合了生物学、物理学、化学等多个学科的理论和方法，通过设计和构建基因、蛋白质等生物分子，实现对生物体的改造和优化。
在药物学中，合成生物学可以用于合成和改造药物分子，提高药物的疗效和安全性。
药物学是研究药物的来源、炮制、性状、作用、分析、鉴定、调配、生产、保管和寻找（包括合成）新药等的学科。
它主要包括药物化学、药理学、药剂学、药物分析学等分支学科。
在药物学中，合成生物学可以用于合成和改造药物分子，提高药物的疗效和安全性。
合成生物学和药物学的结合可以为药物研发和生产提供新的思路和方法，有助于提高药物的疗效和安全性，降低药物的生产成本。
合成生物学
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理论背景
理论背景
合成生物学的研究依据自组织系统结构理论 -泛进化论（structurity, structure theory, panevolution theory），从实证到综合（synthetic ）探讨天然与人工进化的生物系统理论，阐述了结构整合 （integrative）、调适稳态与建构（constructive）层级等规律；因此，系统（systems）生物学也称为“整 合（integrative biology）生物学”，合成（synthetic）生物学又叫“建构生物学（constructive biology）”（Zeng BJ.中译）。系统与合成生物学的系统结构、发生动力与砖块建构、工程设计等基于结构理 论原理，从电脑技术的系统科学理论到遗传工程的系统科学方法，是将物理科学、工程技术原理与方法贯彻到细 胞、遗传机器与细胞通讯技术等纳米层次的生物分子系统分析与设计。
自2000年《自然》（Nature）杂志报道了人工合成基因线路研究成果以来，合成生物学研究在全世界范围 引起了广泛的**与重视，被公认为在医学、制药、化工、能源、材料、农业等领域都有广阔的应用前景。国际上 的合成生物学研究发展飞速，在短短几年内就已经设计了多种基因控制模块，包括开关、脉冲发生器、振荡器等， 可以有效调节基因表达、蛋白质功能、细胞代谢或细胞间相互作用。
合成生物学（synthetic biology），也可翻译成综合生物学，即综合集成，“synthetic”在不同地方翻 译成不同中文，比如综合哲学（synthetic philosophy）、“社会-心理-生物医学模式”的综合（synthetic） 医学（genbrain biosystem network -中科院曾邦哲1999年建于德国，探讨生物系统分析学“biosystem analysis”与人工生物系统“artificial biosystem”，包括实验、计算、系统、工程研究与应用），同时也 被归属为人工生物系统研究的系统生物工程技术范畴，包括生物反应器与生物计算机开发。
合成生物学的技术
合成生物学的技术
合成生物学是一个跨学科的科学领域，它利用工程学的方法来研究和改造生命系统。
以下是合成生物学的主要技术：
1.基因测序技术：基因测序技术是合成生物学的基础，它能够精确地测定基
因组的序列，从而了解基因的结构和功能。
2.基因克隆技术：基因克隆技术是将一个或多个基因片段插入到载体中，以
便在宿主细胞中进行复制和表达。
3.基因编辑技术：基因编辑技术是一种在DNA水平上对基因进行精确编辑的
技术，包括CRISPR-Cas9系统等。
4.基因表达调控技术：基因表达调控技术是通过调节基因的表达水平来改变
细胞的行为，包括启动子工程、转录因子工程等。
5.基因合成与组装技术：基因合成与组装技术是将DNA片段组装成完整的基
因或基因簇，用于创建新的生命形式或改造现有的生命系统。
6.基因组编辑技术：基因组编辑技术是一种在全基因组水平上对基因进行精
确编辑的技术，包括锌指核酸酶（ZFN）、转录激活因子样效应核酸酶（TALEN）等。
7.细胞培养技术：细胞培养技术是在体外培养细胞的技术，用于研究细胞生
长和分化、生产生物制品或筛选药物。
8.微生物发酵技术：微生物发酵技术是在微生物细胞中生产有用化合物的技
术，包括抗生素、氨基酸等。
9.生物信息学技术：生物信息学技术是一种利用计算机分析生物学数据的技
术，包括基因组学、蛋白质组学等。
这些技术为合成生物学提供了强大的工具，使得科学家能够更好地研究和改造生命系统，为人类创造更多的价值。
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综述摘要：2010年3月29日，在J. Craig Venter研究中心，世界上第一个人造生命诞生。
这一跨时代的发现标志着合成生命向前又一大步的发展，也将极大促进科学的进展。
关键词：人造生命，合成生物学1 引言2010年5月20日，美国科学家J．Craig Venter领导的科研团队完成了一项遗传工程方面的开创性工作。
