合成生物學(xué)ppt課件(已修改)
2025-05-24 05:10 本頁(yè)面
【正文】 合成生物學(xué) Synthetic biology (概念、原理、應(yīng)用 ) 36億年前 ， 一個(gè)微小的生命細(xì)胞在地球的荒野中誕生 ， 它自我復(fù)制 ， 它的后代們繼續(xù)復(fù)制自我 ，就這樣 ， 隨著遺傳基因一代代變異 ， 延續(xù)數(shù)十億代 。今天 ， 每個(gè)生物體 ——每個(gè)人 、 植物 、 動(dòng)物和微生物 ——都能從第一個(gè)細(xì)胞找到自己的起源 。 迄今為止 ， 地球的生物大家族是我們?cè)谟钪姘l(fā)現(xiàn)的唯一存在的一種生命 。 生命 生物大家族中的新成員 不過現(xiàn)在 ， 將會(huì)有一些新成員加入到這個(gè)生物大家族 。 在過去這些年里 ， 科學(xué)家一直在嘗試從零開始制造全新的生命形式 ——用化學(xué)物質(zhì)造出合成ＤＮＡ （ 脫氧核糖核酸 ） ， 由ＤＮＡ合成 基因 ， 再由基因形成 基因組 ， 最終在實(shí)驗(yàn)室造出 全新生物體的分子系統(tǒng) ， 而這種生物體在自然界從未出現(xiàn)過 。 這些向“造物主”的壟斷地位發(fā)起挑戰(zhàn)的人包括 工程師、計(jì)算機(jī)學(xué)家、物理學(xué)家 和 化學(xué)家 。他們以有別于傳統(tǒng)生物學(xué)家的視角看待生命，并在 2022年開創(chuàng)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域 ——合成生物學(xué) 。 由 DNA重組 技術(shù)到合成生物學(xué) ? 理念：為細(xì)胞編寫“基因 軟件 ” 自然演化的有機(jī)體（即生物學(xué)家所謂的“生命 1． 0版本”）的 基因組 圖譜正在以前所未有的速度被繪制完成，而其中的遺傳密碼也將被逐漸解開。合成生物學(xué)家認(rèn)為，他們可以利用這些已知信息來(lái)設(shè)計(jì)、打造新生命形式。 在過去，遺傳工程一直拘囿于對(duì)已有的遺傳密碼進(jìn)行簡(jiǎn)單修補(bǔ)改造，比如從一種細(xì)菌中提取一個(gè)基因，然后植入玉米或豬的染色體。 而合成生物學(xué)所要打造的生命種類是全新的 ——它不是任何一個(gè)原始母細(xì)胞的后裔，也沒有哪個(gè)物種是它的祖先。其實(shí)在本質(zhì)上，這是一個(gè)逆自然的過程 。 合成生物學(xué) ? 如果說 1953年ＤＮＡ雙螺旋分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)讓分子生物學(xué)家意識(shí)到，基因與細(xì)胞的關(guān)系就像計(jì)算機(jī)的軟件和硬件，那么合成生物學(xué)正在做的就是 設(shè)計(jì)新“ 軟件 ”、開發(fā)新“硬件”。 生物資源研究的三個(gè)層次 物種資源基因資源 ① 1828年，德國(guó)化學(xué)家 Wohler人工合成了存在于生物體內(nèi)的一種有機(jī)物質(zhì) 尿素，從而打破了“生命”與“非生命”之間的 物質(zhì)壁壘 。 ② 1960，我國(guó)科學(xué)家首次合成了具有生物活性的蛋白質(zhì) 胰島素 。 ③ 當(dāng)人類進(jìn)入基因組和后基因組的二十一世紀(jì)的今天，科學(xué)家正在為人工合成生命而努力。有活性的 X174噬菌體 (5386個(gè)bp)和 脊髓灰質(zhì)炎 (7500個(gè) bp)已被科學(xué)家先后合成。 ④ Mycoplasma laboratorium ⑤ 人工生命 (以人工設(shè)計(jì)為主導(dǎo) ) 合成生物學(xué) DNA重組技術(shù) 物種生物學(xué) 轉(zhuǎn)基因生物 一億種 :140萬(wàn)種(占 % ) 人工合成脊髓灰白質(zhì)炎病毒 cDNA ? 美國(guó)紐約大學(xué) Wimmer 實(shí)驗(yàn)室于 2022年報(bào)道了化學(xué)合成 脊髓灰白質(zhì)炎病毒 cDNA，并用 RNA聚合酶將它轉(zhuǎn) 成有感染活力的病毒 RNA。 – 開辟了利用已知基因組序列，不需要天然模板，從化合物單體合成感染性病毒的先河。 ? Wimmer從裝配平均長(zhǎng)度為 69 bp的寡核苷酸入手，結(jié)合了化學(xué)合成與無(wú)細(xì)胞體系的從頭合成，用了 3 年時(shí)間完成了這個(gè)劃時(shí)代的工作。 