合成生物学PPT课件.ppt

1、合成生物学合成生物学(Synthetic biology)(概念、原理、应用概念、原理、应用)马飞马飞人工染色体人工染色体(技术技术)1.BAC(细菌人工染色体细菌人工染色体)：Bacteria以细菌作为对象，将以细菌作为对象，将DNA片段与质粒重组后转入细菌中片段与质粒重组后转入细菌中繁殖繁殖2.YAC(酵母人工染色体酵母人工染色体)：Yeast以酵母作为对象以酵母作为对象3.PAC(噬菌体人工染色体噬菌体人工染色体)：Phagemid以噬菌体作为对象以噬菌体作为对象4.TAC(可转化的细菌人工染色体可转化的细菌人工染色体)5.MAC(哺乳类人工染色体哺乳类人工染色体)6.合成生物学应运而生

2、合成生物学应运而生Synthetic BiologyWhat is Synthetic Biology?Taking an engineering approach to design and applying it to Biology使用工程策略设计并应用于生物学使用工程策略设计并应用于生物学What is Synthetic Biology?1.Biology2.Chemistry3.Engineering4.Re-WritingBiologistsChemistsEngineers“Re-Writers”“The code is 3.6 billion years old.Its ti

3、me for a re-write.”-Tom KnightBiology“Test models by building them”合成生物学合成生物学指人们将指人们将“基因基因”连接成网络，让细胞来连接成网络，让细胞来完成设计人员设想的各种任务。完成设计人员设想的各种任务。例如把网络同简单的细胞相结合，可提高生物例如把网络同简单的细胞相结合，可提高生物传感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的传感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置。位置。再如向网络加入人体细胞，可以制成用于器官再如向网络加入人体细胞，可以制成用于器官移植的完整器官。移植的完整器官。人工合成脊髓灰白质炎病毒人工合成脊髓灰

4、白质炎病毒cDNA美国纽约大学美国纽约大学Wimmer 实验室于实验室于2002年报道了化年报道了化学合成学合成 脊髓灰白质炎病毒脊髓灰白质炎病毒cDNA，并用，并用RNA聚合聚合酶将它转酶将它转 成有感染活力的病毒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，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。从化合物单体合成感染性病毒的先河。Wimmer从装配平均长度为从装配平均长度为69 bp的寡核苷酸入手，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。年

5、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实验室发展了合成基因组 X-174 噬菌体基因是单链环状噬菌体基因是单链环状 DNA，是历史上第一个被纯，是历史上第一个被纯化的化的DNA 分子，也是第一个被测序的分子，也是第一个被测序的DNA分子。分子。X-174 噬菌体对动植物无害，是合适的合成研究对象。噬菌体对动植物无害，是合适的合成研究对象。美国美国Venter 实验室发展了合成基因组的工作，实验室发展了合成基因组的工作，该实验室只用该实验室只用两周就合成了两周就合成了 X-174 噬菌体基因噬菌体基因(5,386bp)。Venter实验室的技术改进主要有：实验室的技术改

6、进主要有：(1)用凝胶来提纯寡核苷酸以减少污染；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严格控制退火连接温度来防止与不正确的序列发生连 接；接；(3)采用聚合酶循环装置来装配连结产物。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合成生物学国际会议2004 年年6 月在美国麻省理工学院举行了第一届月在美国麻省理工学院举行了第一届 合成生物学合成生物学国际会议。国际会议。会上除讨论了科学与技术问会上除讨论了科学与技术问 题外，还讨论了合成生物学当题外，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，以及知识产权前与将来的生物学风险，有关

7、伦理学问题，以及知识产权问题。问题。随着这个领域的发展，对于合成生物学的安全性的考虑愈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。来愈多。现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。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合成生物学开辟了设计生命的前景一方面有可能合成模仿生命物质特点的人工化学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系统；另一方面也可能重新设计微生物如如Keasling 实验室向大肠杆菌中导入青蒿与酵母的基因，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

8、示了有效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。合成生物学今后将能生成自然界不存在的新的微生物。应用示例应用示例Schultz 实验室研究向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添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。得了成功。但是要在真核细胞做到这一点还有难度。2003年，年，Schultz 实验室报道了一种向酵母加实验室报道了一种向酵母加 入非天然氨入非天

9、然氨基酸密码子的方法，成功地向蛋白质中导入了基酸密码子的方法，成功地向蛋白质中导入了5 种氨基酸。种氨基酸。目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已有目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已有80多种。多种。今后将可以直接向蛋白质导入顺磁标记、金属结合、光敏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。异构化等的氨基酸，促进蛋白质结构与功能的研究。应用示例应用示例Brenner 提出向细胞提出向细胞DNA中掺入天然不存在中掺入天然不存在的碱基来发展人工遗传系统的碱基来发展人工遗传系统,支持支持人工生人工生命形式命形式。合成生物学也将对生命起源，其他生命