J．Craig Venter 的团队把这项研究成果发表在美国的《Science》杂志上，论文的标题是Creation of aBacterial Cell Controlled by a Chemically SynthesizedGenome( 创建一种由化学合成的基因组所控制的细菌细胞)。
这篇文章将解读这篇具有标志性意义的文章。
2 人工基因组的设计Venter 的团队把他们人工合成的物种命名为Mycoplasm Mycoides JCVI －syn1．0，这个细菌的基因组是团队在计算机上设计的。
计算机设计人工基因组的关键之一是对这两种菌株精确测序，测序的结果是两种菌株在95 个位点上不同。
由于把CP001621 基因组直接移植到山羊支原体中的工作在先( 2007 年) ，因此团队先精确测序了CP001621，按照它的基因组设计了应合成的DNA 片断，每个片段DNA 的头和尾都要和其前段DNA 的尾、后段DNA 的头有一定的重复。
随后，团队把capri GM12在酵母菌中克隆、遗传改造、然后又移植到山羊支原体中的工作也完成了( 2009 年) ，这项工作得到了CP001668 基因组。
由于CP001668 基因组是一个能在山羊支原体中存活的基因组，因而团队把它作为标准去修正已经设计、合成出来的CP001621 基因组片段。
最后修正的结果是以CP001621 为蓝本设计、合成的基因组片段与CP001668 基因组在19 个点位上存在不同，不过这些差异并不影响合成基因组在细胞中的活性。
团队为基因组设计了4 个标记“水印”并把它们插入到基因组中，这4 个水印的长度分别是，水印1 长1 246bp，水印2 长1 081bp，水印3 长1 109bp，水印4 长1 222bp。
由水印插入的位置而导致的后果是经过验证的或者是可以预测的。
水印1、2 插入到经验证对于基因组的活性是安全的地方，水印3、4 插入到可以预测是安全的地方。
3 人工基因组的组装策略3．1 酵母菌体内组装第1 步: 生成10kb 长度的基因片断这1 步是把体外化学合成的1kb 长度的DNA片段在酵母菌的质粒中重组生成10kb 长度，然后转移到Escherichia coli( 大肠杆菌) 中克隆。
克隆之后分选大肠杆菌细胞，选出含有载体质粒的细胞，这些质粒DNA 载体上载有大约10kb 长的在酵母菌中重组的目标DNA 片段。
成功重组的10kb 组装片段如图2A 所示。
从检测的结果来看，总体上，每10 个酵母菌细胞中至少有一个含有10kb 组装片段，成功率在10% －100%间变化。
所有的第1 阶段中间组装片段都被测序，组装后的111 个10kb 长片段中有19 个片断存在错误，为此从酵母菌中再组装、筛选了一些质粒在大肠杆菌中克隆。
最终，所有10kb 片段经测序验证无误后，进入下一个组装阶段。
3．2 酵母菌体内组装第2 步: 生成100kb 长度的基因片断第1 步把1kb 片断组装成10kb 片段在酵母菌体内进行，组装后的10kb 长目标DNA 片段的扩增是在大肠杆菌中通过克隆实现。
然而这种酵母菌中组装、大肠杆菌克隆扩增的方法在第2 步以及后来的第3 步实验中不能完全实行。
问题出在克隆扩增上。
在实验中发现，100kb 的目标DNA 片段在大肠杆菌中不能稳定存在，因而100kb 长度的DNA片段扩增不能依靠大肠杆菌的克隆。
100kb 长DNA 扩增改用多重PCR( PolymeraseChain Reaction: 聚合酶链式反应) 进行，因为一般的PCR 不能扩增太长的DNA 序列。
扩增前，要对组成100kb 片段的每个10kb 片段两端添加引物，每个10kb 片段两端的引物对在多重PCR 过程中产生各自的10kbDNA 序列，同时产生可以做为这一10kb序列成功扩增的标识扩增子。
在对一个100kb 片段的载体进行多重PCR 扩增，如果在扩增产物中检测到了全部添加在10kb 片段两端的引物对所产生的扩增子，那就意味着100kb 片段载体的多重PCR 扩增是成功的。
总体上，25% 甚至更多的酵母菌中提取的100kb 长目标DNA 片段载体都可用于复式PCR 扩增。
酵母菌中组装、克隆成功的目标DNA 片段长100kb，连同载体环形质粒DNA 总长105kb。
带有目标DNA 的质粒载体可以在琼脂糖凝胶电泳中检测出来，用于检测和比对的标准是超螺旋DNA 标记( 超螺旋DNA 标准分子量) 。
目标DNA 载体经过复式PCR 扩增后，就可以得到用于检测和下一步组装的100kbDNA 片段。
3．3 酵母菌体内组装第3 步: 组装全长度基在最后组装完整的人工基因组DNA 序列之前，必须提纯至少微克量的在第2 步组装阶段组装成功的11 个100kb 长的DNA 序列。
提纯目标DNA 的过程是这样的: 首先用碱裂法把酵母菌中的环形质粒体分离出来，质粒体上包含了100kb 长的目标DNA; 再用外切酶去除酵母菌中的线状染色体并通过阴离子交换柱进一步提纯质粒; 最后用限制性内切酶Not I 对质粒切割消化，分离出100kb 长的目标DNA。
