现代生命科学与生物技术合成生物学ppt课件.ppt

合成生物学合成生物学 化学化工学院化学化工学院黄磊黄磊现代生命科学与生物技术现代生命科学与生物技术硕硕士研究生公共士研究生公共课课程程第4章合成生物学n4.1 4.1 概述概述n4.2 4.2 生物元器件生物元器件n4.3 DNA4.3 DNA的合成与元器件装配的合成与元器件装配n4.4 4.4 合成生物的功能实现合成生物的功能实现4.1 概述• 4.1.1 • 4.1.1 合成生物学的概念合成生物学的概念• 4.1.2 • 4.1.2 合成生物学的发展合成生物学的发展• 4.1.3 • 4.1.3 合成生物学的应用合成生物学的应用4.1.1 合成生物学的概念• 包括人类在内的包括人类在内的700700多种生物的基因组已经被多种生物的基因组已经被测序，在分子水平上研究基因的结构和功能测序，在分子水平上研究基因的结构和功能成为现实成为现实• • 合成生物学（合成生物学（synthetic biologysynthetic biology））是基于生是基于生命系统的工程技术，旨在设计、构建自然界命系统的工程技术，旨在设计、构建自然界不存在的生命或使已存在生命具有新功能不存在的生命或使已存在生命具有新功能• • 合成生物学研究如何合成生物学研究如何设计和构建人工生命设计和构建人工生命，，依靠人工开发的基因密码，按照预定的方式依靠人工开发的基因密码，按照预定的方式运行生命运行生命相关背景相关背景n合成生物学是继人类基因组计划研究之后，生物领域合成生物学是继人类基因组计划研究之后，生物领域的又一热门学科，是整体的又一热门学科，是整体系统论系统论生物学思潮在工程学生物学思潮在工程学领域的再现领域的再现n合成生物学是生物发展到一定阶段随之合成生物学是生物发展到一定阶段随之工程化工程化的必然的必然趋势趋势n科学家希望能够设计新生物体来满足一些特殊需要科学家希望能够设计新生物体来满足一些特殊需要: :n––让细菌吃进纤维素废物，排泄出石油让细菌吃进纤维素废物，排泄出石油n––把把““生物砖生物砖””类比于半导体工业中的半导体元件，类比于半导体工业中的半导体元件，组装这些元件，让细胞干我们想让它干的事情组装这些元件，让细胞干我们想让它干的事情n––采用基因工程方法将生物细胞采用基因工程方法将生物细胞““组装组装””成实用的机成实用的机器或技术器或技术合成生物学与计算机工程的层次比较合成生物学与计算机工程的层次比较4.1.2 合成生物学的发展• • 合成生物学是按照需要设计制造出具有不同性状的基合成生物学是按照需要设计制造出具有不同性状的基因，再将这些基因集成到细胞中，形成具有特殊功能因，再将这些基因集成到细胞中，形成具有特殊功能的人造生命的人造生命• 1911• 1911年年7 7月月8 8日，日，《《柳叶刀柳叶刀》》出现出现““合成生物学合成生物学” ” 一词一词• 2000• 2000年以后，这一学科迅速发展，大量科学家将注意年以后，这一学科迅速发展，大量科学家将注意力转向该领域力转向该领域• 2004• 2004年年MITMIT出版的出版的Technology ReviewTechnology Review，将合成生物学，将合成生物学评为评为““将改变世界的十大新技术将改变世界的十大新技术””之一之一合成生物学国际会议• 2004• 2004年年6 6月：美国月：美国MITMIT，第，第1 1届，届，SB 1.0SB 1.0• 2005• 2005年年5 5月：美国月：美国UC-BerkeleyUC-Berkeley，第，第2 2届，届，SB SB 2.02.0• 2007• 2007年年6 6月：瑞士，第月：瑞士，第3 3届，届，SB 3.0SB 3.0• 2008• 2008年年1010月：香港，第月：香港，第4 4届，届，SB 4.0SB 4.0• 2008• 2008年年5 5月，北京香山月，北京香山““合成生物学学术研合成生物学学术研讨讨 会会””————合成生物学＝下一代的生物技术合成生物学＝下一代的生物技术合成生物学的标志性进展合成生物学的标志性进展• • 长片段长片段DNADNA合成技术：合成技术：20042004年年• • 染色体移植技术：染色体移植技术：20072007年年• • 染色体组装技术：染色体组装技术：20082008年年1 1月，美国克雷格月，美国克雷格··文特研文特研 究所人工全合成生殖支原体细菌完整染色体（已知究所人工全合成生殖支原体细菌完整染色体（已知的自然界中基因组最小的生物体：的自然界中基因组最小的生物体：485485个基因，个基因，5858万万个核苷酸；人类：个核苷酸；人类：<10<10万个基因，万个基因，3030亿碱基对）亿碱基对）• “• “很多技术曾被视为对上帝的挑战，但恐怕没有一很多技术曾被视为对上帝的挑战，但恐怕没有一个个 像合成生物学一样，要面对直接的谴责像合成生物学一样，要面对直接的谴责””，，《《自自然然》》 杂志杂志20072007年写道：年写道：““上帝第一次有了对手上帝第一次有了对手””————达尔文式的自然进化世界将被人造世界所取代达尔文式的自然进化世界将被人造世界所取代合成生物学为很多领域的研究提供新视角合成生物学为很多领域的研究提供新视角• • 生物学家：重建不同层次的研究对象，由此生物学家：重建不同层次的研究对象，由此加深对生命活动和生命过程的理解加深对生命活动和生命过程的理解• • 化学家：创造新分子化合物化学家：创造新分子化合物• • 物理学家：发现自然状态下分子的活动行为物理学家：发现自然状态下分子的活动行为• • 工程技术科学家：进行药物、生物材料和生工程技术科学家：进行药物、生物材料和生物能源等工程设计与简单、低廉、高效的制物能源等工程设计与简单、低廉、高效的制造，满足人类和社会发展的需要造，满足人类和社会发展的需要合成生物学与系统生物学合成生物学与系统生物学• 合成生物学的出现与合成生物学的出现与系统生物学（系统生物学（systems systems biologybiology））的发展密不可分；都遵从系统论，的发展密不可分；都遵从系统论，对生物系统的整体功能进行研究对生物系统的整体功能进行研究• • 系统生物学将在基因、蛋白质、代谢物等多系统生物学将在基因、蛋白质、代谢物等多维分子水平获得大量的细胞行为知识和建立维分子水平获得大量的细胞行为知识和建立生物网络，为合成生物学提供理论和模型生物网络，为合成生物学提供理论和模型• • 合成生物学可为系统生物学的定量分析提供合成生物学可为系统生物学的定量分析提供模式生物模式生物合成生物学与生物信息学、化学• 基因组测序是遗传信息阅读和解码的过程，合成生基因组测序是遗传信息阅读和解码的过程，合成生物学是测序的逆过程物学是测序的逆过程• • 合成生物学对合成生物学对生物信息学（生物信息学（bioinformaticsbioinformatics））提出提出了更大的挑战，其设计和优化需要新的算法进行模了更大的挑战，其设计和优化需要新的算法进行模拟和测试拟和测试• • 合成生物的过程是以原料核酸的高速合成为基础的，合成生物的过程是以原料核酸的高速合成为基础的， 需要高效、低成本的化学合成技术提供支持需要高效、低成本的化学合成技术提供支持• • 