合成生物学.ppt

1、合成生物学Synthetic biology(概念、原理、应用)36亿亿年年前前，一一个个微微小小的的生生命命细细胞胞在在地地球球的的荒荒野野中中诞诞生生，它它自自我我复复制制，它它的的后后代代们们继继续续复复制制自自我我，就就这这样样，随随着着遗遗传传基基因因一一代代代代变变异异，延延续续数数十十亿亿代代。今今天天，每每个个生生物物体体每每个个人人、植植物物、动动物物和和微微生生物物都都能能从从第第一一个个细细胞胞找找到到自自己己的的起起源源。迄迄今今为为止止，地地球球的的生生物物大大家家族族是是我我们们在在宇宇宙宙发发现现的的唯唯一一存存在在的的一一种种生命。生命。生命1.0版本 生物大家

2、族中的新成员生物大家族中的新成员 不不过过现现在在，将将会会有有一一些些新新成成员员加加入入到到这这个个生生物物大大家家族族。在在过过去去这这些些年年里里，科科学学家家一一直直在在尝尝试试从从零零开开始始制制造造全全新新的的生生命命形形式式用用化化学学物物质质造造出出合合成成（脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸），由由合合成成基基因因，再再由由基基因因形形成成基基因因组组，最最终终在在实实验验室室造造出出全全新新生生物物体体的分子系统的分子系统，而这种生物体在自然界从未出现过。，而这种生物体在自然界从未出现过。这些向这些向“造物主造物主”的垄断地位发起挑的垄断地位发起挑战的人包括战的人包括工程师、计算机

3、学家、物理学工程师、计算机学家、物理学家家和和化学家化学家。他们以有别于传统生物学家。他们以有别于传统生物学家的视角看待生命，并在的视角看待生命，并在2003年开创了一个年开创了一个全新的研究领域全新的研究领域合成生物学合成生物学。由DNA重组重组技术到合成生物学l理念：为细胞编写理念：为细胞编写“基因基因软件软件”自然演化的有机体（即生物学家所谓的“生命10版本”）的基因组图谱正在以前所未有的速度被绘制完成，而其中的遗传密码也将被逐渐解开。合成生物学家认为，他们可以利用这些已知信息来设计、打造新生命形式。在过去，遗传工程一直拘囿于对已有的遗传密码进行简单修补改造，比如从一种细菌中提取一个基因

4、，然后植入玉米或猪的染色体。而合成生物学所要打造的生命种类是全新的而合成生物学所要打造的生命种类是全新的它不是任何一个原始母细胞的后裔，也没有哪个物种是它不是任何一个原始母细胞的后裔，也没有哪个物种是它的祖先。其实在本质上，这是一个逆自然的过程它的祖先。其实在本质上，这是一个逆自然的过程。合成生物学l如果说1953年双螺旋分子结构的发现让分子生物学家意识到，基因与细胞的关系就像计算机的软件和硬件，那么合成生物学正在做的就是设计新设计新“软软件件”、开发新、开发新“硬件硬件”。生物资源研究的三个层次生物资源研究的三个层次生物资源研究的三个层次生物资源研究的三个层次物种资源基因资源1828年，德国

5、化学家Wohler人工合成了存在于生物体内的一种有机物质-尿素，从而打破了“生命”与“非生命”之间的物质壁垒物质壁垒。1960，我国科学家首次合成了具有生物活性的蛋白质-胰岛胰岛素素。当人类进入基因组和后基因组的二十一世纪的今天，科学家正在为人工合成生命而努力。有活性的X174噬菌体噬菌体(5386个个bp)和脊髓灰质炎脊髓灰质炎(7500个个bp)已被科学家先后合成。Mycoplasma laboratorium 人工生命(以人工设计为主导以人工设计为主导)合成生物学DNA重组技术物种生物学转基因生物一亿种:140万种(占1.4%)人工合成脊髓灰白质炎病毒cDNAl美国纽约大学Wimmer实

6、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。lWimmer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lX-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。lX-174噬菌体对动植物无害，是合适的合成研究对象。l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X-174噬菌体基因(5,

7、386bp)。lVenter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l2004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。l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。l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。l现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。合成生物学开辟了设计生命的前景l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K

8、easling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lSchultz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。l2003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。l目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已有80多种。l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

9、例lBrenner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。l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l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。l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。l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，起到有机振荡器的作用，打开了利用生物分子进行计算的大门。l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

10、，将基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。l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。l尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领域中重要的进展。J.Craig Venter：基因组替换l成功利用基因组取代技术，将一种细菌改变为另一种与之亲缘关系较为紧密的另一细菌。这种由J.CraigVenter进行的“移植(transplantation)”技术，有望将合成基因组插入细胞，用于生产合成生命。用Mycoplasmamycoides的基因组取代与之关系密切的Mycoplasmacapricolum的基因