Venter 實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了合成基因組 ? Φ X174 噬菌體基因是單鏈環(huán)狀 DNA，是歷史上第一個(gè)被純化的 DNA 分子，也是第一個(gè)被測(cè)序的 DNA分子。 ? Φ X 174 噬菌體對(duì)動(dòng)植物無(wú)害，是合適的合成研究對(duì)象。 ? 美國(guó) Venter 實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了合成基因組的工作， 該實(shí)驗(yàn)室只用兩周就合成了 Φ X174 噬菌體基因 (5,386bp) 。 ? Venter實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)改進(jìn)主要有： – (1)用凝膠來(lái)提純寡核苷酸以減少污染； – (2) 嚴(yán)格控制退火連接溫度來(lái)防止與不正確的序列發(fā)生連 接； – (3)采用聚合酶循環(huán)裝置來(lái)裝配連結(jié)產(chǎn)物。 合成生物學(xué)國(guó)際會(huì)議 ? 2022 年 6 月在美國(guó)麻省理工學(xué)院舉行了第一屆 合成生物學(xué)國(guó)際會(huì)議。 ? 會(huì)上除討論了科學(xué)與技術(shù)問 題外，還討論了合成生物學(xué)當(dāng)前與將來(lái)的生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，有關(guān)倫理學(xué)問題，以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。 ? 隨著這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)于合成生物學(xué)的安全性的考慮愈來(lái)愈多。 ? 現(xiàn)在不僅通過合成生成病毒，而且已經(jīng)可以合成細(xì)菌。 合成生物學(xué)開辟了設(shè)計(jì)生命的前景 ? 一方面有可能合成模仿生命物質(zhì)特點(diǎn)的人工化學(xué)系統(tǒng)；另一方面也可能重新設(shè)計(jì)微生物 – 如 Keasling 實(shí)驗(yàn)室向大腸桿菌中導(dǎo)入青蒿與酵母的基因，使大腸桿菌能在調(diào)節(jié)下合成青蒿素，從而顯示了有效而價(jià)廉的治療瘧疾的前景 – 合成生物學(xué)今后將能生成自然界不存在的新的微生物。 應(yīng)用示例 ? Schultz 實(shí)驗(yàn)室研究向大腸桿菌蛋白質(zhì)生物合成裝置中添入新組份，使之能通過基因生成非天然的氨基酸，結(jié)果取得了成功。但是要在真核細(xì)胞做到這一點(diǎn)還有難度。 ? 2022年， Schultz 實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了一種向酵母加 入非天然氨基酸密碼子的方法，成功地向蛋白質(zhì)中導(dǎo)入了 5 種氨基酸。 ? 目前，能摻入到蛋白質(zhì)的非天然氨基酸已有 80多種。 ? 今后將可以直接向蛋白質(zhì)導(dǎo)入順磁標(biāo)記、金屬結(jié)合、光敏異構(gòu)化等的氨基酸，促進(jìn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究。 應(yīng)用示例 ? Brenner 提出向細(xì)胞 DNA中摻入天然不存在的堿基來(lái)發(fā)展人工遺傳系統(tǒng) , 支持 人工生命形式 。 ? 合成生物學(xué)也將對(duì)生命起源，其他生命形式的研究作出貢獻(xiàn)。 控制生命 ? 目前，研究人員正在試圖控制細(xì)胞的行為，研制不同的基因線路 ———即特別設(shè)計(jì)的、相互影響的基因。 ? 波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師科林斯已研制出一種“套環(huán)開關(guān)”，所選擇的細(xì)胞功能可隨意開關(guān)。 ? 加州大學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路： – 當(dāng)某種特殊蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到有機(jī)振蕩器的作用，打開了利用生物分子進(jìn)行計(jì)算的大門。
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