合成生物学与基因回路
厉害了,合成生物学
一个看似平常的周末，美国麻省理工学院媒体实验室主任伊藤穰一教授邀请了一些学生和朋友到家中做客。
除了聊天、喝酒之外，他们还多了一个活动——入侵大肠杆菌的基因组。
对，就在伊藤教授家的厨房里，包括他的学生朱莉·勒高特在内的一群没有系统接受过高等生物学教育的人，在“生物极客”贾斯汀·帕哈拉博士的带领下，用“简陋”的设备体验了一次听起来非常神奇的生物实验。
这听起来是不是很酷？随着以合成生物学为代表的生物技术的爆发式增长，这样的事情其实离我们一点也不远。
在吃惊之余你是否会好奇，什么是合成生物学？为什么它的发展会带来“生物极客”的普遍出现？好吧，那我们就一起来聊聊合成生物学。
·聚焦锐一段汇聚精彩的追踪董杉是加拿大多伦多大学博士，专业领域原为材料科学。
他藉由带队参与iGEM （国际基因工程机器大赛）开始接触到合成生物学，进而参与到合成生物学的研究与科普工作中来。
董杉科学24小时Science in24hours2018年第6期到底什么是合成生物学?这个看似简单的问题其实却很难回答。
一方面，与其他成熟学科相比，这个在本世纪初才诞生的生命科学的崭新分支，其理论体系远未完善，很多工作尚处于起步甚至萌芽状态，作出定义与结论似乎为时尚早。
另一方面，合成生物学的研究范围又非常广泛，从传统代谢发酵到热门的人造生命，从生物材料制造到生物医药研发……不同领域的研究者往往见仁见智地从自己的角度出发，对合成生物学作出阐释。
因而究竟该如何定义合成生物学，也存在着巨大的争议。
曾有人调侃说，如果你向5个专家询问合成生物学的定义，那么最终你会获得6个答案——你自己会总结出一个新的定义。
不过，在合成生物学的一些基本要点上，大家的看法还是趋于统一的。
从字面上来说，合成生物学就是要去研究如何“合成”生物，或者说如何“制造”生物。
也就是说，与传统生物学通过解剖、解构生命体的方法，不断深入研究生命内在的构造、组成、运作方式等不同，合成生物学的研究方向是完全相反的。
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。
合成生物学在医学及肿瘤治疗应用的研究前景
合成生物学在医学及肿瘤治疗应用的研究前景庄成乐(综述);黄卫人;蔡志明(审校)【摘要】In the 21st century,synthetic biology has become known by people as a comprehensive sub-ject with great potential.Synthetic biology can construct novel biomolecular networks ,pathways and compo-nents,and is playing a more and more important role in modern medicine due to its special features .Synthetic biology will play a very significant role in medicine and cancer therapy in future .It also has broad application opportunities out of field of medicine,while has to face problems of biological safety and ethic.%进入21世纪以来，合成生物学作为一门具有巨大潜力的综合性学科引起了人们的关注。
合成生物学可以组装新的生物分子网络、路径和元件，在现代医学中扮演着越来越重要的角色。
今后，合成生物学将在医药领域及肿瘤治疗应用方面发挥非常重要的作用。
在医学外领域，合成生物学也具有广阔的应用前景，但是面临着生物安全和伦理等问题。
【期刊名称】《医学综述》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】3页(P1203-1205)【关键词】合成生物学;基因线路;药物合成;肿瘤治疗;人造生命【作者】庄成乐(综述);黄卫人;蔡志明(审校)【作者单位】汕头大学医学院临床医学系，广东汕头 515041; 深圳市第二人民医院泌尿外科，广东深圳518035;;汕头大学医学院临床医学系，广东汕头 515041; 深圳市第二人民医院泌尿外科，广东深圳518035【正文语种】中文【中图分类】R737.14合成生物学是一门综合了基因组学、分子生物学和工程学等一系列方法和原理而形成的综合性交叉学科[1]。
合成生物学与基因回路PPT课件
基因回路的设计与构建
总结词
基因回路的设计与构建需要遵循一定的原则和方法，包括元件选择、元件组装、回路测试等步骤。
详细描述