10、形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。式的研究作出贡献。控制生命控制生命目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，研制不同的基目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，研制不同的基因线路因线路即特别设计的、相互影响的基因。即特别设计的、相互影响的基因。波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种“套环开套环开关关”，所选择的细胞功能可随意开关。所选择的细胞功能可随意开关。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：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当某

11、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。行计算的大门。维斯和加州理工学院化学工程师阿诺尔一维斯和加州理工学院化学工程师阿诺尔一起，采用起，采用“定向进化定向进化”的方法，精细调整的方法，精细调整研制线路，将基因网络插入细胞内，有选研制线路，将基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。择性地促进细胞生长。发展方向发展方向维斯目前正在研究另外一群称为维斯目前正在研究另外一群称为“规则系统规则系统”的的基因，他希望细菌能估计刺激物的距离，并根据基因，他希望细菌能

12、估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。距离的改变做出反应。该项研究可用来探测地雷位置该项研究可用来探测地雷位置(TNT：生物传感器：生物传感器)。维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程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。等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领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。域中重要的进展。J.Craig Venter：基因组替换：基因组替换成功利用基因组取代技

13、术，将一种细菌改变为另一种与之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。这种由亲缘关系较为紧密的另一细菌。这种由J.Craig Venter 进进行的行的“移植移植(transplantation)”技术，有望将合成基因组插技术，有望将合成基因组插入细胞，用于生产合成生命。入细胞，用于生产合成生命。用用Mycoplasma mycoides的基因组取代与之关系密切的的基因组取代与之关系密切的 Mycoplasma capricolum的基因组的基因组C.Lartigue et al.Genome transplantation in bacteria:Cha

14、nging one species to another Science,June 28,2007.人类历史上第一个人造染色体合成成功人类历史上第一个人造染色体合成成功美科学家称美科学家称“人造生命人造生命”技术已被掌握技术已被掌握最具争议的美国著名科学家克雷格最具争议的美国著名科学家克雷格文特尔宣布，他的研文特尔宣布，他的研究小组已经合成出究小组已经合成出人类历史上首个人造染色体人类历史上首个人造染色体，并有可能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。暖的潜在手段。该研究部分由美国能源部出资，希望藉此研制出新型

15、环保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燃料。由文特尔召集，诺贝尔医学奖获得者汉密尔顿史史密斯领导的研究小组在这方面已经进行了密斯领导的研究小组在这方面已经进行了5年研究。年研究。文特尔已用化学药品在实验室中研制出一种合成染色体。文特尔已用化学药品在实验室中研制出一种合成染色体。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(Mycoplasma laboratorium)，是一种经过简化拼接的生殖支原体，是一种经过简化拼接的生殖支原体(Mycoplasma genital

16、ium)DNA序列，他们将这种合成支原体移植到活序列，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。细胞中，使之在细胞中起主控作用，变换成一种新的染色体。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。形式。这种新单细胞生物体被命名为这种新单细胞生物体被命名为“合成器合成器”，受，受381个基因控制，包含个基因控制，包含56万个碱基对万个碱基对。这些基因是维持细菌生命所必备的，使它能够摄食和。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

17、繁殖和新陈代谢仍繁殖。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。然依赖原来生物体的胞内机制。从这一角度看，它并非完全意义上的新型生命形式。但这种给特定基从这一角度看，它并非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。因赋予特定任务的观点已被众多生物学家广泛接受。“这是人类自然科学史上一次重大进步，显示人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，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这将赋予科学家新的能力，从事以前从未做过的研

18、究。研究。”他希望这项突破他希望这项突破有助于发展新能源，应对气候变化造有助于发展新能源，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，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二氧化碳的细菌，为解决气候变暖贡献力量。然而制造永久生命形式的前景极具争议性，有可然而制造永久生命形式的前景极具争议性，有可能能激起道德、伦理激起道德、伦理等方面的激烈辩论。等方面的

19、激烈辩论。加拿大生物伦理学组织加拿大生物伦理学组织ETC团体主任帕特团体主任帕特穆尼说，穆尼说，文特尔制造出了文特尔制造出了“一个基架，在此基架上人们几一个基架，在此基架上人们几乎可以制造出任何东西乎可以制造出任何东西”，“它可以用于研究新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型药物，也可以用于对人类产生巨大威胁的生物武器武器”。2009：Venter：Science把蕈状支原体的基因组加以改造，使它能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。的蕈状支原体细胞。这也是今年这篇科研论文的雏形，

20、在国外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。的科学媒体上曾经引发热烈的讨论。2010年的重要大事：年的重要大事：“人造生命人造生命”诞生诞生John Craig Venter搅乱了搅乱了(生命生命)科学界科学界用化学合成的基因组构建一个细菌细胞用化学合成的基因组构建一个细菌细胞Venter的实验的实验http:/www.science- is Synthetic Biology?从原理角度来看从原理角度来看Synthetic BiologyUndergraduates in Synthetic Bio.international Genetically Engin