目前常规化学方法合成一个碱基核苷酸的商业化价目前常规化学方法合成一个碱基核苷酸的商业化价格是格是2 2元左右，新方法有望降低成本元左右，新方法有望降低成本合成生物学与基因工程合成生物学与基因工程• 都以基因为操作对象，都需要核酸酶和连接酶作为都以基因为操作对象，都需要核酸酶和连接酶作为剪切和组装的工具，都需要载体来承载基因，进行剪切和组装的工具，都需要载体来承载基因，进行扩大繁殖和保存扩大繁殖和保存• • 基因工程技术只能在较小的范围内对已经存在的生基因工程技术只能在较小的范围内对已经存在的生命进行改造命进行改造• • 合成生物学能够将分解的数个功能模块高并行合成合成生物学能够将分解的数个功能模块高并行合成并构建代谢电路，最终得到具有复杂功能的新生命并构建代谢电路，最终得到具有复杂功能的新生命• • 合成生物学研究将降低关键技术成本，解决基因操合成生物学研究将降低关键技术成本，解决基因操作的经济性问题，在工程领域得到广泛应用作的经济性问题，在工程领域得到广泛应用• • 美国麻省理工学院的美国麻省理工学院的Tom KnightTom Knight一语道破了基因工程一语道破了基因工程的困境：的困境：““由于缺乏标准化的由于缺乏标准化的DNADNA序列组合技术，使序列组合技术，使得每一次得每一次DNADNA组合反应既是解决研究题材的工具，本组合反应既是解决研究题材的工具，本身也是一项实验身也是一项实验””• • 生物工程使用的方法和零件如果能够标准化，就能建生物工程使用的方法和零件如果能够标准化，就能建立相容组件的设计库。

观念与制造分开后，生物工程立相容组件的设计库观念与制造分开后，生物工程学家才有余力去构思更复杂的装置，利用更有效的工学家才有余力去构思更复杂的装置，利用更有效的工具（电脑辅助设计）来控制系统的复杂度具（电脑辅助设计）来控制系统的复杂度4.1.3 合成生物学的应用• • 合成生物学的目的是工程应用而非科学研究，合成生物学的目的是工程应用而非科学研究， 它吸引了更多的工程专家、信息专家共同研究它吸引了更多的工程专家、信息专家共同研究• • 合成生物学的核心观念是，认为生命的所有零合成生物学的核心观念是，认为生命的所有零 件都能由化学方法来合成制造，进而通过工程件都能由化学方法来合成制造，进而通过工程化方式组装成实用的生命化方式组装成实用的生命• • 合成生物学的研究和实验仍然处在初级阶段合成生物学的研究和实验仍然处在初级阶段合成生物学的应用领域• • 生物医药领域：改造细胞，生产新型药物；重新设计生物医药领域：改造细胞，生产新型药物；重新设计更有效、更安全的生物治疗方法更有效、更安全的生物治疗方法• • 生物能源与新材料领域：重新设计生物质路线图，获生物能源与新材料领域：重新设计生物质路线图，获 取太阳能、清洁燃料和新能源，可降解塑料、碳纳米取太阳能、清洁燃料和新能源，可降解塑料、碳纳米管等材料管等材料• • 环境领域：设计和合成新功能微生物，用于清除水污环境领域：设计和合成新功能微生物，用于清除水污染、清除垃圾、处理核废料等染、清除垃圾、处理核废料等• • 智能计算机与生物传感领域：生物机体的实时检测，智能计算机与生物传感领域：生物机体的实时检测， 细胞机器人在动脉中检测并清除导致血栓的动脉粥样细胞机器人在动脉中检测并清除导致血栓的动脉粥样 硬化物质，探测化学和生物危险物和爆炸物的生物警硬化物质，探测化学和生物危险物和爆炸物的生物警报器报器4.2 生物元器件• 4.2.1 • 4.2.1 合成生物的单元合成生物的单元• 4.2.2 • 4.2.2 合成生物的设计与优化合成生物的设计与优化4.2.1 4.2.1 合成生物的单元—基因元件与生物砖• • 基因（生物）元件（基因（生物）元件（genetic elementgenetic element））：是具有某种特：是具有某种特定的生物学功能的定的生物学功能的DNADNA或或RNARNA，是设计和合成生物的基本，是设计和合成生物的基本单位单位• • 特性：信号接受和输入功能，信号发送和产物输出功能，特性：信号接受和输入功能，信号发送和产物输出功能， 调节信息流、代谢和生物合成的功能，和其他元件相互调节信息流、代谢和生物合成的功能，和其他元件相互作用，具有特定的工作环境作用，具有特定的工作环境• • 可以是功能元件：编码可以是功能元件：编码1 1个个/ /组生化反应酶功能基因组生化反应酶功能基因/ /基因基因簇簇• • 也可以是界面调控元件：包括功能基因转录、蛋白质翻也可以是界面调控元件：包括功能基因转录、蛋白质翻译译 与修饰、功能酶反应等的调控基因，如复制子、启动与修饰、功能酶反应等的调控基因，如复制子、启动子、子、 阻遏子、诱导子、转录因子、核糖体结合位点、转阻遏子、诱导子、转录因子、核糖体结合位点、转录终止子、翻译终止密码、酶切位点、选择标记等录终止子、翻译终止密码、酶切位点、选择标记等部分基因元件及其对应的的图示生物部件n生物部件（生物部件（biological part））是由一个或多个 基因元件组成，最简单的能行使催化功能的生 物部件，是完整的编码酶基因表达盒生物砖n生物砖（生物砖（biobrickbiobrick））是标准化的基因元件，是具有是标准化的基因元件，是具有可连接性末端（前后缀）的基因元件可连接性末端（前后缀）的基因元件––前后缀分别是两个核酸限制性酶切位点，该末端只前后缀分别是两个核酸限制性酶切位点，该末端只能用于元件之间的连接能用于元件之间的连接––前缀之后依次是测序引物、启动子、核糖体结合前缀之后依次是测序引物、启动子、核糖体结合 位点、功能基因、翻译终止密码、转录终止子位点、功能基因、翻译终止密码、转录终止子4.2.1 合成生物的单元—生物模块与基因电路n生物模块（生物模块（biological modulebiological module））是一组细胞内区是一组细胞内区域化的生物器件（域化的生物器件（biological devicebiological device），它们由），它们由内在功能联系在一起，执行特定的复杂功能内在功能联系在一起，执行特定的复杂功能––细胞内模块往往是具有特定功能的途径，如代谢途细胞内模块往往是具有特定功能的途径，如代谢途径、信号转导途径、调控途径等径、信号转导途径、调控途径等––模块可以由生物砖通过某种逻辑关系构建而成，但模块可以由生物砖通过某种逻辑关系构建而成，但功能必须完全清楚功能必须完全清楚n与电子科学中的电路类似，在合成生物学中，与电子科学中的电路类似，在合成生物学中，不同功能的生物砖不同功能的生物砖 联接后，能像电路一样运联接后，能像电路一样运行，形象地称为行，形象地称为基因电路（基因电路（genetic circuit））––代谢途径模块可由代谢电路来执行，调代谢途径模块可由代谢电路来执行，调控途径可由调控电路来完成控途径可由调控电路来完成––基因电路可清楚地图示生物模块的物理基因电路可清楚地图示生物模块的物理结构和生物功能结构和生物功能––基因电路特点是：具有定量特性，有确基因电路特点是：具有定量特性，有确定的应答阈值及明确的反应边界，生物砖定的应答阈值及明确的反应边界，生物砖容易被除去、替换、更改；还可实现非自容易被除去、替换、更改；还可实现非自然的功能然的功能4.2.2 