第2 步组装的11 条100kb 长的目标DNA 片段是否成功，可以把从质粒中分离出的目标DNA 混入琼脂糖凝胶中，通过倒转电场凝胶电泳( Field －InversionGel Electrophoresis: FIGE) 进行检测( 图2C) 。
为了进一步提纯含有11 个100kb 目标DNA 的环形质粒体，把200ng包含11 个目标DNA 的已经富集的质粒样品和熔融的琼脂糖凝胶混合进行电泳。
随后，用Not I 内切酶切割消化环形质粒，把11条100kb 目标DNA 从质粒载体上释放，再通过琼脂凝胶电泳，把目标DNA 与切割开的环形质粒的其余部分分离。
目标DNA 可以在倒转电场凝胶电泳( FIGE) 中进行分析( 图2D) ，并转入酵母的原生质体中。
在组装的最后阶段，不需要附加载体DNA 序列，因为酵母克隆因子已经存在于811 －900 号组装DNA 片段中，它可以让重组后的完整的合成基因组稳定的在酵母中复制。
虽然在酵母菌中11 条100kb 长的基因片段组装成了完整的人工合成的基因组，但是要对其进行分析，还需要足够量的基因组DNA 才行。
为了产生出足够的完整的人工合成基因组，如同用多重PCR扩增100kb 片段一样，也要用多重PCR 扩增完整的人工基因组。
为了从酵母菌中提取出能够用多重PCR扩增的1 000kb 长完整的基因组，培养了许多菌株菌落对1 000kb 长基因组进行克隆。
在筛选过48个菌株菌落后，从编号为sMmYCp235 的酵母菌株( 基因组) 菌落中提取出可以用多重PCR 扩增的完整基因组DNA。
1 000kb 长的完整基因组是由11条100kb 长的DNA 片断组成，因此按照多重PCR扩增的步骤，为这11 条片段的两端都加上引物进行扩增，扩增除了产生由11 条100kb 基因组片段组装的完整基因组之外，还要产生与11 个片段相对应的11 个扩增子，扩增子用来快速检测多重PCR 是否成功。
作为对比，团队也用多重PCR 扩增野生型YCpMmyc1． 1 的基因组。
要在YCpMmyc1．1 基因组上添加11 对用于扩增的引物，引物的位置与人工合成组装的基因组相对应。
多重PCR 扩增成功的标记，是在扩增后的产物中检测出与11 对引物对应的11 个扩增子。
人工合成的基因组经多重PCR 扩增之后，检测出了11 个扩增子，同样，野生YCpMmyc1． 1 基因组的多重PCR 产物中也检测出了相同的11 个扩增子。
为了明白无误的证明人工合成基因组已经成功，采用前面说过的提纯质粒的方法提纯人工合成的完整的基因组质粒，同样也提纯YCpMmyc1．1 基因组质粒。
对提纯的两种质粒采用限制性内切酶进行酶切，再把酶切后的基因组片段混合到琼脂糖凝胶中进行CHEF ( Clamped Homogeneous ElectricalField: 钳位均匀电场) 电泳分析。
4 人工合成基因组的移植人工合成的Mycoplasm Mycoides( 丝状支原体)基因组在sMmYCp235 酵母菌落中克隆并且被提取，提取的方法用琼脂凝胶电泳。
然后植入Mycoplasmcapricolum( 山羊支原体) 受体细胞中，受体细胞中发挥保护作用的限制性酶被破坏，以防止人工合成的基因组被这种酶杀死。
团队在2009 年曾经把酵母菌中克隆出的丝状支原体基因组植入到山羊支原体细胞中，这项技术被应用到本次的移植中。
受体细胞在在含有四环素和X －gal( 5 －溴－ 4 氯－3 －吲哚－β－ D －半乳糖苷) 的SP4( Synthetic Peptide)培养基中培养，培养温度定在摄氏37 度，培养皿中生长出的蓝色菌落就是人工合成的丝状支原体基因组所控制的山羊支原体菌落。
每块琼脂凝胶可以产生 5 －15 个抗四环素的蓝色菌落。
作为对照，同时把酵母菌中克隆的YCpMmyc1．1 基因组用凝胶提纯，也植入到山羊支原体中培养，每块琼脂凝胶所得到的蓝色菌落数与人工基因组的相当。
在所有的移植试验中，当山羊支原体受体细胞和丝状支原体基因组这两者共同存在时，才能培养出蓝色菌落。
5 人工合成基因组片段与野生基因组片断混合后的组装和移植为了测试每个100kb 长人工基因组DNA 片段的活性，团队做了人工基因组片段与野生基因组片段混合组装与移植实验。
实验是成功的，人工合成的片段不经测序就可以和野生片段组装并移植成活。
在这项实验中，按照人工基因组的设计组装方案，团队把野生丝状支原体基因组YCpMmyc1． 1 同样设计成11 段，每段长100kb，每一段的头和尾与准备与之相连的基因组片段的尾和头有重合部分，这个相连的片段可以是野生的也可以是人工的。
团队采用TAR( Transformation －Associated Recombination:转变联合重组) 在酵母菌中分别克隆这11 条野生型基因组片段。
TAR 克隆技术可以直接从基因组中分离目标DNA 片段序列。
在11 个同时进行的野生丝状支原体分割转化重组的反应中，引入酵母菌内的野生丝状支原体基因组按照TAR 技术被分割转化并且与酵母菌的质粒重组，分割开的基因组片段平均长度是100kb。