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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 LancetLancet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 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NatureBiotechnology,27(12),2009Focus on Synthetic Biology Thelatestiterationofgeneticengineeringofferstheprospectofthedesignandconstructionofnewlifeformsfrombiologicalparts,devicesandsystems. 基因工程的最新研究成果提供了通过生物元件、装置和系统设计和组装新生命形式的前景Nature Reviews, 10(6), 2009 维基百科：合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统，使其能够处理信息、操作化合物、制造材料、生产能源、提供食物、保持和增强人类的健康和改善我们的环境。

http:/en.wikipedia.org/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 newbiologicalparts,devices,andsystems,and B) there-designofexisting,naturalbiologicalsystemsforusefulpurposes. http:/syntheticbiology.org/1998200020022004200620082000400060008000100000204060801001200网络信息期刊/专利数量Sciru网络信息Scirus 检索专利Scopus检索期刊Scirus 检索期刊合成生物学领域由合成生物学领域由Scirus Scirus 搜索的学术论文数、专搜索的学术论文数、专利数和网络信息以及由利数和网络信息以及由Scopus Scopus 搜索的学术论文数搜索的学术论文数2004年被美国MIT出版的TechnologyReview评为将改变世界的10大新出现的技术之一(10Emerging Technologies That Will Change YourWorld)。

20092009年中科院年中科院300300多位专家经过一年多研究多位专家经过一年多研究发布的发布的创新创新20502050：科技革命与中国的未来：科技革命与中国的未来战战略研究系列报告中指出：略研究系列报告中指出：“ “合成生物学合成生物学” ”是可能出现是可能出现革命性突破的革命性突破的4 4个基本科学问题之一个基本科学问题之一 合成生物学的发展前景与基础DNA是生物的遗传物质于于19901990年正式启动年正式启动, ,于于20032003年年4 4月月1414日完成了人类基因日完成了人类基因组全部序列测定组全部序列测定人类基因组计划人类基因组计划A C G TA C G T为了整理和分析这些序列信息，诞生了一门新兴的交叉学科生物信息学(Bioinformatics)是合成生物学的学科基础之一它包含了生物信息的获取、处理、存储、分发它包含了生物信息的获取、处理、存储、分发、分析和解释等在内的所有方面，它综合运用、分析和解释等在内的所有方面，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义明和理解大量数据所包含的生物学意义。

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.基因组代谢物组蛋白质组转录物组基因组学Genomics代谢物组学Metabolomics蛋白质组学Proteomics转录物组学TranscriptomicsDNAmRNA蛋白质代谢物转录翻译催化反应Systemsbiologyasafoundationforgenome-scalesyntheticbiologyChristian L Barrett, Tae Yong Kim, Hyun Uk Kim, Bernhard Palsson and Sang Yup Lee, Current Opinion in Biotechnology 2006, 17:488492系统生物学是在基因组层面上合成生物学的基础基因组超大量的序列和结构数据 重大的生物技术数据积累引起的科学发现数据积累引起的科学发现第四次科学大发展第四次科学大发展合成生物学发生与发展的学科基础数学物理学工程学生物学计算机科学化学信息学合成生物学生物质能生物医学环境修复精细化学品食品原料生物材料生物传感器生物计算机应用应用合成生物学的发发展过过程 1979年H.G.Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因（207bp）； 2002年纽约州立大学石溪分校魏玛（E.Wimmer）小组用了3年的时间合成出了脊髓灰质炎病毒（Poliovirus）的全基因组，7500bp。

2003年，J.C.Venter研究小组用了14天时间从头合成了噬菌体PhiX174（5386bp）基因组 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”人工合成生物全基因组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 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，创造出多、功能复杂的系统三、将电子工程领域的系统设计论应用到生物系统，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结构调用库元件模型利用计算机仿真软件确认输出及功能正确？建立集成生物回路（IC）检测基因回路性能稳定可靠？建立集成生物回路（IC）成功建立稳定可调控的基因回路基因回路设计流程特定的信使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输出生物化学反相器-非门（NOT）用原核生物基因调控模组模拟电子工程逻辑门上方图示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) 12371244)Bio-Informatics要做的事 Looking at life as an information system DNA as a database（数据库） RNA as a decision network（决定网络） Proteins and genes as runtime DLLs（运行时间动态链接库） Modeling gene regulatory networks Simulating life as a computer program Using silicon to validate biological modelsGoal of Digital Cells（数字细胞） Simulate a Gene Regulatory Network Goal of e-cell, CellML, and SBML projects Test microarray data for biological model Run expression data through GRN functions Create biological cells with new functions Splice in promoters to control expression Create oscillating networks using operons拼接启动子来控制表达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 Promoters, operons and genes Multigenic oscillating solutionsRon Weiss is the pioneer in the field http:/www.princeton.edu/rweiss/ To电子回路的工程设计基础基因回路（Genetic Circuits）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） 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2. 缓冲器门（Amplifier or Buffer）生物学过程：A为转录因子，可以调控基因P使其进行转。