合成生物的设计与优化n针对复杂生物系统，合成生物学设计的工程策略：针对复杂生物系统，合成生物学设计的工程策略：––标准化标准化：是确立基本生物元件的方法、对生物功能的定义和：是确立基本生物元件的方法、对生物功能的定义和特征描述；从系统生物学的角度，对基因组序列进行分门别特征描述；从系统生物学的角度，对基因组序列进行分门别类有助于定义生物功能类有助于定义生物功能––解耦联解耦联：是把复杂问题简单化的过程，把复杂系统解分成具：是把复杂问题简单化的过程，把复杂系统解分成具有独立功能的简单组分，把设计和装配分开，有独立功能的简单组分，把设计和装配分开， 以便完成设以便完成设计后，能有效装配成整体系统计后，能有效装配成整体系统––抽提抽提：是建立元件和模块的层阶，分开和限制各阶层之间的：是建立元件和模块的层阶，分开和限制各阶层之间的信息交流，隐藏生物信息和管理的复杂性，形成简化的再设信息交流，隐藏生物信息和管理的复杂性，形成简化的再设计的器件和模块，建立可识别界面的元器件库计的器件和模块，建立可识别界面的元器件库生物砖的设计与优化• 生化反应的高度抽提：一个反应对应一个酶，一个酶生化反应的高度抽提：一个反应对应一个酶，一个酶对应一个基因，即一个生物砖对应一个基因，即一个生物砖• • 生物砖功能的运行模式：基因表达调控的操纵子模生物砖功能的运行模式：基因表达调控的操纵子模型，最小包括启动子、核糖体结合位点、生化反应型，最小包括启动子、核糖体结合位点、生化反应功能基因、终止子；对于复杂的生物元件，功能基因、终止子；对于复杂的生物元件， 赋予调赋予调控序列如增强子、衰减子、扩增子等控序列如增强子、衰减子、扩增子等• • 生物砖的优化：对功能基因密码子、启动子、核糖生物砖的优化：对功能基因密码子、启动子、核糖体结合位点进行优化，使之适应于宿主中的高表达体结合位点进行优化，使之适应于宿主中的高表达基因电路的设计与优化• 生物砖构建基因电路的困难是，把相同功能的生物砖构建基因电路的困难是，把相同功能的不同生物来源的生物砖集成基因电路后，不一不同生物来源的生物砖集成基因电路后，不一定具有功能定具有功能• • 基因电路设计与合成中最大挑战是如何优化，基因电路设计与合成中最大挑战是如何优化，使基因电路实现相应的生物功能使基因电路实现相应的生物功能• • 优化方法可以是基于数学模拟的理性设计，也优化方法可以是基于数学模拟的理性设计，也可以是生物元件的直接进化可以是生物元件的直接进化––理性设计：生化反应建模理性设计：生化反应建模––元件进化：改变元件特性，包括碱基突变、改变元件进化：改变元件特性，包括碱基突变、改变转录和翻译动力学、操纵子的亲和力、转录因子转录和翻译动力学、操纵子的亲和力、转录因子的共结合活性等，的共结合活性等， 关键在于对基因电路进化行为关键在于对基因电路进化行为的筛选和效果的评价方法的筛选和效果的评价方法––理性设计和直接进化的结合，是基因电路设计和理性设计和直接进化的结合，是基因电路设计和优化的最佳策略优化的最佳策略4.3 DNA的合成与元器件装配• 4.3.1 • 4.3.1 基因定向突变合成技术基因定向突变合成技术• 4.3.2 • 4.3.2 核酸的全化学合成核酸的全化学合成• 4.3.3 • 4.3.3 生物砖的合成与基因电路的集成生物砖的合成与基因电路的集成• 4.3.4 • 4.3.4 基因组的合成与装配基因组的合成与装配PCR——把寻找目的基因和扩把寻找目的基因和扩增目的基因两步操作并成一步。

增目的基因两步操作并成一步nPCR法，又称多聚酶链式反应，是近年法，又称多聚酶链式反应，是近年来开发出来的基因工程新技术，它的最来开发出来的基因工程新技术，它的最大优点是把目的基因的寻找和扩增，放大优点是把目的基因的寻找和扩增，放在一个步骤里完成在一个步骤里完成nPCR反应系统反应系统中应包括下列成分中应包括下列成分 （（1））cDNA文库，内含目的基因文库，内含目的基因DNA片段 （（2）两条探针，分别与目的）两条探针，分别与目的DNA的正链或负链的正链或负链的的3’末端互补末端互补 （（3））DNA聚合酶聚合酶 通常用通常用Taq DNA聚合酶（高温）聚合酶（高温）PCR反应分三步完成：反应分三步完成：n第一步第一步——90度高温下，使混合物的度高温下，使混合物的DNA片段因变形而成单链片段因变形而成单链n第二步第二步——50度温度下，引物度温度下，引物DNA结合结合在适于配对的在适于配对的DNA片段上n第三步第三步——70度温度下，由合成酶度温度下，由合成酶（（DNA高温聚合酶）催化，从引物开始高温聚合酶）催化，从引物开始合成目的基因合成目的基因DNA。

nPCR的三个步骤为一次循环，约需的三个步骤为一次循环，约需5-10分分钟每经一次循环，所找到的目的基因扩钟每经一次循环，所找到的目的基因扩充一倍经过充一倍经过30次循环，即可扩增次循环，即可扩增109倍，倍，总共只需几个小时总共只需几个小时4.3.1 基因定向突变合成技术• 基因突变是指基因突变是指DNA序列中碱基排列顺序的变序列中碱基排列顺序的变 化，化，包括点突变、易位、倒置、插入、缺失等包括点突变、易位、倒置、插入、缺失等• 合成生物学研究中，采用合成生物学研究中，采用PCR技术，通过序列技术，通过序列 的定向突变，可以实现对原始基因序列优化，的定向突变，可以实现对原始基因序列优化， 合成新的基因功能、基因转录调控区等，从而合成新的基因功能、基因转录调控区等，从而 满足生物元件的设计要求满足生物元件的设计要求• 主要包括重叠延伸主要包括重叠延伸PCR定点突变合成、大引物定点突变合成、大引物 扩增扩增PCR定点突变合成和片段定点突变合成和片段PCR连接合成连接合成• • 重叠延伸重叠延伸PCRPCR定点突变合成定点突变合成–4–4种引物，种引物，3 3轮轮PCRPCR––优点：突变体回收率高，可在任何位点引入突变，快速简优点：突变体回收率高，可在任何位点引入突变，快速简便便––缺点：错误率高，不能有效扩增大片段缺点：错误率高，不能有效扩增大片段• • 大引物扩增大引物扩增PCRPCR定点突变合成定点突变合成–3–3种引物，种引物，2 2轮轮PCRPCR––正反向引物具有显著不同的正反向引物具有显著不同的TmTm值值––突变效率高，避免了两轮突变效率高，避免了两轮PCRPCR之间的纯化步骤之间的纯化步骤• • 片段片段PCRPCR连接合成连接合成––多处需要突变多处需要突变––将基因分为等长、重叠的片段，然后将基因分为等长、重叠的片段，然后PCRPCR扩增性连接扩增性连接4.3.2 核酸的全化学合成• • 大片段核酸的合成大片段核酸的合成非常重要，是实现合成生物的非常重要，是实现合成生物的关键关键技术技术• • 大片段核酸的合成，先化学合成寡核苷酸，然后片段大片段核酸的合成，先化学合成寡核苷酸，然后片段 PCRPCR扩增连接合成全长基因扩增连接合成全长基因• • 国际上的三家商业化公司，国际上的三家商业化公司，Blue Heron TechnologyBlue Heron Technology、、DNA 2.0DNA 2.0和和GENEARTGENEART，提供数千碱基，提供数千碱基 