2013合成生物學(xué)?？蜓?/h1>
2013-04-06 23:11:41陳國強(qiáng)
生物工程學(xué)報(bào) 2013年8期
陳國強(qiáng)
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100084
合成生物學(xué)是指按照一定的規(guī)律和已有的生物知識，一方面設(shè)計(jì)和建造新的生物零件(Biobricks)、裝置和系統(tǒng)；另一方面重新設(shè)計(jì)已有的天然生物系統(tǒng)為人類的特殊目的服務(wù)。簡單地說，合成生物學(xué)就是通過人工設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的生物系統(tǒng)來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。合成生物學(xué)強(qiáng)調(diào)“設(shè)計(jì)”和“重設(shè)計(jì)”。設(shè)計(jì)、模擬、實(shí)驗(yàn)是合成生物學(xué)的基礎(chǔ)。合成生物學(xué)不僅僅是實(shí)驗(yàn)，利用已有的生物學(xué)知識，根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和重設(shè)計(jì)，建立數(shù)學(xué)模型對人工的設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行才是合成生物學(xué)的方法。合成生物學(xué)的核心問題之一是“新生命的合成”。通過新生命的合成擴(kuò)大生命 (目前主要是微生物)的能力，更好地為人類服務(wù)。
本合成生物學(xué)?？?，集中了國內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室在此領(lǐng)域進(jìn)行的一些工作，以綜述的形式介紹國內(nèi)以及國際在合成生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行的一些相關(guān)工作，以使國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)工作者能更好地了解該領(lǐng)域的進(jìn)展，方便自己進(jìn)行研究工作的選題等。
在本?？?，南開大學(xué)的宋存江實(shí)驗(yàn)室回顧了鏈霉菌無痕敲除方法的研究進(jìn)展。通過對鏈霉菌基因組合理、高效的精簡來提高鏈霉菌代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低底物原料的消耗量。無痕敲除就是開展此項(xiàng)研究的重要手段。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的馬紅武實(shí)驗(yàn)室介紹了一種基于代謝網(wǎng)絡(luò)分析最小化基因組的方法及其在大腸桿菌中的應(yīng)用，提出了一種從基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型出發(fā)，通過零通量反應(yīng)刪除及對非必需基因組合刪除計(jì)算獲得基因組最小化代謝網(wǎng)絡(luò)模型的方法,他們利用該方法簡化了大腸桿菌經(jīng)典代謝網(wǎng)絡(luò)模型iAF1260，由起始的1 260個(gè)基因簡化得到了312個(gè)基因，而最優(yōu)生物質(zhì)生成速率保持不變。由于光合藍(lán)細(xì)菌具有一系列良好的特質(zhì)，包括利用太陽能固定CO2、營養(yǎng)需求低、生長迅速以及遺傳背景簡單等。近年來，光合藍(lán)細(xì)菌作為生產(chǎn)可再生燃料和精細(xì)化學(xué)制品的“自養(yǎng)型人工細(xì)胞工廠”引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。因此，天津大學(xué)的張衛(wèi)文實(shí)驗(yàn)室正在應(yīng)用合成生物學(xué)策略來優(yōu)化光合藍(lán)細(xì)菌底盤。
當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與日益減少的石油資源儲備進(jìn)一步加劇了能源供需矛盾。人類對開發(fā)利用可再生的纖維素生物質(zhì)資源給予厚望。木糖是木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物中含量僅次于葡萄糖的一種單糖，因此對木糖高效率生物轉(zhuǎn)化的研究成為影響其工業(yè)化前景的關(guān)鍵因素之一。天津大學(xué)的陳濤實(shí)驗(yàn)室綜述了生物轉(zhuǎn)化木糖方面的進(jìn)展，包括木糖代謝途徑的鑒定和設(shè)計(jì)、木糖運(yùn)輸途徑的改造、生物基化學(xué)品制備。他們認(rèn)為，運(yùn)用合成生物學(xué)技術(shù)發(fā)展新一代生物燃料技術(shù)，特別是開發(fā)能夠代謝木糖高產(chǎn)乙醇的微生物工程菌株是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方式。由于生物系統(tǒng)固有的復(fù)雜性，僅通過理性設(shè)計(jì)，通常難以使合成基因線路發(fā)揮出最優(yōu)的功能。組合工程的興起和發(fā)展為獲得組合優(yōu)化性狀提供了有利條件，并大大促進(jìn)了具有全新功能的生物系統(tǒng)的構(gòu)建。陳濤實(shí)驗(yàn)室主要從單個(gè)元件的微調(diào)、代謝通路的優(yōu)化以及基因組范圍內(nèi)靶點(diǎn)的識別和組合修飾三個(gè)方面入手來處理突出的合成生物系統(tǒng)的組合優(yōu)化方法。
