合成生物学 (1).ppt

1、合成生物学,北京化工大学生命科学与技术学院主讲人：袁其朋,思考,应用研究,合成生物学简介,研究基础,Science,1911,33卷，两篇文章中出现“Synthetic Biology”1980年，基因外科术：合成生物学的开始，出现在德文杂志上。2000年后，合成生物学一词开始大量被使用。2004年，合成生物学技术被美国MIT出版的Technology Review评为将改变世界的10大新技术之一。,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。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。,特点：模块化标准化系统化,特定

2、的输入，精确而特定的输出,目标：改造现有生物系统，增添新功能；创造人工生命系统,OECD预测：至2030年，将有35%的化学品和其它工业产品来自生物制造,工业39%,农业36%,医药25%,2030年：生物技术的经济贡献与环境效益,生物制造已显示出巨大潜力,BCC发布数据：40个国家开始规划合成生物学蓝图。在美国之后，英国、欧盟国家、加拿大、中国、日本、韩国等国家开始大量投入对合成生物学的支持。,美国 2012年4 月，发布国家生物经济蓝图，指出未来的生物经济将依赖于合成生物学、蛋白组学和生物信息学等前沿技术。提出五大战略目标 欧盟 2010认清合成生物学在欧洲发展的潜力：科学机遇和良好的管理

3、英国 2012年7月发布了合成生物学路线图，指出了英国在发展世界领先的合成生物学研究的目标和潜力。,合成生物学：为工业生物技术产业提供了新思路与新技术,BCC的一项评估中指出，全球合成生物学的市场将从2011年的16亿美元增至2016年的108亿美元。,James C Liao,UCLA，化学与生物分子工程学教授,研究领域：能源及化学品的生物合成代谢工程及系统生物学转录及代谢网络分析脂肪酸生物合成,多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、PNAS、JACS、Metabolic Engineering等杂志上,基于合成生物学原理，Liao领导的课题组利用光能、水和CO2、蛋

4、白水解物等清洁能源或废弃物，通过微生物作用，生产丁醇、丙醇、脂肪酸等生物能源。,Jay D Keasling,UC,Berkeley.化学工程系，教授,研究领域：天然产物的生物合成代谢工程及系统生物学生物燃料的生物合成微生物生理学,多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、PNAS、JACS、Metabolic Engineering等杂志上,由于在生物合成抗疟疾药物的突出成就，被美国“发现”杂志评选为2006年度最有影响的科学家，该项目也获得Gates基金会4300万美元的资助。目前青蒿酸产量达到25g/L，为工业微生物学奠定基础。,Jaff Hasty,UC,San D

5、iego.化学工程系，教授,研究领域：合成生物学系统生物学细胞信号转导微流体设计,多篇文章发表在Science、Nature、Nature子刊、PNAS、ACS、Molecular Cell 等杂志上,基因钟、生物霓虹灯、代谢震荡器三个突破性研究发现为传统的合成生物学研究注入了新的活力为合成生物学的工业化大规模应用奠定了基础,4.人工细胞,5.菌群、群落,1.基本基因结构单元,2.特定标准化模块,3.逻辑拓扑结构信息转化,合成生物学基本零部件,新途径、新模块构建竞争性、非必要支路敲除,基因水平拷贝数（高低）转录水平启动子（强弱型，敏感型）翻译水平核糖体结合位点（强弱）,融合蛋白支架蛋白,模块构

6、建、最小化基因组,模块适配性研究,表达系统改造,模块构建,-胡萝卜素异源合成途径涉及MEP模块、-胡萝卜素合成模块、PPP模块、TCA循环模块及ATP合成模块。大肠杆菌中产量高达2.1g/L,Jing Zhao,Xueli Zhang,et al.Metabolic Engineering,2013(17):4250.,竞争性支路敲除,醋酸合成途径的敲除，使目标产物2,3-丁二醇产量由3g/L提高至10g/L。减少不必要的基因，达到最小化基因组的目的,XiaolinShen,Qipeng Yuan,et al.Journal of Industrial Microbiology&Biotech