DNADNA的合成业务的合成业务• • 程序化的微芯片合成程序化的微芯片合成DNADNA是一种非常吸引人的技术，是一种非常吸引人的技术，可望取得突破性进展可望取得突破性进展DNA的化学合成• • 基本原理：多步连续反应，固相亚磷酰胺三酯法，基本原理：多步连续反应，固相亚磷酰胺三酯法，方向：方向：3’3’－－5’5’，先保护不参与反应基团、缩合反，先保护不参与反应基团、缩合反应之后再选择性脱除以形成专一的磷酸二酯键，单应之后再选择性脱除以形成专一的磷酸二酯键，单体为核苷亚磷酰胺体为核苷亚磷酰胺• • 合成反应步骤：脱保护（合成反应步骤：脱保护（DMTDMT），活化（），活化（H H＋＋），连），连 接，封闭，氧化（三价接，封闭，氧化（三价P-P-五价五价P P））• • 合成后处理：切割（合成后处理：切割（3’-OH3’-OH），脱保护基），脱保护基 （（DMTDMT），），纯化（纯化（C18C18，，OPCOPC柱，柱，PAGEPAGE，， HPLCHPLC），定量（），定量（ODOD260260））• • 溶解和保存：溶解和保存：-20℃-20℃DNADNA的的传统传统全化全化学合学合成原成原理理4.3.3 4.3.3 生物砖的合成与基因电路的集成• MIT• MIT的标准生物元件库（的标准生物元件库（Registry of Standard Registry of Standard Biological PartsBiological Parts）已有）已有20002000个生物砖个生物砖• • 生物砖的标准化操作生物砖的标准化操作————为了实现生物元件之间的高为了实现生物元件之间的高 效连接，使核心元件具有普适性和通用性，必须对生效连接，使核心元件具有普适性和通用性，必须对生物元件标准化成为生物砖物元件标准化成为生物砖• • 基于核酸的酶切生化反应，元件具有唯一末端基于核酸的酶切生化反应，元件具有唯一末端––同尾酶（产生相匹配末端的酶）位点作为前后缀同尾酶（产生相匹配末端的酶）位点作为前后缀––接头（接头（linkerlinker）作为前后缀）作为前后缀• • 元件连接前用一种酶切开，形成可连接末端，与另一元件连接前用一种酶切开，形成可连接末端，与另一 元件连接后，该酶切位点消失元件连接后，该酶切位点消失基因电路集成• 切割载体，使之线性化• 切割含有生物砖的载体，把生物砖分离出来• 连接酶把线性化的载体和生物砖连接在一起• 重复连接多个生物砖到一个载体中，集成基因电路生物砖载体的基本结构生物砖载体的基本结构• • 用于构建生物砖载体（用于构建生物砖载体（biobrick vectorbiobrick vector）的骨架可以）的骨架可以 是分子克隆中的任意载体，具备可自主复制性、转移是分子克隆中的任意载体，具备可自主复制性、转移 性、可选择标记性、不相容性和外源生物砖的整合性、可选择标记性、不相容性和外源生物砖的整合 性，性，由复制子、抗生素抗性基因、多克隆位点赋予由复制子、抗生素抗性基因、多克隆位点赋予• • 生物砖载体的命名是生物砖载体的命名是pSBpSB＃＃X X＃，第一个＃是指复制子＃，第一个＃是指复制子类型，类型，X X是指抗生素抗性标记，第二个＃是指载体的版是指抗生素抗性标记，第二个＃是指载体的版本。

如本如pSB1A3pSB1A3是指合成生物学质粒，具有是指合成生物学质粒，具有 pMBIpMBI复制子，复制子，氨苄青霉素抗性标记，第氨苄青霉素抗性标记，第3 3版版生物砖载体的构建• • 首先用两种限制性内切酶消化构建好的生物首先用两种限制性内切酶消化构建好的生物砖砖 （包括功能基因和抗性标记基因）（包括功能基因和抗性标记基因）• • 消化载体，除去氨苄青霉素抗性标记消化载体，除去氨苄青霉素抗性标记• • 把生物砖与线性载体连接把生物砖与线性载体连接• • 把连接产物转化到大肠杆菌宿主细胞，筛选把连接产物转化到大肠杆菌宿主细胞，筛选鉴定出生物砖载体鉴定出生物砖载体4.3.4 基因组的合成与装配• 新生物系统的全合成：基因组（软件）新生物系统的全合成：基因组（软件）+ +细胞细胞（硬件）（硬件）• • 核酸化学合成：核酸化学合成：<100 bp<100 bp，，PCRPCR：几万个：几万个bpbp• • 生物系统的合成中，基因组的合成和装配策略生物系统的合成中，基因组的合成和装配策略 是，化学合成寡核苷酸，是，化学合成寡核苷酸，PCRPCR合成和酶连接产生合成和酶连接产生 较长片段，在生物体内连接合成全长基因组较长片段，在生物体内连接合成全长基因组––合成全长双链，并连接到骨架上合成全长双链，并连接到骨架上––合成部分序列，间隔空缺由合成部分序列，间隔空缺由DNADNA聚合酶催化填补聚合酶催化填补全长基因的全合成研究• 2002• 2002年，年，CelloCello等人合成了脊髓灰质炎病毒等人合成了脊髓灰质炎病毒的的 cDNAcDNA• 2005• 2005年，年，EndyEndy等人实现了噬菌体等人实现了噬菌体T7T7基因组的基因组的全合成全合成• 2007• 2007年，年，Craig J. VenterCraig J. Venter研究所实现了基研究所实现了基因组在物种中的转移因组在物种中的转移• 2008• 2008年，该所全合成了支原体年，该所全合成了支原体Mycoplasma Mycoplasma genitaliumgenitalium的基因组的基因组噬菌体T7基因组的设计与合成• • 重新注释野生型重新注释野生型T7T7基因组基因组––确定基因的边界，定义基因元件的功能，选择正确定基因的边界，定义基因元件的功能，选择正确的序列确的序列––基因元件序列不能重复，一个基因元件编码唯一基因元件序列不能重复，一个基因元件编码唯一功能功能––每个基因元件能够进行独立和准确的操作每个基因元件能够进行独立和准确的操作––组装新基因组，使其具有生物学功能组装新基因组，使其具有生物学功能• • 经过注释，从野生型噬菌体经过注释，从野生型噬菌体39 937 bp39 937 bp线性双链线性双链DNA DNA 中抽提得到中抽提得到5757个个ORFORF（开放阅读框），（开放阅读框），5757个个RBS RBS （核（核糖体结合位点），糖体结合位点），6060个蛋白，个蛋白，5151个调控序列个调控序列基因组的设计• T7• T7中基因中基因2.82.8和基因和基因3 3有重叠，基因有重叠，基因3 3的的RBSRBS在基因在基因2.82.8内部内部• • 把自然把自然RBSRBS和起始密码进行同义点突变（用大写字母表示），和起始密码进行同义点突变（用大写字母表示），即不改变基因即不改变基因2.82.8的编码氨基酸的编码氨基酸• • 基因基因3 3的序列向右移动，与基因的序列向右移动，与基因2.82.8之间由核酸内切酶分开之间由核酸内切酶分开• T7.1• T7.1中，基因中，基因2.82.8和基因和基因3 3无重叠，为部件无重叠，为部件2828和和2929• • 这些功能基因元件组装成部件，再把部件组装成零件，最后这些功能基因元件组装成部件，再把部件组装成零件，最后由零件组装成基因组由零件组装成基因组T7.1T7.1基因组的合成• • 