微生物基因組精簡優(yōu)化是構(gòu)建合成生物學(xué)底盤細(xì)胞的重要策略。江南大學(xué)王小元實(shí)驗(yàn)室介紹了各種微生物基因組精簡策略，分析了多種基因組精簡菌株的特點(diǎn)，充分展示了基因組精簡優(yōu)化在構(gòu)建合成生物學(xué)底盤細(xì)胞中的重要作用。
產(chǎn)溶劑梭菌是一類重要的工業(yè)微生物。通過遺傳改造以優(yōu)化產(chǎn)溶劑梭菌的發(fā)酵性能一直是溶劑制造技術(shù)研究中的重要課題，但長期受限于該類菌并不完善的遺傳操作工具，中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院顧陽、楊晟和姜衛(wèi)紅對產(chǎn)溶劑梭菌的分子遺傳操作工具研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并指出了現(xiàn)有技術(shù)在效率及全面性方面的不足。今后應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有的梭菌基因失活技術(shù)，如建立基于同源重組的基因刪除和替換、同時(shí)也應(yīng)發(fā)展新的分子操作技術(shù)，如基因組多位點(diǎn)共編輯、多拷貝定點(diǎn)和隨機(jī)整合等。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所田敬東實(shí)驗(yàn)室針對合成生物學(xué)的快速發(fā)展對基因合成能力提出的日益迫切的需求，致力于開發(fā)基于微芯片基因合成技術(shù)，并已取得了很多令人振奮的新進(jìn)展，正在向著高通量、高保真、自動(dòng)化的方向發(fā)展。中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院姜衛(wèi)紅實(shí)驗(yàn)室在介紹了DNA組裝基本理念的基礎(chǔ)上，對體內(nèi)、體外主要的DNA組裝方法進(jìn)行簡要梳理，希望為不同類型的合成生物學(xué)功能器件及生物合成途徑的構(gòu)造提供參考與借鑒。
在蛋白質(zhì)表達(dá)水平上進(jìn)行控制是合成生物學(xué)元件設(shè)計(jì)、模塊組裝以及適配性研究最核心的手段。中國科學(xué)院微生物研究所陶勇實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為類似于工廠中的成本計(jì)算，合成生物學(xué)創(chuàng)建的人工生命體系 (人工細(xì)胞工廠)以蛋白質(zhì)預(yù)算為依據(jù)，可以應(yīng)用于合成生物學(xué)研究實(shí)踐中。中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院王勇實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)介紹了如何利用合成生物技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜天然產(chǎn)物合成人工生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，包括與此相關(guān)的生物元件理性設(shè)計(jì)、生物元件挖掘、途徑裝配與集成，模塊的組裝與系統(tǒng)的適配等內(nèi)容。
最后，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所趙宗保實(shí)驗(yàn)室成功地以釀酒酵母為宿主，表達(dá)了焦磷酸賴百當(dāng)烯二醇酯合酶和香紫蘇醇合酶，構(gòu)建了香紫蘇醇的人工生物合成途徑。在搖瓶培養(yǎng)條件下，組合優(yōu)化得到的工程菌株S6的香紫蘇醇產(chǎn)量達(dá)到8.96 mg/L。
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陳國強(qiáng)
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合成生物學(xué)是指按照一定的規(guī)律和已有的生物知識，一方面設(shè)計(jì)和建造新的生物零件(Biobricks)、裝置和系統(tǒng)；另一方面重新設(shè)計(jì)已有的天然生物系統(tǒng)為人類的特殊目的服務(wù)。簡單地說，合成生物學(xué)就是通過人工設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的生物系統(tǒng)來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。合成生物學(xué)強(qiáng)調(diào)“設(shè)計(jì)”和“重設(shè)計(jì)”。設(shè)計(jì)、模擬、實(shí)驗(yàn)是合成生物學(xué)的基礎(chǔ)。合成生物學(xué)不僅僅是實(shí)驗(yàn)，利用已有的生物學(xué)知識，根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和重設(shè)計(jì)，建立數(shù)學(xué)模型對人工的設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行才是合成生物學(xué)的方法。合成生物學(xué)的核心問題之一是“新生命的合成”。通過新生命的合成擴(kuò)大生命 (目前主要是微生物)的能力，更好地為人類服務(wù)。