11、组C.Lartigueetal.Genometransplantationinbacteria:ChangingonespeciestoanotherScience,June28,2007.人类历史上第一个人造染色体合成成功l美科学家称“人造生命”技术已被掌握l最具争议的美国著名科学家克雷格文特尔宣布，他的研究小组已经合成出人类历史上首个人造染色体，并有可能创造出首个永久性生命形式，以此作为应对疾病和全球变暖的潜在手段。l该研究部分由美国能源部出资，希望藉此研制出新型环保燃料。由文特尔召集，诺贝尔医学奖获得者汉密尔顿史密斯领导的研究小组在这方面已经进行了5年研究。l文特尔已用化学药品在实验室中

12、研制出一种合成染色体。l文特尔研究小组研制出的这种新型染色体即实验室合成支原体(Mycoplasmalaboratorium)，是一种经过简化拼接的生殖支原体(Mycoplasmagenitalium)DNA序列，他们将这种合成支原体移植到活细胞中，使之在细胞中起主控作用，变换成一种新的染色体。l按照实验计划，最终这个染色体将控制这个细胞并变成一个新的生命形式。l这种新单细胞生物体被命名为“合成器”，受381个基因控制，包含56万个碱基对。这些基因是维持细菌生命所必备的，使它能够摄食和繁殖。由于新的生物体是在现存生物体上搭建，其繁殖和新陈代谢仍然依赖原来生物体的胞内机制。l从这一角度看，它并非

13、完全意义上的新型生命形式。但这种给特定基因赋予特定任务的观点已被众多生物学家广泛接受。l“这是人类自然科学史上一次重大进步，显示人类正在从阅读基因密码走向有能力重新编写密码，这将赋予科学家新的能力，从事以前从未做过的研究。”他希望这项突破有助于发展新能源，应对气候变化造成的负面影响。如创造出具有特殊功能的新微生物，可被用作替代石油和煤炭的绿色燃料，或用来帮助清除危险化学物质或辐射等；还可用来合成能吸收过多二氧化碳的细菌，为解决气候变暖贡献力量。l然而制造永久生命形式的前景极具争议性，有可能激起道德、伦理等方面的激烈辩论。l加拿大生物伦理学组织ETC团体主任帕特穆尼说，文特尔制造出了“一个基架，

14、在此基架上人们几乎可以制造出任何东西”，“它可以用于研究新型药物，也可以用于对人类产生巨大威胁的生物武器”。2009：Venter：Sciencel把蕈状支原体的基因组加以改造，使它能够终移植到山羊支原体内，形成了一个新的蕈状支原体细胞。l这也是今年这篇科研论文的雏形，在国外的科学媒体上曾经引发热烈的讨论。2010年的重要大事：“人造生命”诞生lJohnCraigVenter搅乱了(生命)科学界用化学合成的基因组构建一个细菌细胞Venter的实验http:/www.science- 8个由个由6060个核苷酸组成的个核苷酸组成的DNADNA片段，片段，首次人工合成实验老鼠的线粒体基因组首次人工

15、合成实验老鼠的线粒体基因组l使用8个只含有60个核苷酸的DNA片段，让它们同酶和化学试剂的混合物相结合，在50下孵化1小时，5天内合成出了实验鼠的线粒体基因组，得到的基因组能够纠正具有线粒体缺陷的细胞内的异常。用途：生物能源、生物除污lVenter下一步的计划就是合成某种海藻基因组，这种新型海藻可以通过光合作用把空气中的二氧化碳转化成汽油或者柴油等清洁能源，从而有效解决目前的气候变化和能源危机。l疫苗、药物、生物能源、生物除污等全全 球球 九九 大大 新新 兴兴 科科 技技 展展 望望 l合成生物学合成生物学l通用翻译通用翻译l纳米导线纳米导线l拜埃斯氏技术拜埃斯氏技术lT 射线射线l核糖核酸

16、干扰分子疗法核糖核酸干扰分子疗法l大电网的控制大电网的控制l微射流光纤微射流光纤l个人基因组学个人基因组学What is Synthetic Biology?synthetic biologyu合成生物学(syntheticbiology)一词最早出现于最早出现于1911 年7月8日著名医学刊物柳叶刀TheLancet.ReviewsandNoticesofBooks.TheLancet,1911.178(4584):97-99.发表的一篇书评中。u后来虽然断断续续出现过多次,但在1980年第一次以“基因外基因外科术科术:合成生物学的开始合成生物学的开始”为题出现在德文刊物的一篇长篇论文。Hobom,B.Genesurgery:onthethresholdofsyntheticbiology,MedizinischeKlinik,1980,75(24):834-841.u随着人类基因组计划的完成,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。合成生物学论文增长情况合成生物学的定义l加州大学伯克利分校(UCB)的化学工程教授Keasling说:合成合成生物学正在用生物学