把功能基因元件组装成把功能基因元件组装成7373个生物部件，每个个生物部件，每个部件包括一个或多个基因元件，基因元件间部件包括一个或多个基因元件，基因元件间可能重叠，但部件之间无重叠边界可能重叠，但部件之间无重叠边界• • 部件组装成零件，零件边界由核酸内切酶位部件组装成零件，零件边界由核酸内切酶位点予以限定，总共点予以限定，总共6 6个零件组成个零件组成T7.1T7.1基因组基因组• T7.1• T7.1基因组长度基因组长度41326bp41326bp，其左端用人工合成，其左端用人工合成 的的12179bp12179bp取代野生型的取代野生型的11515bp11515bp，改变或增，改变或增加了加了1424bp1424bp基因功能测试• • 合成基因组合成基因组T7.1T7.1转染大肠杆菌和涂培养板进行测试转染大肠杆菌和涂培养板进行测试• • 新合成基因组新合成基因组T7.1T7.1能编码活噬菌体，感染大肠杆菌能编码活噬菌体，感染大肠杆菌并在其中进行复制，形成噬菌斑，具有生物学活性并在其中进行复制，形成噬菌斑，具有生物学活性• • 说明自然生物系统可以再设计和重新合成说明自然生物系统可以再设计和重新合成支原体基因组的合成• • 支原体是一种无细胞壁的基因组最小的细菌支原体是一种无细胞壁的基因组最小的细菌• • 基因组序列长度基因组序列长度580076bp580076bp• 485• 485个蛋白质编码基因中，约个蛋白质编码基因中，约100100个是非必需的个是非必需的设计与组装策略• • 原始序列按顺序等分成原始序列按顺序等分成101101个序列盒，个序列盒，5-7 kb/5-7 kb/盒盒• 4• 4个序列盒组装个序列盒组装1 1个个A A序列（序列（A1-A25A1-A25），长约），长约24 kb 24 kb • 3• 3个个A A序列组装序列组装1 1个个B B序列（序列（B1-B8B1-B8），长约），长约72 kb72 kb• 2• 2个个B B序列组装序列组装1 1个个C C序列（序列（C1-C4C1-C4），长约），长约144 kb144 kb• 2• 2个个C C序列组装成序列组装成1 1个个D D序列（序列（D1-D2D1-D2），长约），长约290 kb290 kb• 2• 2个个D D序列组装成完整基因组序列组装成完整基因组基因组的组装技术• • 分别合成分别合成101101个序列盒，相邻序列盒之间有重叠序个序列盒，相邻序列盒之间有重叠序 列，列，测序确证并逐步连接测序确证并逐步连接• • 第一个阶段：用第一个阶段：用BACBAC（细菌人工染色体）载体，大肠（细菌人工染色体）载体，大肠杆菌为宿主，离体重组，把连接后的序列由杆菌为宿主，离体重组，把连接后的序列由A A到到B B再到再到C C组装插入到组装插入到BACBAC中，筛选鉴定得到中，筛选鉴定得到C C系列组装体系列组装体• • 第二个阶段：用第二个阶段：用YACYAC（酵母人工染色体）载体，酿酒（酵母人工染色体）载体，酿酒酵母为宿主，离体同源重组酵母为宿主，离体同源重组D D系列和整个基因组，转系列和整个基因组，转化到酵母中化到酵母中• • 最终得到合成的支原体基因组最终得到合成的支原体基因组JCVI-1.0JCVI-1.0，总长度为，总长度为 582970bp582970bp4.4 合成生物的功能实现• 4.4.1 • 4.4.1 青蒿素代谢电路设计与从头合成青蒿素代谢电路设计与从头合成• 4.4.2 • 4.4.2 高级醇燃料代谢电路设计与从头合成高级醇燃料代谢电路设计与从头合成• 4.4.3 • 4.4.3 生物成像生物成像• 4.4.4 • 4.4.4 生物计算机生物计算机4.4.1 青蒿素代谢电路设计与从头合成• • 根据目标产物在生物体内的合成过程，对不同生物来根据目标产物在生物体内的合成过程，对不同生物来源的基因元器件进行组装，设计崭新的生物合成代谢源的基因元器件进行组装，设计崭新的生物合成代谢途径，在异源生物宿主中表达，实现目标代谢物的高途径，在异源生物宿主中表达，实现目标代谢物的高效生产是合成生物学研究的重要方面效生产是合成生物学研究的重要方面• • 疟疾是世界上流行最广、发病率及死亡率很高、由热疟疾是世界上流行最广、发病率及死亡率很高、由热带寄生虫带寄生虫————疟原虫引起的传染疾病，通过蚊叮咬而疟原虫引起的传染疾病，通过蚊叮咬而传播传播• • 印度、拉丁美洲和非洲大陆国家的疟疾最为严重，威印度、拉丁美洲和非洲大陆国家的疟疾最为严重，威胁胁300300－－500500万人，每年约死亡万人，每年约死亡100100万人，用于治疗疟万人，用于治疗疟疾的费用每年约为疾的费用每年约为1818亿美元亿美元疟原虫的致病过程• 疟原虫先侵入肝细胞 发育繁殖，再侵入红细胞内繁殖，引起红细胞破裂而发病• 临床表现为间歇性寒战、高热、贫血和脾肿大，且常伴有致命的合并症抗疟疾药物——青蒿素• • 青蒿素是从菊科植物青蒿中青蒿素是从菊科植物青蒿中 分离出来的有效单体，目前被分离出来的有效单体，目前被WHOWHO评价为治疗恶性疟疾唯一评价为治疗恶性疟疾唯一有效的药物有效的药物• • 青蒿素的治疗机理是作用于青蒿素的治疗机理是作用于 红细胞期疟原虫的膜系结构，红细胞期疟原虫的膜系结构，干扰其线粒体功能干扰其线粒体功能• • 绝大多数地区青蒿中青蒿素含绝大多数地区青蒿中青蒿素含量都很低，无利用价值量都很低，无利用价值• • 青蒿素的化学全合成的工艺复青蒿素的化学全合成的工艺复杂，成本太高杂，成本太高青蒿素生产中，药源问题非常突出！青蒿素生产中，药源问题非常突出！青蒿素的生物合成过程• • 青蒿素是萜类化合物，由异戊二烯基单元聚合青蒿素是萜类化合物，由异戊二烯基单元聚合 和修饰而成，这个代谢途径涉及和修饰而成，这个代谢途径涉及1010余个功能基余个功能基因因• • 生物界有两条合成萜类的途径生物界有两条合成萜类的途径––除植物外的其他真核生物具有甲羟戊酸（除植物外的其他真核生物具有甲羟戊酸（MEVMEV）的）的萜类合成途径萜类合成途径––原核生物具有脱氧木酮糖磷酸（原核生物具有脱氧木酮糖磷酸（DXPDXP）的萜类合成）的萜类合成途径途径––植物同时具有植物同时具有MEVMEV和和DXPDXP两种途径两种途径关键中间产物：关键中间产物：IPPIPP（异戊烯焦磷酸），（异戊烯焦磷酸），DMAPPDMAPP（二甲基丙烯焦磷酸）（二甲基丙烯焦磷酸）大肠杆菌生产青蒿素前体的设计与合成• 2003• 2003年，美国加州大学伯克利分校年，美国加州大学伯克利分校KeaslingKeasling等人在大等人在大肠杆菌中独立设计了两条青蒿二烯的代谢电路，由肠杆菌中独立设计了两条青蒿二烯的代谢电路，由2-2-3 3个功能模块、九个基因构成个功能模块、九个基因构成• DXP• DXP途径：大肠杆菌的脱氧木酮糖磷酸合成酶基因途径：大肠杆菌的脱氧木酮糖磷酸合成酶基因（（dxsdxs）、）、IPPIPP异构酶基因（异构酶基因（ippHpippHp）和酰基转移酶基）和酰基转移酶基因（因（ispAispA）三个功能基因连接组成）三个功能基因连接组成DXPDXP代谢电路代谢电路• MEV• MEV途径：把酿酒酵母途径：把酿酒酵母MEVMEV途径引入大肠杆菌，由两个途径引入大肠杆菌，由两个独立的表达载体独立的表达载体pMevTpMevT和和pMBISpMBIS组成组成MEVMEV代谢电路代谢电路––大肠杆菌的乙酰辅酶大肠杆菌的乙酰辅酶A