本合成生物學(xué)?？?，集中了國內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室在此領(lǐng)域進(jìn)行的一些工作，以綜述的形式介紹國內(nèi)以及國際在合成生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行的一些相關(guān)工作，以使國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)工作者能更好地了解該領(lǐng)域的進(jìn)展，方便自己進(jìn)行研究工作的選題等。
在本?？?，南開大學(xué)的宋存江實(shí)驗(yàn)室回顧了鏈霉菌無痕敲除方法的研究進(jìn)展。通過對鏈霉菌基因組合理、高效的精簡來提高鏈霉菌代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低底物原料的消耗量。無痕敲除就是開展此項(xiàng)研究的重要手段。中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的馬紅武實(shí)驗(yàn)室介紹了一種基于代謝網(wǎng)絡(luò)分析最小化基因組的方法及其在大腸桿菌中的應(yīng)用，提出了一種從基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型出發(fā)，通過零通量反應(yīng)刪除及對非必需基因組合刪除計(jì)算獲得基因組最小化代謝網(wǎng)絡(luò)模型的方法,他們利用該方法簡化了大腸桿菌經(jīng)典代謝網(wǎng)絡(luò)模型iAF1260，由起始的1 260個(gè)基因簡化得到了312個(gè)基因，而最優(yōu)生物質(zhì)生成速率保持不變。由于光合藍(lán)細(xì)菌具有一系列良好的特質(zhì)，包括利用太陽能固定CO2、營養(yǎng)需求低、生長迅速以及遺傳背景簡單等。近年來，光合藍(lán)細(xì)菌作為生產(chǎn)可再生燃料和精細(xì)化學(xué)制品的“自養(yǎng)型人工細(xì)胞工廠”引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。因此，天津大學(xué)的張衛(wèi)文實(shí)驗(yàn)室正在應(yīng)用合成生物學(xué)策略來優(yōu)化光合藍(lán)細(xì)菌底盤。
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微生物基因組精簡優(yōu)化是構(gòu)建合成生物學(xué)底盤細(xì)胞的重要策略。江南大學(xué)王小元實(shí)驗(yàn)室介紹了各種微生物基因組精簡策略，分析了多種基因組精簡菌株的特點(diǎn)，充分展示了基因組精簡優(yōu)化在構(gòu)建合成生物學(xué)底盤細(xì)胞中的重要作用。
產(chǎn)溶劑梭菌是一類重要的工業(yè)微生物。通過遺傳改造以優(yōu)化產(chǎn)溶劑梭菌的發(fā)酵性能一直是溶劑制造技術(shù)研究中的重要課題，但長期受限于該類菌并不完善的遺傳操作工具，中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院顧陽、楊晟和姜衛(wèi)紅對產(chǎn)溶劑梭菌的分子遺傳操作工具研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并指出了現(xiàn)有技術(shù)在效率及全面性方面的不足。今后應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有的梭菌基因失活技術(shù)，如建立基于同源重組的基因刪除和替換、同時(shí)也應(yīng)發(fā)展新的分子操作技術(shù)，如基因組多位點(diǎn)共編輯、多拷貝定點(diǎn)和隨機(jī)整合等。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所田敬東實(shí)驗(yàn)室針對合成生物學(xué)的快速發(fā)展對基因合成能力提出的日益迫切的需求，致力于開發(fā)基于微芯片基因合成技術(shù)，并已取得了很多令人振奮的新進(jìn)展，正在向著高通量、高保真、自動(dòng)化的方向發(fā)展。中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院姜衛(wèi)紅實(shí)驗(yàn)室在介紹了DNA組裝基本理念的基礎(chǔ)上，對體內(nèi)、體外主要的DNA組裝方法進(jìn)行簡要梳理，希望為不同類型的合成生物學(xué)功能器件及生物合成途徑的構(gòu)造提供參考與借鑒。
在蛋白質(zhì)表達(dá)水平上進(jìn)行控制是合成生物學(xué)元件設(shè)計(jì)、模塊組裝以及適配性研究最核心的手段。中國科學(xué)院微生物研究所陶勇實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為類似于工廠中的成本計(jì)算，合成生物學(xué)創(chuàng)建的人工生命體系 (人工細(xì)胞工廠)以蛋白質(zhì)預(yù)算為依據(jù)，可以應(yīng)用于合成生物學(xué)研究實(shí)踐中。中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院王勇實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)介紹了如何利用合成生物技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜天然產(chǎn)物合成人工生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，包括與此相關(guān)的生物元件理性設(shè)計(jì)、生物元件挖掘、途徑裝配與集成，模塊的組裝與系統(tǒng)的適配等內(nèi)容。
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