21、eered Machineshttp:/parts.mit.edu/registry/index.php/Main_PageLego Assembly for DNA Partshttp:/parts.mit.edu/registry/index.php/Assembly:Standard_assemblySelf-organized Pattern FormationWhat can you make in SB?Arsenic Detector脓毒症砷Modifying lifeBiotechnology Techniques that use living organisms or pa

22、rts of organisms to produce a variety of products(from medicines to industrial enzymes)Genetic Engineering Introduction of genetic changes(add,modify,delete)into an organism to achieve some goalSynthetic Biology Create novel biological functions and tools by modifying or integrating well-characteriz

23、ed biological components(i.e.genes,promoters)into higher order genetic networks Synthetic Biology History1970 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 synt

24、hetic version of the human insulin gene was constructed and inserted into the bacterium E.coli.1980 Kary Mullis invents PCR1991 Affymetrix chip-based oligonucleotide synthesis2003 First iGEM competition,creation of standardized parts libraries at MITBiotechnology 1.0 Research Workflow1.Concept2.Coll

25、ect DNA fragments(PCR,isolation,vendors,etc)6.Transform7.Test3.Bench work5.Verify DNA4.SequenceDNA synthesis costs are droppingFor 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 error-chec

26、king):Mid 1990s:$1/bp=$580,000Circa 2000:$0.35/bp=$203,0002006:$0.11/bp=$63,800Ambitious prediction of not-too-distant future(Church et al,2004):$0.00005/bp=$29Synthesis lengths are increasingCommercial DNA Synthesis CompaniesData Source:Rob Carlson,U of W,SeattleBioneerSouth KoreaCinnagenTehran,Ira

27、nTakara BiosciencesDalian,ChinaInqaba BiotecPretoria,South AfricaFermentasVilnius,LithuaniaBio S&T,Alpha DNA,BiocorpMontreal,CanadaGENEARTRegensberg,GermanyMWGBangalore,IndiaZelinsky InstituteMoscow,RussiaScinoPharmShan-hua,TaiwanGenosphereParis,FranceBiolegioMalden,NetherlandsAmbionAustin,TexasBios

28、earchNovato,CaliforniaBio-SynthesisLewisville,TexasChemgenesWilmington,Mass.BioSpringFrankfurt am Main,GermanyBiosourceCamarillo,CADharmaconLafaette,Co.CyberGene ABNovum,SwedenCortec DNAKingston,Ontario,CAEurogentecBelgium,U.K.DNA TechnologyAarhus,DenmarkGenemed SynthesisS.San Francisco,CADNA 2.0Men

29、lo Park,CAMetabionMunich,GermanyMicrosynthBalgach,SwitzerlandJapan Bio ServicesJapanBlue Heron BiotechnologyBothell,WAGeneworksAdelaide,AustraliaImperial Bio-MedicChandigarh,IndiaBioserve BiotechnologiesHyderabad,IndiaGenelinkHawthorne,NY.DNA Synthesis(Caruthers method)Error Rate:1%0.9950=0.60300 se

30、conds per stepMicroarray oligonucleotide synthesisThe power of parallelismChip-based versus linear synthesisOligonucleotides synthesizedSingle-stranded fragments of 50-90nucleotides 3-overlapping next fragment by 17 nucleotides(Tm calculated 52-56)Steps 1 to 5 involve multiple rounds of PCR(heating

31、to 95,cooling to 56,and PCR at 72).Number of rounds depends on number of fragments.Carried out by PCR machine.Final step of amplification of complete genedriven by use of excess of terminal single-stranded fragmentsPCR-based oligo ligationIn theory,the scale of synthesis is unlimitedBiotechnology 2.

32、0 Research Workflow 1.Concept2.Design/debug/test4.Design oligos6.Transform7.Test5.Synthesize DNA3.Run codeWhat are the implications of DNA synthesis capacity+freedom of information?The problem:“Dual Use”ResearchDual use research includes life sciences research:qWith legitimate scientific purpose qTh

33、at may be misused to pose a biologic threat to public health and/or national security.How easy is it to get this technology?What can we do?Number of IndividualsIndividuals IntenthonorabledishonorableBin Laden Genetics,Inc.DisgruntledResearcherGarage Bio-HackerBasicResearcherRisk spectrumBasic logic

34、circuitsBorrowing from electrical engineeringProtein Expression BasicsRNA polymerase binds to promoterRNAP transcribes gene into messenger RNARibosome translates messenger RNA into proteinZZ PromoterZ GeneProteinTranscriptionRNA PolymeraseDNATranslationMessenger RNARegulation Through Repression and