A硫解酶基因（硫解酶基因（atoBatoB）、酵母的）、酵母的3-3-羟甲基羟甲基戊二酸单酰戊二酸单酰CoACoA合成酶基因（合成酶基因（HMGSHMGS或或ERG13ERG13）、截短的）、截短的3-3-羟甲基羟甲基戊二酸单酰戊二酸单酰CoACoA还原酶基因（还原酶基因（tHMGR1tHMGR1）连接在一起组成）连接在一起组成pMevTpMevT––酵母的甲羟戊酸激酶基因（酵母的甲羟戊酸激酶基因（ERG12ERG12）、甲羟戊酸磷酸激酶基因）、甲羟戊酸磷酸激酶基因（（ERG8ERG8）和甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶基因（）和甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶基因（MVD1MVD1或或 ERG19ERG19）、大）、大肠杆菌肠杆菌IPPIPP异构酶基因（异构酶基因（idiidi）、红球藻的法尼基焦磷酸合成酶）、红球藻的法尼基焦磷酸合成酶基因（基因（ispAispA）连接到一起组成）连接到一起组成pMBISpMBIS• • 由于植物来源的基因在大肠杆菌中表达效果差，需要由于植物来源的基因在大肠杆菌中表达效果差，需要对青蒿来源的二烯合成酶（对青蒿来源的二烯合成酶（ADSADS）进行适合于大肠杆）进行适合于大肠杆菌表达的密码优化和定点突变，实现青蒿二烯的高效菌表达的密码优化和定点突变，实现青蒿二烯的高效表达表达实验结果• DXP• DXP途径：把丙酮酸和甘油磷酸转化为青蒿二烯，产途径：把丙酮酸和甘油磷酸转化为青蒿二烯，产量达量达0.313 μg/mL·OD6000.313 μg/mL·OD600• MEV• MEV途径：把乙酰辅酶途径：把乙酰辅酶A A转化为青蒿二烯，产量达转化为青蒿二烯，产量达3.4 3.4 μg/mL·OD600 μg/mL·OD600 ，比，比DXPDXP途径高途径高1111倍倍• 11• 11个小时的生产周期中，个小时的生产周期中，MEVMEV途径合成青蒿二烯的浓途径合成青蒿二烯的浓度约为度约为22.6 mg/L22.6 mg/L，增加，增加0.8%0.8%甘油可使浓度达到甘油可使浓度达到112.2 mg/L112.2 mg/L• • 实验室水平经工程放大到工业化生产实际，水平可实验室水平经工程放大到工业化生产实际，水平可达～达～g/Lg/L量级量级酵母生产青蒿素前体的设计与合成• 2006• 2006年，年，Keasling Keasling 等人进一步对青蒿素代谢途径等人进一步对青蒿素代谢途径 进行设计，将大肠杆菌基因、青蒿植物基因与酵母进行设计，将大肠杆菌基因、青蒿植物基因与酵母基因进行优化，全新设计和合成了酿酒酵母中的青基因进行优化，全新设计和合成了酿酒酵母中的青蒿素的代谢电路，成功实现了青蒿素的前体物质蒿素的代谢电路，成功实现了青蒿素的前体物质————青蒿酸的生产青蒿酸的生产• • 首先，对首先，对FPPFPP合成代谢途径进行修饰，增加上调基因合成代谢途径进行修饰，增加上调基因tHMGRtHMGR（双拷贝）、（双拷贝）、ERG20ERG20（编码（编码FPPFPP合成合成 酶）、酶）、upc2-1upc2-1（编码甾醇合成的转录因子）的过表达，抑（编码甾醇合成的转录因子）的过表达，抑制下调基因制下调基因ERG9ERG9（编码鲨烯合成酶）表达，促进（编码鲨烯合成酶）表达，促进FPPFPP的积累的积累• • 其次，构建半乳糖诱导启动子（其次，构建半乳糖诱导启动子（Pgal1 Pgal1 ）控制青）控制青 蒿蒿二烯合成酶基因（二烯合成酶基因（ADSADS）的酵母表达载体，促进）的酵母表达载体，促进FPPFPP转化为青蒿二烯转化为青蒿二烯• • 最后，从青蒿中分离鉴定出一个全长编码最后，从青蒿中分离鉴定出一个全长编码495495个氨基个氨基酸残基的细胞色素酸残基的细胞色素P450P450基因基因 （（CYPCYP7171AVAV1 1）和催化该）和催化该酶的酶的NADPHNADPH细胞色素细胞色素P450P450氧化还原酶基因（氧化还原酶基因（CPRCPR），），构建半乳糖诱导启动子控制的构建半乳糖诱导启动子控制的CYPCYP7171AVAV1 1和和CPRCPR共同表共同表达的基因电路达的基因电路实验结果• • 工程酵母细胞炼制工厂合成并向胞外分泌，在培养液工程酵母细胞炼制工厂合成并向胞外分泌，在培养液中积累青蒿酸，青蒿酸占酵母干重的中积累青蒿酸，青蒿酸占酵母干重的4.54.5％％• • 工程酵母发酵工程酵母发酵4-54-5天的生产能力为天的生产能力为100 mg/L100 mg/L，其速度，其速度比从植物中提取要快将近比从植物中提取要快将近100100倍倍• • 工程酵母的青蒿二烯产量达工程酵母的青蒿二烯产量达153mg/L153mg/L，提高了，提高了500500倍倍• • 这一科研成果被评为这一科研成果被评为20062006年年““世界十大科技进展之一世界十大科技进展之一””。

• Keasling• Keasling等人的研究是合成生物学的一个里程碑等人的研究是合成生物学的一个里程碑• • 该代谢电路通用于他汀类药物、番茄红素、胡萝卜素、该代谢电路通用于他汀类药物、番茄红素、胡萝卜素、虾青素、赤霉素等具有虾青素、赤霉素等具有MEVMEV代谢途径和异戊二烯类结代谢途径和异戊二烯类结构的化合物构的化合物4.4.2 高级醇燃料代谢电路设计与从头合成• • 生物能源的问题生物能源的问题––目前大规模生产并用于车辆的生物能源主要是燃料乙醇和生物柴油目前大规模生产并用于车辆的生物能源主要是燃料乙醇和生物柴油––燃料乙醇是通过淀粉发酵制备，原料是甘蔗、玉米等，生物柴油是燃料乙醇是通过淀粉发酵制备，原料是甘蔗、玉米等，生物柴油是通过脂肪酸的化学甲酯化炼制通过脂肪酸的化学甲酯化炼制––这两种燃料都存在与人争粮、争地，导致全球粮食和食品危机，引这两种燃料都存在与人争粮、争地，导致全球粮食和食品危机，引发对生物能源的争议发对生物能源的争议––燃料乙醇不是最理想燃料，能量密度比汽油低，其吸湿性不利贮运燃料乙醇不是最理想燃料，能量密度比汽油低，其吸湿性不利贮运––高级醇（四碳和五碳）的能量密度与汽油接近，无吸湿性，比乙醇高级醇（四碳和五碳）的能量密度与汽油接近，无吸湿性，比乙醇挥发性低，可替代汽油挥发性低，可替代汽油––目前除正丁醇外，没有从可再生资源中生产其他高级醇目前除正丁醇外，没有从可再生资源中生产其他高级醇––也没有鉴定出从葡萄糖生产高级醇的微生物也没有鉴定出从葡萄糖生产高级醇的微生物––采用合成生物学策略，通过合成代谢电路，使微生物生产长链醇，采用合成生物学策略，通过合成代谢电路，使微生物生产长链醇，将成为新一代的生物燃料将成为新一代的生物燃料高级醇的生物合成过程• • 微生物在氨基酸合成途径中产生的各种中间产物微生物在氨基酸合成途径中产生的各种中间产物2-2-酮酮 酸，是醇的前体酸，是醇的前体• • 