基因回路的设计与构建是合成生物学中的重要技术之一。设计时需要选择合适的元件，并考虑它们之 间的相互作用和调控机制。构建时需要将这些元件组装在一起，并测试回路的性能和功能。此外，还 需要对构建的基因回路进行优化和改进，以提高其稳定性和调控精度。
应用
合成生物学在许多领域都有广泛的应用，如药物研 发、生物能源、环境保护等。
合成生物学的研究领域
80%
基因回路
基因回路是合成生物学中的重要 组成部分，它涉及基因表达的调 控和信号转导等方面。
100%
人工细胞
人工细胞是合成生物学中的另一 个重要领域，它涉及细胞结构和 功能的重构和优化。
80%
系统生物学
特点
合成生物学具有跨学科性、工程化、模块化、可编程性和可预测 性等特点，它通过将生物系统分解为可预测的组件，实现人工生 物系统的设计和构建。
合成生物学的发展历程
起源
合成生物学起源于20世纪70年代，随着基因工程的 兴起和分子生物学的深入研究，人们开始尝试设计 和构建人工生物系统。
发展
随着计算机科学和工程学的进步，合成生物学逐渐 形成了自己的理论体系和实践方法，并在近年来得 到了快速的发展。
03
合成生物学在基因回路中的应用
基因回路的设计优化
总结词
通过优化基因回路的元件和连接方式，提高基因 表达的准确性和稳定性。
总结词
利用计算机模拟和实验验证相结合的方法，对基 因回路进行设计和优化。
详细描述
在合成生物学中，基因回路的设计是关键环节之 一。通过对基因回路的元件进行优化，如增强启 动子、优化转录因子等，可以提高基因表达的准 确性和稳定性，从而更好地实现基因回路的功能 。
分子生物学的最新研究进展
分子生物学的最新研究进展分子生物学作为生命科学领域的重要分支，一直以来都在不断探索生命的奥秘。
近年来，随着技术的飞速发展，分子生物学取得了一系列令人瞩目的研究成果，为人类理解生命现象、治疗疾病以及推动生物技术的发展提供了强大的支持。
在基因编辑技术方面，CRISPRCas9 系统的出现无疑是一项重大突破。
它使得科学家能够更加精确、高效地对基因组进行编辑。
通过这种技术，研究人员可以修复致病基因的突变，为治疗遗传性疾病带来了新的希望。
例如，在镰状细胞贫血和地中海贫血等疾病的治疗研究中，CRISPRCas9 技术展现出了巨大的潜力。
它不仅能够纠正患者造血干细胞中的基因突变，而且经过改造后的细胞在重新输回患者体内后，能够正常分化并发挥功能，从而有效改善患者的症状。
单细胞测序技术的发展也为分子生物学研究带来了新的视角。
传统的测序方法通常是对大量细胞的混合样本进行分析，这会掩盖细胞之间的异质性。
而单细胞测序技术能够对单个细胞的基因表达进行精确测定，帮助我们更好地理解细胞的发育、分化以及疾病发生过程中的细胞变化。
例如，在肿瘤研究中，通过单细胞测序可以发现肿瘤组织中不同类型的细胞以及它们的基因表达特征，这对于揭示肿瘤的发生机制、寻找新的治疗靶点以及评估治疗效果都具有重要意义。
在表观遗传学领域，研究人员对 DNA 甲基化、组蛋白修饰以及非编码 RNA 等的作用机制有了更深入的认识。
DNA 甲基化作为一种重要的表观遗传修饰，能够在不改变基因序列的情况下影响基因的表达。
研究发现，DNA 甲基化模式的异常与多种疾病的发生密切相关，如癌症、心血管疾病和神经系统疾病等。
组蛋白修饰则通过改变染色质的结构来调节基因的转录，其异常也会导致基因表达的紊乱。
非编码RNA 虽然不编码蛋白质，但它们在基因表达调控中发挥着至关重要的作用。
例如，微小 RNA（miRNA）能够与信使 RNA（mRNA）结合，抑制其翻译或促使其降解，从而调控基因的表达。
合成生物学与基因回路PPT课件
† J. C. Venter小组 的另外一项工作却获得了成功：不久前将关系较近的两株支原体 中一株的基因组用另外一株的基因组替换，结果仍能正常“工作”。
第二十页，共108页。
合成生物学的研究内容
• 合成代谢网络
利用转录和翻译控制单元调控酶的表达以合成或分解代谢物。主要以代谢 物浓度作为控制元件的输入信号。
– Simulating life as a computer program – Using silicon to validate biological models
第二十八页，共108页。
Goal of Digital Cells（数字细胞）
• Simulate a Gene Regulatory Network
利用原核生物基因调控 模组模拟电子工程逻辑 门。上方图示列出调控 启动子活性的因子。
RNAP：RNA 聚合酶 ，TF：转录因子。
(Silva-Rocha and de Lorenzo, FEBS Letters 582 (2008) 1237–1244)
第二十七页，共108页。
Bio-Informatics要做的事
第十三页，共108页。
细胞: 奇异绝妙的小工厂
第十四页，共108页。
系统生物学研究细胞对外界环境变化或刺激在各个层 次上如何做相应的变更, 并建立数学模型对总体应答
作出预测.
