合成生物学及其在生物技术中的应用进展

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1、生物化学与生物物理进展ProgressinBiochemistryandBiophysics2012,39(2):105~118www.pibb.ac.cn合成生物学及其在生物技术中的应用进展*吕静1)孙洪磊2)何皓2)傅鹏程1)**(1)中国石油大学(北京)化工学院重质油国家重点实验室，新能源研究中心，北京102249；2)中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京100195)摘要合成生物学是一门21世纪生物学的新兴学科，它着眼生物科学与工程科学的结合，把生物系统当作工程系统“从下往上”进行处理，由“单元”(unit)到“部件

2、”(device)再到“系统”(system)来设计，修改和组装细胞构件及生物系统.合成生物学是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程等多学科交叉的产物．目前研究应用包括两个主要方面：一是通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，修改已存在的生物系统，使该系统增添新的功能．二是通过设计和构建新的生物零件、组件和系统，创造自然界中尚不存在的人工生命系统．合成生物学作为一门建立在基因组方法之上的学科，主要强调对创造人工生命形态的计算生物学与实验生物学的协同整合．必须强调的是，用来构建生命系统新结构、产

3、生新功能所使用的组件单元既可以是基因、核酸等生物组件，也可以是化学的、机械的和物理的元件.本文跟踪合成生物学研究及应用，对其在DNA水平编程、分子修饰、代谢途径、调控网络和工业生物技术等方面的进展进行综述．关键词合成生物学，系统生物学，蓝藻，底盘，生物燃料学科分类号Q6DOI:10.3724/SP.J.1206.2011.00583遏物等，均用来构建具有特定功能的模块，将这些1合成生物学概述模块插入细胞使生物系统具有了新的功能．目前，合成生物学模块包括了诸如套环开关、串级开关、1.1新一代生物学合成生物学脉冲发生器、时间延迟电路、振荡

4、器、逻辑门电路20世纪生物学研究一直以“还原论”为指导，等．这些模块和其他模块一起工作时，可以用来调即对生物系统不断分解，直至细胞中的单个或有限控基因表达、蛋白质功能、代谢及细胞间的通个基因或蛋白质，然后孤立研究这些基因和/或蛋[3]讯．以基因工程技术和电子工程的电路设计原则白质的结构和功能，以此了解生物现象．随着基因为基础的工作还包括利用启动子和阻遏子等基因元组测序和高通量筛选测量为标志的当代分子生物学件构建最简单的组件创建可通用组装的，满足不同的迅猛发展，以系统化设计和工程化构建为理念的[4]的组合要求的最简单的模块库．应用例子包

5、括逻合成生物学成为新一代生物学的发展方向．辑门、闩锁(套环开关)[1,5]和逆变器[6]．2000年1月《自然》(Nature)同时发表了两篇文可以看出，合成生物学以信号传导、基因调控章．其一是Colins团队研制出由两个抑制基因、以及细胞代谢的元件组装具有我们所希望的细胞功两个抑制启动子以及一个作为报告基因的绿色荧光蛋白(GFP)组成的一种双稳态“基因套环开关”，可[1]对选择的细胞功能进行开关．其二是Elowitz和*国家重点基础研究发展计划(973)(2011CB200902)资助项目，中国Liebler用转录启动子和抑制基因构

6、建了由连续诱石油天然气股份有限公司科技研究外协项目《制取生物柴油的工程导启动子调控的3基因抑制网络，称为“压缩振荡微藻的筛选与培育》、《浮萍和微藻能源化的资源潜力与过程的中试开发》和《中国航空生物燃料炼制加工技术研究》资助项目.子”，同样加上一个GFP报告基因．它将交替打开**通讯联系人.或者关闭GFP报告基因，使细胞能在发光状态和Tel:010-89731283,E-mail:pengcheng@cup.edu.cn[2]非发光状态之间转换．随后，许多合成生物学的收稿日期：2011-07-27，接受日期：2012-02-13基本元件

7、，例如启动子、核糖体结合位点和转录阻··106生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2012;39(2)能的复杂生物系统．它通过对系统行为的定量预测加先进的基因调控网络，并可应用强大的计算机工和细胞改造的工程实施完成合成任务．必须强调的程工具(如：CAD计算机辅助设计)进行综合设计．是，用来构建生命系统新结构、产生新功能所使用进一步的工作包括基因工程技术标准的改进、对遗的组件单元既可以是基因、核酸等生物组件，也可传材料装配标准化和快速表征；开发的遗传材料以是化学的、机械的和物理的元件．从系统设计的“零件”系列

8、能在构建的基因调控线路和代谢网络角度来看，合成生物学通过在DNA水平编程，或中可靠工作，不产生设计之外的相互作用，以及生重新编程来更新和/或创造新的生物实体，如分子成安全、稳健的宿主细胞．修饰、代谢途径、调控网络、生物和