从生化反应看，酮酸由酮酸脱羧酶（从生化反应看，酮酸由酮酸脱羧酶（KDCKDC）转化为醛，）转化为醛，然后由醇脱氢酶（然后由醇脱氢酶（ADHADH）把醛还原为醇）把醛还原为醇––异亮氨酸异亮氨酸→→2-2-酮丁酸＋酮丁酸＋2-2-酮酮-3--3-甲基戊酸甲基戊酸→→丙醇＋丙醇＋2-2-甲基丁甲基丁 醇醇––缬氨酸缬氨酸→→2-2-酮异戊酸酮异戊酸→→异丁醇异丁醇––亮氨酸亮氨酸→→2-2-酮酮-4--4-甲基戊酸甲基戊酸→→3-3-甲基丁醇甲基丁醇––苯丙氨酸苯丙氨酸→→苯基丙酮酸苯基丙酮酸→→2-2-苯乙醇苯乙醇––正缬氨酸正缬氨酸→→2-2-酮基戊酸酮基戊酸→→丁醇丁醇高级醇代谢电路设计• • 在酮酸转化醇的过程中，关键酶在酮酸转化醇的过程中，关键酶KDCKDC普遍存在于植普遍存在于植 物物和酵母中，但细菌中不常见和酵母中，但细菌中不常见• • 醛转化为醇的脱氢酶醛转化为醇的脱氢酶ADHADH普遍存在于多种微生物中普遍存在于多种微生物中• Atsumi• Atsumi等人利用大肠杆菌已有的代谢途径，构建了等人利用大肠杆菌已有的代谢途径，构建了 kdckdc和和adhadh基因的组成型表达电路，增加两步细菌本身基因的组成型表达电路，增加两步细菌本身 不具备的生化反应，使氨基酸代谢中间产物合成醇，不具备的生化反应，使氨基酸代谢中间产物合成醇，实现了高级醇的代谢电路设计实现了高级醇的代谢电路设计––微氧条件下，异丁醇产量达到微氧条件下，异丁醇产量达到300 mM (22 g/L)300 mM (22 g/L)，增加酵，增加酵 母提取物增加细胞密度，母提取物增加细胞密度，40-112h40-112h产率达产率达0.35g 0.35g 异丁醇异丁醇 /g /g 葡萄糖，是理论产率的葡萄糖，是理论产率的8686％％––丁醇产量达丁醇产量达3.2 mM3.2 mM经验总结• • 大肠杆菌和酵母生长快速，兼性厌氧，适合大肠杆菌和酵母生长快速，兼性厌氧，适合于工业过程设计和大规模生产于工业过程设计和大规模生产• • 设计和表达代谢电路可能引起代谢不平衡，设计和表达代谢电路可能引起代谢不平衡，同时外源代谢产物的积累还会对宿主产生毒性同时外源代谢产物的积累还会对宿主产生毒性• • 为了目标产物的高效生产，所设计的代谢途为了目标产物的高效生产，所设计的代谢途径必须与宿主具有兼容性，协调一致径必须与宿主具有兼容性，协调一致4.3.3 生物成像• • 从生物学角度看，基因电路是细胞内基因转录从生物学角度看，基因电路是细胞内基因转录和表达的级联调控事件和表达的级联调控事件• • 程序化光调控基因的时空性表达，发射光谱，程序化光调控基因的时空性表达，发射光谱， 使菌落具有生物膜的功能，可产生高清晰度的使菌落具有生物膜的功能，可产生高清晰度的二维成像二维成像• • 可用于打印复杂的生物材料、研究信号转导途可用于打印复杂的生物材料、研究信号转导途径径• Voigt• Voigt等人基于光敏色素的感光原理，构建了等人基于光敏色素的感光原理，构建了感光器的基因电路，使细菌具有成像功能感光器的基因电路，使细菌具有成像功能成像基因电路设计• • 原理：光敏色素是双组分系统，由膜结合的原理：光敏色素是双组分系统，由膜结合的胞外传感器和胞内蛋白应答调节器组成胞外传感器和胞内蛋白应答调节器组成• • 蓝细菌来源的光敏色素蓝细菌来源的光敏色素cphcph1 1基因与大肠杆菌基因与大肠杆菌胞胞 内组氨酸激酶基因内组氨酸激酶基因envZenvZ融合，在四环素抗融合，在四环素抗性基因启动子性基因启动子PtetPtet控制下组成型表达，构建控制下组成型表达，构建光敏感基因电路光敏感基因电路• • 在阿拉伯糖诱导启动子（在阿拉伯糖诱导启动子（ParaPara）控制藻蓝胆）控制藻蓝胆素合成酶基因（素合成酶基因（pcyApcyA和和holhol）的表达下，构建）的表达下，构建大肠杆菌的感光器藻蓝素的合成电路大肠杆菌的感光器藻蓝素的合成电路工程细菌成像的基因电路设计细菌成像• • 光传感器由光感受器（光传感器由光感受器（Cph1Cph1和和PCBPCB）和组氨酸）和组氨酸激酶应答调节器（激酶应答调节器（EnvZEnvZ）组成，红光抑制传感）组成，红光抑制传感器的自磷酸化，关闭基因的表达器的自磷酸化，关闭基因的表达• • 黑暗中有活性（黑暗中有活性（β-β-半乳糖苷酶基因表达，把半乳糖苷酶基因表达，把 化学底物环己酮七叶苷化学底物环己酮七叶苷-β-D--β-D-葡萄糖苷（葡萄糖苷（S- S- galgal）转化为黑色物质），在光下无活性（基）转化为黑色物质），在光下无活性（基 因不表达，化学底物因不表达，化学底物S-galS-gal有颜色），实现了有颜色），实现了 细菌的照相和摄影功能细菌的照相和摄影功能细菌数码相机• Canon EOS 1Ds Mark II• Canon EOS 1Ds Mark II：：16001600万像素万像素• Leaf• Leaf和和KodakKodak：：34003400万和万和39003900万像素万像素• Better Light• Better Light：：1 1亿亿4 4千千4 4百万像素百万像素• Fermilab• Fermilab：五亿像素怪兽级传感器：五亿像素怪兽级传感器• Chris Voigt• Chris Voigt领导的领导的UCSFUCSF研究团队，用大肠研究团队，用大肠 杆菌作为图像传感器的元素，成品将能拍摄杆菌作为图像传感器的元素，成品将能拍摄出每平方英寸上亿像素的超清晰图像出每平方英寸上亿像素的超清晰图像打印细胞（Printing Cells）• • 美国马萨诸塞大学达特茅斯美国马萨诸塞大学达特茅斯 分院分院Paul CalvertPaul Calvert等人使用等人使用 喷墨盒来将干细胞喷墨盒来将干细胞““打印打印” ” 成精确模式的干细胞，工程成精确模式的干细胞，工程师们正将此技术应用探索打师们正将此技术应用探索打印细胞三维结构的途径印细胞三维结构的途径• • 颜色从黑白发展成各种颜色颜色从黑白发展成各种颜色• • 三维技术能够揭开细胞与细三维技术能够揭开细胞与细 胞之间通信的秘密，在不久胞之间通信的秘密，在不久 的将来，我们可能制造人类的将来，我们可能制造人类 器官器官4.4.4 生物计算机• 由于由于DNADNA的强大信息贮存和自组装能力，基于的强大信息贮存和自组装能力，基于DNADNA离体自组装和蛋白质离体自组装和蛋白质-DNA-DNA相互作用，科学相互作用，科学家已经创造了生物计算机，但基于家已经创造了生物计算机，但基于DNADNA的复制的复制和细胞分裂的计算生物还没有和细胞分裂的计算生物还没有• • 为了实现在体计算，为了实现在体计算，HaynesHaynes等人对大肠杆菌等人对大肠杆菌 进行基因电路设计，创造出细菌计算机进行基因电路设计，创造出细菌计算机• • 细菌计算机具有计算能力，可解决细菌计算机具有计算能力，可解决““翻煎饼翻煎饼难难 题题””数学“翻煎饼难题”• • 一堆不同大小的煎饼，每个煎饼都有黄色面和焦色一堆不同大小的煎饼，每个煎饼都有黄色面和焦色 面面• • 要求将最大的煎饼放在最底下并使得每个煎饼的黄要求将最大的煎饼放在最底下并使得每个煎饼的黄 色面朝上，操作的每一步只能一次操作一个或者连色面朝上，操作的每一步只能一次操作一个或者连 