【正文】 與之親緣關(guān)系較為緊密的另一細菌。 ? 維斯另一項大膽的計劃是為成年干細胞編程 – 促進某些干細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或軟骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產(chǎn)出合成膝關(guān)節(jié)。 發(fā)展方向 ? 維斯目前正在研究另外一群稱為“規(guī)則系統(tǒng)”的基因，他希望細菌能估計刺激物的距離，并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)。 ? 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，細胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到有機振蕩器的作用，打開了利用生物分子進行計算的大門。 控制生命 ? 目前，研究人員正在試圖控制細胞的行為，研制不同的基因線路 ———即特別設(shè)計的、相互影響的基因。 應(yīng)用示例 ? Brenner 提出向細胞 DNA中摻入天然不存在的堿基來發(fā)展人工遺傳系統(tǒng) , 支持 人工生命形式 。 ? 目前，能摻入到蛋白質(zhì)的非天然氨基酸已有 80多種。但是要在真核細胞做到這一點還有難度。 合成生物學(xué)開辟了設(shè)計生命的前景 ? 一方面有可能合成模仿生命物質(zhì)特點的人工化學(xué)系統(tǒng)；另一方面也可能重新設(shè)計微生物 –如 Keasling 實驗室向大腸桿菌中導(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。 ? 隨著這個領(lǐng)域的發(fā)展，對于合成生物學(xué)的安全性的考慮愈來愈多。 合成生物學(xué)國際會議 ? 2023 年 6 月在美國麻省理工學(xué)院舉行了第一屆 合成生物學(xué)國際會議。 ? 美國 Venter 實驗室發(fā)展了合成基因組的工作， 該實驗室只用兩周就合成了 Φ X174 噬菌體基因 (5,386bp) 。 Venter 實驗室發(fā)展了合成基因組 ? Φ X174 噬菌體基因是單鏈環(huán)狀 DNA，是歷史上第一個被純化的 DNA 分子，也是第一個被測序的 DNA分子。 –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。 –再如向網(wǎng)絡(luò)加入人體細胞，可以制成用于器官移植的完整器官。合成生物學(xué) Synthetic biology (概念、原理、應(yīng)用 ) 張成崗 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所 人工染色體 (技術(shù) ) 1. BAC(細菌人工染色體 )： Bacteria… ? 以細菌作為對象，將 DNA片段與質(zhì)粒重組后轉(zhuǎn)入細菌中繁殖 2. YAC(酵母人工染色體 )： Yeast… ? 以酵母作為對象 3. PAC(噬菌體人工染色體 )： Phagemid… ? 以噬菌體作為對象 4. TAC(可轉(zhuǎn)化的細菌人工染色體 ) 5. MAC(哺乳類人工染色體 ) 6. … 合成生物學(xué)應(yīng)運而生 … Synthetic Biology What is Synthetic Biology? ? Taking an engineering approach to design and applying it to Biology ? 使用工程策略設(shè)計并應(yīng)用于生物學(xué) What is Synthetic Biology? 1. Biology 2. Chemistry 3. Engineering 4. ReWriting Biologists Chemists Engineers “ReWriters” “ The code is billion years old. It’s time for a rewrite.” Tom Knight Biology “Test models by building them” 合成生物學(xué) ? 指人們將“基因”連接成網(wǎng)絡(luò)，讓細胞來完成設(shè)計人員設(shè)想的各種任務(wù)。 –例如把網(wǎng)絡(luò)同簡單的細胞相結(jié)合，可提高生物傳感性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。 人工合成脊髓灰白質(zhì)炎病毒 cDNA ? 美國紐約大學(xué) Wimmer 實驗室于 2023年報道了化學(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。 ? Wimmer從裝配平均長度為 69 bp的寡核苷酸入手，結(jié)合了化學(xué)合成與無細胞體系的從頭合成，用了 3 年時間完成了這個劃時代的工作。 ? Φ X 174 噬菌體對動植物無害，是合適的合成研究對象。 ? Venter實驗室的技術(shù)改進主要有： – (1)用凝膠來提純寡核苷酸以減少污染； – (2) 嚴(yán)格控制退火連接溫度來防止與不正確的序列發(fā)生連 接； – (3)采用聚合酶循環(huán)裝置來裝配連結(jié)產(chǎn)物。 ? 會上除討論了科學(xué)與技術(shù)問 題外，還討論了合成生物學(xué)當(dāng)前與將來的生物學(xué)風(fēng)險，有關(guān)倫理學(xué)問題，以及知識產(chǎn)權(quán)問題。 ? 現(xiàn)在不僅通過合成生成病毒，而且已經(jīng)可以合成細菌。 應(yīng)用示例 ? Schultz 實驗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。 ? 2023年， Schultz 實驗室報道了一種向酵母加 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。 ? 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，促進蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究。 ? 合成生物學(xué)也將對生命起源，其他生命形式的研究作出貢獻。 ? 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)”，所選擇的細胞功能可隨意開關(guān)。 ? 維斯和加州理工學(xué)院化學(xué)工程師阿諾爾一起，采用“定向進化”的方法，精細調(diào)整研制線路，將基因網(wǎng)絡(luò)插入細胞內(nèi)，有選擇性地促進細胞生長。 – 該項研究可用來探測地雷位置 (TNT：生物傳感器 )。 ? 盡管該工作尚處初級階段，但卻是生物學(xué)調(diào)控領(lǐng)域中重要的進展。