35、InductionRepressor proteins can bind to the promoter and block the RNA polymerase from performing transcriptionThe DNA site near the promoter recognized by the repressor is called an operatorThe target gene can code for another repression protein enabling regulatory cascadesZ Promoter&OperatorZ Gene

36、R GeneRRR PromoterTranscriptionTranslation DNA BindingRNA PolymeraseLogic CircuitsProteins are the wires/signalsPromoters+decay implement the gatesAny finite-state digital circuit can be builtFor example,X or Y ZXYR1ZR1R1XYZ=genegenegeneTranscription-Based InverterProtein concentrations are analogou

37、s to electrical current BUT proteins do not function in an isolated system and need to be unique0110RRZSimple Inverter ModelROperatorZ GeneZRCooperativityCooperative DNA binding is where the binding of one protein increases the likelihood of a second protein bindingCooperativity adds more non-linear

38、ity to the systemIncreases switching sensitivityImproves robustness to noiseZ Promoter&OperatorZ GeneR GeneRRR PromoterTranscriptionTranslation CooperativeDNA BindingRNA PolymeraseRCooperative Inverter ModelRROperatorZ GeneZRBioCircuit Computer-Aided DesignSPICEBioSPICEsteady statedynamicsintercellu

39、lar BioSPICE:a prototype biocircuit CAD tool simulates protein and chemical concentrations intracellular circuits,intercellular communication single cells,small cell aggregatesGenetic Circuit ElementsinputmRNAribosomepromoteroutputmRNAribosomeoperatortranslationtranscriptionRNApRBSRBSA BioSPICE Inve

40、rter SimulationinputoutputrepressorpromoterThey work in vivo Flip-flop(Gardner&Collins,2000)Ring oscillator(Elowitz&Leibler,2000)However,cells are very complex environmentsCurrent modeling techniques poorly predict behavior“Proof of Concept”Circuitstime(x100 sec)ACBB_S_RA_RB_SAtime(x100 sec)time(x10

41、0 sec)RS-Latch(“flip-flop”)Ring oscillatorCellular Logic Summary Current systems are limited to less than a dozen gatesThree inverter ring oscillator(Elowitz,2000)RS latch(Gardner,2000)Inter-cell communication(Weiss,2001)A natural repressor-based logic technology presents serious scalability issuesS

42、cavenging natural repressor proteins is time consumingMatching natural repressor proteins to work together is difficultCellular Logic Summary Sophisticated synthetic biological systems require a scalable cellular logic technology with good cooperativityZinc-finger proteins can be engineered to creat

43、e many unique proteins relatively easilyZinc-finger proteins can be fused with dimerization domains to increase cooperativityA cellular logic technology of only zinc-finger proteins should hopefully be easier to characterizeSingle Zinc-Finger StructureDNA Three BaseRecognition RegionZinc AtomAlphaHe

44、lixTwoBetaSheetsPoly-Finger ZFPsA.C.Jamieson,J.C.Miller,and C.O.Pabo.Drug discovery with engineered zinc-finger proteins.Nature Reviews Drug Discovery,May 2003Complex systemsQ:But if we dont fully understand all the rules of biology,how can we create anything more than basic systems?A:We can press o

45、ur limits by modularizing and simplifying as much as possible.Standardization of ComponentsPredictable performanceOff-the-shelfMechanical Engineering(1800s)&the manufacturing revolution(e.g.Henry Ford)AbstractionInsulate relevant characteristics from overwhelming detailSimple components that can be

46、used in combinationFrom Physics to Electrical Engineering(1900s)Decoupling Design&FabricationRules insulating design process from details of fabricationEnable parts,device,and system designers to work togetherVLSI electronics(1970s)Enabling Synthetic BiologyCharacterizationCatalog input-output chara

47、cteristics of existing and new parts/devices StandardizationPhysical connectionsFunctional connectionsPerformanceAPoPSINPoPSOUTSB works via three layers of abstractionDevicesPartsSystemsAbstraction in biologyDevicesPartsSystemsBarriers-Technological-Legal-EthicalSynthetic Biology:Intellectual Proper

48、ty Relationship of synthetic biology to intellectual property law has been largely unexplored.The relevant research space already contains broad patents on foundational technology.Synthetic biology commons?Tools of open source property rights coupled with viral licensingSynthetic Biology:Intellectua

49、l Property What is patentable and/or copyrightable?Broad biological functions Specific sequences Specific uses Sources of uncertainty in synthetic biology as related to IPR definitionsWhat are effects of alternate definitions of what is patentable and copyrightable on:Development of field?Efficiency

50、Justice?Synthetic Biology:Intellectual Property Patents on fundamental ideas in synthetic biology Example:A patent on the idea of a biological part:a piece of DNA with specific function that can be combined with another part in a predefined fashion.Such a patent would be impossible to circumvent.It