转录
翻译
催化反应
DNA
mRNA 蛋白质
代谢物
基因组 转录物组 蛋白质组 代谢物组
基因组学 转录物组学 蛋白质组学 代谢物组学 Genomics Transcriptomics Proteomics Metabolomics
合成生物学在生物材料科学中的应用及展望
合成生物学在生物材料科学中的应用及展望陈飞;钟超;孙飞;于寅【摘要】生物材料的发展最早以生物惰性的工业材料为主,而后过渡到具有生物活性的材料,再发展为具备与生物体有可控生物反应的材料.未来,随着老龄化时代的来临以及精准医学的需求,生物材料的发展必然朝着动态可调控、高效多功能及仿生交互的方向发展.合成生物学以基因回路设计为核心,采用标准化元件在人造生物器件中实现可控的复杂功能,极大地推动了生命科学的发展.简要回顾了生物材料的发展,重点介绍了合成生物学在组织工程支架、可控药物输送体系、生物杂化材料及工程活体材料方面的应用,并讨论了未来合成生物学将如何更深远地影响生物材料的发展以及合成生物学在生物材料应用方面需要克服的一些挑战.【期刊名称】《生物产业技术》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】8页(P5-12)【关键词】生物材料;合成生物学;基因回路;动态自适应【作者】陈飞;钟超;孙飞;于寅【作者单位】中国科学院深圳先进技术研究院,合成生物学研究所定量合成生物学研究中心,深圳 518055;上海科技大学物质科学与技术学院,上海 201210;香港科技大学化学与生物工程学院,香港 999077;中国科学院深圳先进技术研究院,合成生物学研究所定量合成生物学研究中心,深圳 518055【正文语种】中文生物材料是指以医学应用为目的，与生物体系有相互作用的非活体材料。
生物材料的发展与细胞分子生物学、化学、材料科学、工程技术的发展密切相关。
其概念最早于20世纪50年代提出，目前已经历了几代的更迭与发展。
第一代生物材料是以满足功能性要求为目的，同时不引起明显宿主反应的一类材料。
这一代生物材料不是以特定医学用途为目的，而是以易获取的工业材料为主。
由于这类材料一般不引起强烈的宿主反应，也常称为生物惰性材料（bioinert materials）。
最为熟知的例子包括硅弹性体，至今仍广泛应用于人造血管、人造器官及防噪音耳塞等领域[1]。
肉毒素 合成生物学原理
肉毒素合成生物学原理1. 肉毒素(Botulinum Toxin)肉毒素是一种由肉毒杆菌属产生的一类神经毒素，它是一种极其强效的毒素，能够引起严重的中毒症状。
肉毒素分为七个不同的亚型，被命名为A-G型（其中A、B、E和F型对人类具有毒性）。
2. 合成生物学(Synthetic Biology)合成生物学是一门综合性的学科，结合了生物学、工程学和计算机科学的原理和技术，旨在设计和构建人工生命系统以实现特定的目标。
合成生物学的研究领域包括基因组工程、合成基因回路、人工细胞和人工生物体的构建等。
3. 肉毒素的合成生物学原理肉毒杆菌是一种产生肉毒素的细菌。
在合成生物学中，科学家们使用基因工程技术来合成和生产肉毒素。
3.1 肉毒杆菌基因组测序首先，科学家们对肉毒杆菌的基因组进行测序，以了解肉毒杆菌产生肉毒素的基因信息。
通过测序，他们可以确认肉毒杆菌基因组中编码肉毒素的基因。
3.2 基因提取和重组接下来，科学家们使用基因提取技术，将肉毒杆菌基因组中编码肉毒素的基因从细菌中提取出来。
然后，他们使用重组DNA技术将这些基因插入到其他生物系统中，例如酵母菌或大肠杆菌。
3.3 基因表达和产物提取一旦基因被插入到其他生物系统中，他们会利用生物系统的基因表达机制，使这些基因被转录和翻译成肉毒素蛋白。
随后，科学家们使用适当的方法来提取和纯化产生的肉毒素蛋白。
3.4 研究和应用获得纯化的肉毒素蛋白后，科学家们可以对其进行研究，以了解其毒性机制以及如何防治与之相关的疾病。