续几个煎饼，改变其顺序或者朝向以达到要求，步续几个煎饼，改变其顺序或者朝向以达到要求，步 骤最少的路径为最佳解骤最少的路径为最佳解• N• N个煎饼的总体排列数目是个煎饼的总体排列数目是2 2n n（（n!n!），如），如6 6个煎饼需个煎饼需 要要4608046080次，次，1212张煎饼有张煎饼有1.91.9万亿种可能，随着煎饼万亿种可能，随着煎饼 数数目增加，排列数目对数级增加目增加，排列数目对数级增加• • 这就是这就是““翻煎饼难题翻煎饼难题””，也是计算机领域的一个基本，也是计算机领域的一个基本逻辑算法问题逻辑算法问题翻煎饼基因电路设计• • 思路：翻煎饼是可逆的，可与基因的颠换相似思路：翻煎饼是可逆的，可与基因的颠换相似• • 一块煎饼可看成是一个功能模块化的一块煎饼可看成是一个功能模块化的DNADNA生物砖生物砖• • 煎饼两个面可看成是基因分子两个末端（煎饼两个面可看成是基因分子两个末端（5’5’和和3’ 3’ 端端) )• • 基因元件具有特异性顺序（启动子基因元件具有特异性顺序（启动子+ +功能基因），功能基因）， DNADNA在细胞内由重组酶催化可翻转（即切割，颠倒，剪切在细胞内由重组酶催化可翻转（即切割，颠倒，剪切和连接）和连接）• • 解决策略：煎饼由可翻转的解决策略：煎饼由可翻转的DNADNA片段组装而成片段组装而成• DNA• DNA的复制时间和翻煎饼的步骤数相对应的复制时间和翻煎饼的步骤数相对应翻煎饼的基因电路功能实现• 对于两块煎饼，第一翻是焦色面朝上，第二翻 先翻小煎饼，然后是大煎饼，使其黄色面朝上生物计算机• • 与传统计算机相比，生物计算机的优势在于信息贮与传统计算机相比，生物计算机的优势在于信息贮存量大，而且平行工作互不干扰存量大，而且平行工作互不干扰• • 生物计算机可能比传统计算机更快，空间更少，生物计算机可能比传统计算机更快，空间更少， 成成本更低本更低• • 生物计算机以活生物为载体，可以利用修复机制在生物计算机以活生物为载体，可以利用修复机制在重复使用后进化重复使用后进化• • 活细胞中解决翻煎饼问题，不仅证明在生物细胞里活细胞中解决翻煎饼问题，不仅证明在生物细胞里进行高强度的计算是可行的，而且为包括数据储存进行高强度的计算是可行的，而且为包括数据储存以及基因操作在内的应用开辟了新途径以及基因操作在内的应用开辟了新途径用病毒制造新型电池• 2009• 2009年年4 4月月2 2日，日，《《ScienceScience》》报道，报道，MITMIT材料科学家材料科学家 Angela Angela BelcherBelcher对对M13M13病毒进行基因编程和改造，使其表面可以生长病毒进行基因编程和改造，使其表面可以生长出作为电极的无定形磷酸铁，在纳米尺度下成为一种电池材出作为电极的无定形磷酸铁，在纳米尺度下成为一种电池材料，这些病毒的末端被设计成与碳纳米管连接，从而形成一料，这些病毒的末端被设计成与碳纳米管连接，从而形成一种可在电池内增进导电性能的网络结构种可在电池内增进导电性能的网络结构• • 病毒电池可为病毒电池可为MP3MP3、等设备供电，供电时间比现有、等设备供电，供电时间比现有iPod iPod 电池长电池长3 3倍，充放电至少倍，充放电至少100100次不损失电容次不损失电容• • 病毒电池的放电速度快，可转化更多的电力，环保性非常好病毒电池的放电速度快，可转化更多的电力，环保性非常好• • 如果继续升级这种电池，可以用于汽车上如果继续升级这种电池，可以用于汽车上• • 下一步计划利用可产生更高电容、电压的物质如磷酸锰、磷下一步计划利用可产生更高电容、电压的物质如磷酸锰、磷 酸镍等，开发性能更好的电池，并尽早进入商业应用阶段酸镍等，开发性能更好的电池，并尽早进入商业应用阶段应用博弈论解释进化论难题• “• “铲雪博弈铲雪博弈””：：––你和同伴开一辆车被雪堆挡住去路，每个人都可你和同伴开一辆车被雪堆挡住去路，每个人都可以选择下车铲雪或原位不动，一个人不铲雪，那么以选择下车铲雪或原位不动，一个人不铲雪，那么另一个人必须铲雪另一个人必须铲雪––表面上看来，你最好的选择是待在温暖的车里，表面上看来，你最好的选择是待在温暖的车里，同伴去铲雪。

但有时最坏的情况会发生，即你和同同伴去铲雪但有时最坏的情况会发生，即你和同伴均不去铲雪，结果你们永远回不了家因而，最伴均不去铲雪，结果你们永远回不了家因而，最好的策略是永远选择你对手策略的反面好的策略是永远选择你对手策略的反面进化论的合作行为• • 问题：合作行为给种群内其它成员带来好处，但却问题：合作行为给种群内其它成员带来好处，但却会损害个体利益会损害个体利益• • 生物学家对此迷惑不解生物学家对此迷惑不解————如果最适者生存，那么如果最适者生存，那么有益于种群内所有成员的行为的基因就不该长期存有益于种群内所有成员的行为的基因就不该长期存在，合作行为应该灭绝在，合作行为应该灭绝• MIT• MIT的的GoreGore等人利用博弈论观点，解释了酵母规避这等人利用博弈论观点，解释了酵母规避这一问题的方法一问题的方法• • 研究显示，如果一个个体能够从合作行为中获取微研究显示，如果一个个体能够从合作行为中获取微小的利益，那么即使周围的个体均不合作，它也能小的利益，那么即使周围的个体均不合作，它也能够生存下去够生存下去实验设计—让酵母进行蔗糖代谢• • 蔗糖并非酵母的首选食物源，但在没有葡萄糖的情蔗糖并非酵母的首选食物源，但在没有葡萄糖的情 况下，它也会进行蔗糖代谢；不过，它们必须分泌况下，它也会进行蔗糖代谢；不过，它们必须分泌 一种蔗糖转化酶，帮助将蔗糖分解成单糖以便吸收一种蔗糖转化酶，帮助将蔗糖分解成单糖以便吸收• • 问题在于，大量分解后的单糖也可被周围的其它酵问题在于，大量分解后的单糖也可被周围的其它酵 母细胞利用；这种情况下，分泌转化酶的酵母称作母细胞利用；这种情况下，分泌转化酶的酵母称作 合作者，不分泌、只消耗单糖的酵母称作欺诈者合作者，不分泌、只消耗单糖的酵母称作欺诈者• • 如果所有的单糖只是四下扩散，分泌转化酶的酵母如果所有的单糖只是四下扩散，分泌转化酶的酵母 没有优先使用权的话，那么更好的选择永远都是成没有优先使用权的话，那么更好的选择永远都是成为欺诈者，合作者将会灭绝为欺诈者，合作者将会灭绝研究结果• • 人为设计缺乏转化酶基因的酵母人为设计缺乏转化酶基因的酵母————欺诈者，在蔗糖欺诈者，在蔗糖培养基中改变野生酵母和欺诈者的比例培养基中改变野生酵母和欺诈者的比例• • 观察发现，不论开始的酵母种群数量是多少，最后都观察发现，不论开始的酵母种群数量是多少，最后都会达到一种平衡状态，合作者和欺诈者同时存在会达到一种平衡状态，合作者和欺诈者同时存在• • 分泌转化酶的酵母对于它们制造的单糖拥有大约分泌转化酶的酵母对于它们制造的单糖拥有大约1%1%的的优先使用权，这一获益超过了帮助别人所需的代价，优先使用权，这一获益超过了帮助别人所需的代价，使得它们能够成功地与欺诈者进行竞争使得它们能够成功地与欺诈者进行竞争• • 在野生状态下，酵母携带的转化酶基因拷贝数存在不在野生状态下，酵母携带的转化酶基因拷贝数存在不同；这种野外的遗传多样性，使合作者和欺诈者长期同；这种野外的遗传多样性，使合作者和欺诈者长期共存共存。