《合成生物学》课件

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1、合成生物学(Syntheticbiology)(概念、原理、应用)马飞人工染色体(技术)BAC(细菌人工染色体)：Bacteria…以细菌作为对象，将DNA片段与质粒重组后转入细菌中繁殖YAC(酵母人工染色体)：Yeast…以酵母作为对象PAC(噬菌体人工染色体)：Phagemid…以噬菌体作为对象TAC(可转化的细菌人工染色体)MAC(哺乳类人工染色体)…合成生物学应运而生…SyntheticBiologyWhatisSyntheticBiology?TakinganengineeringapproachtodesignandapplyingittoBiology使用工程策略设计

2、并应用于生物学WhatisSyntheticBiology?1.Biology2.Chemistry3.Engineering4.Re-WritingBiologistsChemistsEngineers“Re-Writers”“Thecodeis3.6billionyearsold.It’stimeforare-write.”-TomKnightBiology“Testmodelsbybuildingthem”合成生物学指人们将“基因”连接成网络，让细胞来完成设计人员设想的各种任务。例如把网络同简单的细胞相结合，可提高生物传感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置。再如向网络加

3、入人体细胞，可以制成用于器官移植的完整器官。人工合成脊髓灰白质炎病毒cDNA美国纽约大学Wimmer实验室于2002年报道了化学合成脊髓灰白质炎病毒cDNA，并用RNA聚合酶将它转成有感染活力的病毒RNA。开辟了利用已知基因组序列，不需要天然模板，从化合物单体合成感染性病毒的先河。Wimmer从装配平均长度为69bp的寡核苷酸入手，结合了化学合成与无细胞体系的从头合成，用了3年时间完成了这个划时代的工作。Venter实验室发展了合成基因组ΦX-174噬菌体基因是单链环状DNA，是历史上第一个被纯化的DNA分子，也是第一个被测序的DNA分子。ΦX-174噬菌体对动植物无害，是合适的合

4、成研究对象。美国Venter实验室发展了合成基因组的工作，该实验室只用两周就合成了ΦX-174噬菌体基因(5,386bp)。Venter实验室的技术改进主要有：(1)用凝胶来提纯寡核苷酸以减少污染；(2)严格控制退火连接温度来防止与不正确的序列发生连接；(3)采用聚合酶循环装置来装配连结产物。合成生物学国际会议2004年6月在美国麻省理工学院举行了第一届合成生物学国际会议。会上除讨论了科学与技术问题外，还讨论了合成生物学当前与将来的生物学风险，有关伦理学问题，以及知识产权问题。随着这个领域的发展，对于合成生物学的安全性的考虑愈来愈多。现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。

5、合成生物学开辟了设计生命的前景一方面有可能合成模仿生命物质特点的人工化学系统；另一方面也可能重新设计微生物如Keasling实验室向大肠杆菌中导入青蒿与酵母的基因，使大肠杆菌能在调节下合成青蒿素，从而显示了有效而价廉的治疗疟疾的前景合成生物学今后将能生成自然界不存在的新的微生物。应用示例Schultz实验室研究向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添入新组份，使之能通过基因生成非天然的氨基酸，结果取得了成功。但是要在真核细胞做到这一点还有难度。2003年，Schultz实验室报道了一种向酵母加入非天然氨基酸密码子的方法，成功地向蛋白质中导入了5种氨基酸。目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已

6、有80多种。今后将可以直接向蛋白质导入顺磁标记、金属结合、光敏异构化等的氨基酸，促进蛋白质结构与功能的研究。应用示例Brenner提出向细胞DNA中掺入天然不存在的碱基来发展人工遗传系统,支持人工生命形式。合成生物学也将对生命起源，其他生命形式的研究作出贡献。控制生命目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，研制不同的基因线路———即特别设计的、相互影响的基因。波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种“套环开关”，所选择的细胞功能可随意开关。加州大学生物学和物理学教授埃罗维茨等人研究出另外一种线路：当某种特殊蛋白质含量发生变化时，细胞能在发光状态和非发光状态之间转换，起到有机振荡器的

7、作用，打开了利用生物分子进行计算的大门。维斯和加州理工学院化学工程师阿诺尔一起，采用“定向进化”的方法，精细调整研制线路，将基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。发展方向维斯目前正在研究另外一群称为“规则系统”的基因，他希望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(TNT：生物传感器)。维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。尽管该工作尚