此外，肉毒素蛋白也可以被应用于医学领域，例如用于治疗肌肉痉挛、皮肤美容和治疗神经系统疾病等。
总结：肉毒素是一种由肉毒杆菌产生的神经毒素，合成生物学是一门结合了生物学、工程学和计算机科学的学科。
在合成生物学中，科学家们使用基因工程技术对肉毒杆菌基因进行测序、提取和重组，最终合成肉毒素蛋白。
这些蛋白可以被用于研究肉毒素的毒性机制和治疗相关疾病。
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1. 非门或反相器（NOT）
生物学过程：B阻遏因子，当它存在时，B抢占了RNAp与 启动子结合的位点。因此阻碍了基因P进行转录表达。 电学过程：B为输入信号，当其输入量高时，输出为低； 反之亦然。输入与输出反相，也称反相器。
1. 非门或反相器（NOT）
左图表示当无mRNA输入时，启动子未被抑制时，基因 转录出mRNA，有mRNA输出；右图表示当有mRNA 输入时，在细胞中转录成蛋白质，蛋白质与启动子区域 的基因结合，抑制了基因的表达，无mRNA 输出。此 处输入的mRNA的缺失或存在决定了下游mRNA是否 输出。
/wiki/Synthetic_biology
● 简单地说，合成生物学是通过设计和构 建自然界中不存在的人工生物系统来解决 能源、材料、健康和环保等问题。
合成生物学的定义
Synthetic Biology is：
• A) the design and construction of new biological parts, devices, and systems, and • B) the re-design of existing, natural biological systems for useful purposes. /
拼接启动子来控制表达
– Create oscillating networks using operons
利用操纵子创建振荡网络
Digital Cell Components
数字细胞元件
• Bio-logic gates
– Inverters, oscillators
• Creating genomic circuitry
Scirus 检索期刊 Sciru网络信息 Scirus 检索专利 Scopus检索期刊
络
合成生物学的发展前景与基础
2004年被美国MIT出版的《Technology Review 》评为将改变世界的 10 大新出现的技术之一 (10 Emerging Technologies That Will Change Your World)。 2009年中科院300多位专家经过一年多研究 发布的《创新 2050 ：科技革命与中国的未来》战 略研究系列报告中指出：“合成生物学”是可能出 现革命性突破的4个基本科学问题之一。
• 细胞群体系统及多细胞系统研究
基于细胞间交流的细胞群体系统及多细胞系统的开发，主要是研究 细胞群体间的同步基因表达、信号交流、异步功能配合等。
• 数学模拟和功能预测
二. 合成生物学的研究方法
基因回路（Genetic Circuits）设计
合成生物学领域三大目标： 一、有别于以往拆解生命体的方式，它是 通过合成来理解生命。 二、将遗传工程所使用的元件标准化，使 其能与现有系统相结合，创造出更多、功 能更复杂的系统。 三、将电子工程领域的系统设计理论应用 到生物系统，重组DNA基因工程，产生真 正可由程序控制的生物，设计生物计算机。
利用原核生物基因调 控模组模拟电子工程 逻辑门。上方图示列 出调控启动子活性的 因子。RNAP：RNA 聚合酶，TF：转录因 子。 (Silva-Rocha and de Lorenzo, FEBS Letters 582 (2008) 1237– 1244)
Bio-Informatics要做的事
细胞: 奇异绝妙的小工厂
系统生物学研究细胞对外界环境变化或刺激在各个 层次上如何做相应的变更, 并建立数学模型对总体 应答作出预测.
