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合成生物学研究与进展1.ppt

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合成生物学,,合成生物学研究与进展,一、合成生物学的定义,合成生物学网站是这样介绍的:合成生物学包括两重意义 a、新的生物部件(part)、装置(device)和系 统(system)的设计与构建 。 b、对现有的天然存在的生物系统的重新设计以 造福人类社会。,(http://syntheticbiology.org/),合成生物学(synthetic biology),一、合成生物学的定义 二、合成生物学的产生 三、合成生物学的研究内容 四、合成生物学的研究方法 五、合成生物系统的设计 六、合成生物学的应用领域 七、合成生物学在藻类中的应用 八、研究意义及思考 九、自己的想法,1. 合成生物学一词最早出现在1911年The Lancet 杂志。 2. 2003年HGP (Human Genome Project )。 3. 2004年美国MIT出版的《Technology Review》把 合成生物学选为将改变世界的十大技术之一。 4. 2009年12月《自然·生物技术》出版了“Focus on Synthetic Biology”的合成生物学专辑。 5. 2011年1月《自然》杂志预测的2011年13件重要 发现及事件中包括合成生物学。,二、合成生物学(synthetic biology)的产生,合成生物学发生与发展的学科基础,2000-2010年合成生物学论文及专利发表情况(Scopus 数据库),三、合成生物学的研究内容,1、生物大分子的合成与模块化2、生物基因组的合成、简化与重构3、合成代谢网络4、遗传/基因线路的设计与构建5、细胞群体系统及多细胞系统研究6、数学模拟和功能预测,1、生物大分子的合成与模块化,标准化生物大分子的研制和开发蛋白质的工程化改造与模块化核酸分子的人工合成——DNA的从头合成,2、生物基因组的合成、简化与重构,人工合成生物全基因组生物基因组的简化与重构:必需基因、最小基因组,( Gibson, et al. Science, 2010 ),首个具有人造DNA的活细胞,必需基因,必需基因(essential genes)是指在一定环境条件下,维持某种生物体的生命活动所必不可少的基因。这些基因所编码蛋白质的功能被认为是生命的基础,去除一个必需基因将使生物体无法继续存活。,目前用于必需基因研究的实验方法主要有: 转座子突变技术(transposon mutagenesis)、 RNA干扰技术(RNA interference)和T-DNA插入(T-DNA insertion)。,(http://tubic.tju.edu.cn/deg/),在真核与原核生物中已经确定的必需基因,最小基因组研究,一个能独立生活的生物体最少需要多少个基因。目前研究最小基因组的手段主要是插入基因突变分析。意义:人们有可能通过遗传工程构建一个由最少基因组成的生命体,有助于揭示生命起源、 生物进化和生物代谢调控,使人类对生命有更加深入的理解。,最小基因集合的下限由现代细胞的主要特点决定,即要求具有一系列复杂的功能系统,包括翻译、转录、复制、细胞膜输运以及能量转换等完整组件。,( Alberts B, et al. Garland Science. 2002),3、合成代谢网络,目前合成代谢网络主要是利用转录和翻译控制单元调控酶的表达或分解代谢,合成代谢网络的设计还要考虑细胞的自然生长和进化过程对于网络参数稳定性的影响。,4、遗传/基因线路的设计与构建,遗传线路俗称基因线路,在合成生物学中,是由各种调节原件和被调节的基因组合成的遗传装置,可以在给定的条件下可调、可定时定量地表达基因产物。主要包括基因开关(gene switching )、逻辑门(logic gate)、基因振荡器(Genetic oscillators)等。,5、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、信号交流等。,6、数学模拟和功能预测,利用计算机模型的辅助,通过各种数学工具模拟系统动力学特性和网络连通性,提供系统变量的描述等,可以为实验提供预测信息,指导实验的优化,降低实验成本。,(1)自上而下法:人们利用合成生物学对现有生物或基因序列进行重新设计,以去掉不必要的零件,或取代或添加特定的零件。,四、合成生物学的研究方法,(2)自下而上法:人们利用非生命组分作为原材料来构建生命系统。与自上而下法相比,采用该方法开展研究的时间较短,工作挑战性非常大。,JCVI用合成生物学技术构建合成细胞的流程图,五、合成生物系统的设计(模块化与层次化),1.模块化(Modularity)模块:将具有标准接口、功能相对独立的生物大分子、信号转导路径、基因线路等称为模块。特点:接口、功能、逻辑、状态模块设计的要求:信息隐藏、内聚-耦合、封闭性-开放性。,2.生物系统的层次化(Hierarchical),Part:具有一定功能的DNA序列组成最简单的BioBrick称为部件。Device:具有一定的生物学功能,并且能够为外源物质所控制的一串DNA序列。System:不同功能的Device协同运作组成更加复杂的生物系统。含有多种不同功能System的生物体彼此通讯相互协调组成更复杂些的多细胞或细胞群体生物系统。,六、合成生物学的应用领域,1.生物医药,如青蒿素、紫杉醇等。2.生物能源,生物柴油、乙醇等。3.环境方面,环境友好型材料等。4.新型材料,工业产生的蛋白质等。,微生物生产青蒿素的过程,(Hiroko Tsuruta1, et al. PLoS ONE. 2009),UCLA的化学与生物分子工程学教授James 借鉴了合成生物学的的研究策略,发现了一项新的研究结果。他们将细菌和植物中燃烧脂肪的途径植入老鼠的体内。这种改变能使动物将脂肪转化成二氧化碳,并且在食用同样的快餐食谱的情况下保持苗条。,(Jason T. Dean, et al. Cell. 2009),合成生物学——生物燃料,(Make green, nature biotechnology. 2009),八、研究意义及思考,意义:1.加速合成生物学系统工程化的进展,致力于工程化自组装细胞装置,制作崭新的分子和生物系统,推进疾病诊断、药物学、基因编码功能及生命起源等方面的研究。2.验证和深化对于生命现象的理解。 思考: 道德伦理方面,生物安全方面,生物武器,还有一些未知问题。,与合成生物学相关的主要网站,http://syntheticbiology.org/http://biobricks.org/http://partsregistry.org/Main_Pagehttp://synbio.tju.edu.cn/portal/index.htmlhttp://www.syntheticgenomics.com/http://www.etcgroup.org/,iGEM国际遗传工程的机器设计竞赛 (International Genetically Engineered Machine Competition ),国际遗传工程的机器设计竞赛始于2005年,每年由麻省理工学院主办,是合成生物学领域的国际性学术竞赛。每支队伍尝试使用标准化后的生物模块元件库,利用标准化的基因工程方法,以特定目的拼装人工生物系统,并进行操纵和测量。,( http://parts.mit.edu/wiki/index.php/Main_Page ),( http://partsregistry.org/Main_Page ),发表合成生物学较多的刊物及新创刊的刊物,PNASNatureScienceMSB,谢谢!,
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