這種由 J. Craig Venter 進行的 “移植 (transplantation)‖技術(shù)，有望將合成基因組插入細胞，用于生產(chǎn)合成生命。文特爾宣布，他的研究小組已經(jīng)合成出人類歷史上首個人造染色體，并有可能創(chuàng)造出首個永久性生命形式，以此作為應(yīng)對疾病和全球變暖的潛在手段。由文特爾召集，諾貝爾醫(yī)學(xué)獎獲得者漢密爾頓 ? 文特爾已用化學(xué)藥品在實驗室中研制出一種合成染色體。 ? 按照實驗計劃，最終這個染色體將控制這個細胞并變成一個新的生命形式。這些基因是維持細菌生命所必備的，使它能夠攝食和繁殖。 ? 從這一角度看，它并非完全意義上的新型生命形式。 ? “這是人類自然科學(xué)史上一次重大進步，顯示人類正在從閱讀基因密碼走向有能力重新編寫密碼，這將賦予科學(xué)家新的能力，從事以前從未做過的研究。如創(chuàng)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綠色燃料，或用來幫助清除危險化學(xué)物質(zhì)或輻射等；還可用來合成能吸收過多二氧化碳的細菌，為解決氣候變暖貢獻力量。 ? 加拿大生物倫理學(xué)組織 ETC團體主任帕特 2023： Venter： Science ? 把蕈狀支原體的基因組加以改造，使它能夠終移植到山羊支原體內(nèi)，形成了一個新的蕈狀支原體細胞。 2023年的重要大事： “人造生命”誕生 ? John Craig Venter攪亂了 (生命 )科學(xué)界 《 用化學(xué)合成的基因組構(gòu)建一個細菌細胞 》 ? 實驗對象：蕈狀支原體。 – 是一種原核微生物 , 內(nèi)部結(jié)構(gòu)很簡單，基因組僅有一百多萬堿基對，遠小于真核生物基因組十億級的堿基數(shù)量，這也是 Venter選擇操作它的原因。 ? 在 2023年， Venter的團隊合成了長達 59萬堿基對的生殖支原體基因組。 – 如果僅僅從技術(shù)上來說， Venter做了一個無懈可擊的實驗，“人造生命”思路和流程都做得無懈可擊。 – 通過實驗確定維持其生命周期的最小基因組，并加上 4個“水印基因”作為標(biāo)記。 – 這是它被稱為“人造生命”或者“化學(xué)合成”的關(guān)鍵。 ? 組裝： – 因為合成生物學(xué)技術(shù)上的局限，不能直接合成上萬堿基對的 DNA大分子，所以 Venter等人巧妙地借助啤酒酵母和大腸桿菌的幫助，把 1Kb的 DNA分子有序準(zhǔn)確的連成超過 1000kb的片段。 Venter：“創(chuàng)造了一個計算機為父母的生命” JCVI：將 8個由 60個核苷酸組成的 DNA片段， 首次人工合成實驗老鼠的線粒體基因組 ? 使用 8個只含有 60個核苷酸的 DNA片段，讓它們同酶和化學(xué)試劑的混合物相結(jié)合，在50℃ 下孵化 1小時， 5天內(nèi)合成出了實驗鼠的線粒體基因組，得到的基因組能夠糾正具有線粒體缺陷的細胞內(nèi)的異常。 ? 疫苗、藥物、生物能源、生物除污等 What is Synthetic Biology? ——從原理角度來看 Synthetic Biology Undergraduates in Synthetic Bio. international Geically Engineered Machines Lego Assembly for DNA Parts Selfanized Pattern Formation What can you make in SB? Arsenic Detector 膿毒癥 砷 Lecture overview ? What we’ve talked about so far – The study of biological systems, from ponents and interactions to dynamics ? Overview – Our understanding of systems is plete when we can design our own – DNA synthesis technologies Modifying life ? Biotechnology – Techniques that use living anisms or parts of anisms to produce a variety of products (from medicines to industrial enzymes) ? Geic Engineering – Introduction of geic changes (add, modify, delete) into an anism to achieve some goal ? Synthetic Biology – Create novel biological functions and tools by modifying or integrating wellcharacterized biological ponents (. genes, promoters) into higher order geic works Synthetic Biology History ? 1970 – First gene synthesized from scratch (alanine tRNA) ? 1978 – Nobel prize awarded to Werner Arber, Daniel Nathans and Hamilton Smith for the discovery of restriction enzymes ? 1978 (Boyer at UCSF) – A synthetic version of the human insulin gene was constructed and inserted into the bacterium E. coli. ? 1980 – Kary Mullis invents PCR ? 1991 – Affymetrix chipbased oligonucleotide synthesis ? 2023 – First iGEM petition, creation of standardized parts libraries at MIT Biotechnology Research Workflow 1. Concept 2. Collect DNA fragments (PCR, isolation, vendors, etc) 6. Transform 7. Test 3. Bench work 5. Verify DNA 4. Sequence DNA synthesis costs are dropping ? For example the bacteria Mycoplasma genitalium has the smallest genome out of all living cells: 517 genes over 580 kb. ? Minimal costs of oligo creation (not including errorchecking): – Mid 1990s: $1/bp = $580,000 – Circa 2023: $$203,000 – 2023: $$63,80