转录 催化反应 翻译 mRNA 蛋白质 代谢物
DNA
基因组
转录物组
蛋白质组
代谢物组
基因组学 转录物组学 蛋白质组学 代谢物组学 Genomics Transcriptomics Proteomics Metabolomics
– Promoters, operons aillating solutions
Ron Weiss is the pioneer in the field – /~rweiss/
To 电子回路的工程设计基础
合成生物学与基因回路
Synthetic Biology and Genetic Circuits
李孔宁
分子生物学馆110室
一. 什么是合成生物学
Synthetic Biology
何时出现合成生物学这一名字？
● Science杂志最早于1911年33卷有两篇文章出 现“synthetic biology” （合成生物学）一词。 ● Lancet杂志最早于1911年7月8日有一篇文章出 现“synthetic biology ” （合成生物学）一词。
† 2004年，人工合成了1918年造成全世界上千万人死亡的“西班牙流感 病毒”。
† 2008年J. C. Venter小组又合成了Mycoplasma genitalium生殖道支原体 基因组（582790kb），这是迄今为止人类在合成生物过程中走得最远 的一步。
† J. C. Venter小组 的另外一项工作却获得了成功：不久前将关系较近的 两株支原体中一株的基因组用另外一株的基因组替换，结果仍能正常 “工作”。
系统生物学是在基因组层面上合成生物学 Systems biology as a foundation for genome-scale synthetic 的基础 biology
Christian L Barrett, Tae Yong Kim, Hyun Uk Kim, Bernhard Ø Palsson and Sang Yup Lee, Current Opinion in Biotechnology 2006, 17:488–492
– Simulating life as a computer program – Using silicon to validate biological models
Goal of Digital Cells（数字细胞）
• Simulate a Gene Regulatory Network
– Goal of e-cell, CellML, and SBML projects
合成生物学的研究内容
• 合成代谢网络
利用转录和翻译控制单元调控酶的表达以合成或分解代谢物。主 要以代谢物浓度作为控制元件的输入信号。
例如：利用酿酒酵母和大肠杆菌合成抗疟疾药物青蒿素的前体物质。
• 遗传/基因线路的设计与构建
1961年F. Jacob和J. Monod提出的乳糖操纵子模型第一次明确提出 了基因表达的调控概念，被认为是分子生物学发展的第二个里程碑。
根据设计目标决定基 因回路结构
调用库元件模型
NO
利用计算机仿真软件确 认输出及功能正确？
YES
建立集成生物 回路（IC）
OR
检测基因回路性 能稳定可靠？
NO
调整基因回路 的原件特性
YES
成功建立稳定可调控 的基因回路
生物化学反相器-非门（NOT）
特定的信使RNA（mRNA）的分子的浓度代表一个逻辑信 号。左图，输入的mRNA是缺失，则细胞转录基因输出 mRNA。右图，输入的mRNA存在，细胞把此mRNA翻译 成输入蛋白，此蛋白与基因上的启动子相结合，阻止细胞 合成mRNA输出。
合成生物学领域由Scirus 搜索的学术论文数、专 利数和网络信息以及由Scopus 搜索的学术论文数
120 100 100 00 800 网 0 600 0 信 400 息 0 200 0 0 1998 2000 2002 2004 2006 2008
期 刊 / 专 利 数 量
80
60 40 20 0
基因回路（Genetic Circuits）设计
建立在原核生物调控模式上的 数字细胞元件（生物逻辑门）模型 -基因回路元件设计 编程并控制细胞行为的第一步是建立一 个精心设计的元件库，作为更复杂的生物系 统的基石。在构建具有一定的遗传功能的逻 辑门时，与电子逻辑门的输入和输出的电信 号（H/1或L/0）相对应的是特定DNA与蛋白 质结合以及它们诱导物分子的浓度高（H，1） 或低（L，0）。
● 在1980年第一次以“基因外科术：合成生物学 的开始”为题出现在德文刊物上。
● 2000年以后，“合成生物学”一词在学术刊物 及互联网上逐渐大量出现
Nature Biotechnology, 27(12), 2009 Focus on Synthetic Biology
• The latest iteration of genetic engineering offers the prospect of the design and construction of new life forms from biological parts, devices and systems.
基 因 回 路 设 计 流 程
建立DNA 元件库 根据设计目标 决定基因回路 调用库元 结构 建立集成生 建立集成生物 件模型 物回路（ IC ） 回路（ IC ） 利用计算机仿 检测基因回路 真软件确认输 性能稳定可靠？ 出及功能正确？ 成功建立稳定可 调控的基因回路
建立DNA元件库
基 因 回 路 设 计 流 程
数据积累引起的科学发现 －－第四次科学大发展
基因组超大量的序列和结构数据 重大的生物技术
合成生物学发生与发展的 学科基础
生物 计算机
生物传 感器 生物材料
精细 化学品
生物 质能
应用
环境修复
食品 原料
合成生物学
信 息 学
化 学
计 算 机 科 学
生 物 学
工 程 学
物 理 学
数 学
合成生物学的发展过程
在细胞内，这些分子与其它蛋白质相 互作用，绑定特定的DNA结合位点，并最 终调节其他蛋白表达。这些调控活动，可以 用数字逻辑功能及模拟信号处理来实现。 任何基因转录翻译成蛋白质的首要条 件是：RNAp(RNA polymerase, RNA聚 合酶)与基因上游区域的启动子结合，启动 转录，随后RNAp将基因转录为信使 RNA(mRNA)，然后mRNA被翻译成蛋白 质。若RNAp不能与启动子结合，后面的过 程就不能进行。