7、nology.2012,39(11),1725-1729.,基因水平适配性的研究,不同拷贝数的模块相互组合达到最佳生产模式。,Peng Xu,Mattheos A.G.Koffas,et al.Nature Communications.DOI:10.1038/ncomms2425,转录水平适配性的研究,使用甲硫氨酸阻抑型启动子，抑制ERG9表达。紫穗槐产量：4.4mg/L到153mg/L,压力响应型启动子实现基因时序性表达,Dae-Kyun Ro,Jay D Keasling,et al.Nature,2006(4):940-943.Robert H Dahl,Jay D Keasling,

8、et al.Nature biotechnology,2013:1039-1048.,翻译水平适配性的研究,选择不同的RBS序列，脂肪酸产量提高了46%,Peng Xu,Mattheos A.G.Koffas,et al.Nature Communications.DOI:10.1038/ncomms2425,融合蛋白,1、一些分子数小的多肽基因常采用融合的方法与某一基因相连，以增加在体内表达后产物的稳定性。2、两个分子串连融合以提高效率。3、与分泌性蛋白的信号肽基因组成融合基因，以使表达产物分泌到膜外或胞外。,各种融合蛋白的组合初始产量为0最终达到365mg/L,Yongjin J.Zong

9、bao Zhao,et al.Journal of the American Chemical Society,2012(1):32343241.,支架蛋白,信号转导系统存在一种本身不具备酶活性的蛋白质支架蛋白，其作用类似分子胶水，将功能相关的蛋白粘合在一起，从而保证了信号传递的特异性和高效性。,甲羟戊酸产量提高77倍,John E Dueber,Jay D Keasling,et al.Nature Biotechnology,2009(8):753-761.,双质粒共转化酿酒酵母（EBY100）,25个基因,纤维素乙醇的生物合成,纤维素利用,降解为单糖？,直接利用生产乙醇？,磷酸膨胀纤维素

10、,磷酸膨胀纤维素,重组EBY100,原始EBY100,第一次实现酿酒酵母的双支架表面展示技术,首次实现重组酿酒酵母对结晶纤维素的降解,Lihai Fan,Tianwei Tan,et al.PNAS2012,109(33):13260-13265,纤维素乙醇的生物合成,酵母生产乙醇达1412mg/L,4-羟基香豆素的生物合成,香豆素（coumarin）强大的HIV-1逆转录酶抑制剂，FDA已经批准进入三期临床，4-羟基香豆素是重要的抗凝血药物前体。,10个外源基因，首次成功人工合成4-羟基香豆素,首次利用功能学的生物勘探技术得到FabH型喹啉铜合成酶，消除生物合成的瓶颈。,4-羟基香豆素的生物

11、合成,改造外源基因、调节上下游模块表达、敲除竞争代谢支路4-羟基香豆素的摇瓶产量达到480mg/L。,Yunheng Lin Qipeng Yuan,et al.Nature Communications2013,DOI:10.1038/ncomms3603.,粘糠酸的生物合成,Xinxiao Sun,Qipeng Yuan.AEM2013,79(13):4024-4030,设计2条全新的粘糠酸生物合成途径,粘糠酸摇瓶产量为389 mg/L,对关键酶的大量同工外源酶进行了筛选获得活性最高的两个酶-paantABC 和ppcatA,粘糠酸的生物合成,通过弱化冗余基因的手段，将一株苯丙氨酸高产菌改

12、造成水杨酸高产菌。水杨酸摇瓶产量可达1179.92 mg/L,超过了其最小抑菌浓度,粘糠酸的生物合成,将代谢途径分成3个模块，优化了粘糠酸的生产，最高产量可达1.5g/L。,Xinxiao Sun,Qipeng Yuan.Metabolic engineering2014,23:62-69,C 大宗化学品的生物合成途径，包括待设计的未知途径，可用于构建目标产物的合成模块。,A,B,C,B大宗化学品的生物合成途径,A精细化学品的生物合成途径,人类=造物主？道德伦理、生物环境生物武器、专利与垄断,重点掌握：合成生物学的研究内容及特点合成生物学的研究思路及方法,思考：合成生物学的研究方向人类与合成生物学的关系,谢谢！,