第15章 合成生物学

第第1515章章 合成生物学合成生物学内内 容容1.合成生物学的发展历史及概念合成生物学的发展历史及概念2.研究方式和工具研究方式和工具3.合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向4.展展 望望15.1 合成生物学的发展史及概念合成生物学的发展史及概念（1 1 1 1）合成生物学的发展史）合成生物学的发展史）合成生物学的发展史）合成生物学的发展史1978197819781978年年年年 SkallkaSkallkaSkallkaSkallka在对限制性内切核酸酶的评论中在对限制性内切核酸酶的评论中在对限制性内切核酸酶的评论中在对限制性内切核酸酶的评论中第一次预言了合成生物学的诞生。第一次预言了合成生物学的诞生。第一次预言了合成生物学的诞生。第一次预言了合成生物学的诞生。1980198019801980年年年年 HobomHobomHobomHobom引入了合成生物学的的名词来描述引入了合成生物学的的名词来描述引入了合成生物学的的名词来描述引入了合成生物学的的名词来描述基因重组技术。基因重组技术。基因重组技术。基因重组技术。DNADNADNADNA合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应合成测序技术的发展和工程学在生物体系的应用，为合成生物学奠定基础。用，为合成生物学奠定基础。用，为合成生物学奠定基础。用，为合成生物学奠定基础。2020世纪提出的概念世纪提出的概念世纪提出的概念世纪提出的概念 用现有的有机化学和生物化学的合成能力设用现有的有机化学和生物化学的合成能力设用现有的有机化学和生物化学的合成能力设用现有的有机化学和生物化学的合成能力设计非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥计非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥计非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥计非天然的分子，使这些分子在生命体系中发挥功能。通过合成的方法来理解自然的生命体系，功能。通过合成的方法来理解自然的生命体系，功能。通过合成的方法来理解自然的生命体系，功能。通过合成的方法来理解自然的生命体系，构建创造新的人工生命体。构建创造新的人工生命体。构建创造新的人工生命体。构建创造新的人工生命体。美国基因组学先驱克莱格美国基因组学先驱克莱格凡特，在他位于马凡特，在他位于马里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期里兰州和加州的实验室，科研人员在其为期15年年的研究项目中，已成功制造出全球首个的研究项目中，已成功制造出全球首个“合成细合成细胞胞”，一种称为丝状支原体的细菌。，一种称为丝状支原体的细菌。（2 2）合成生物学合成生物学合成生物学合成生物学 合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚合成生物学学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科。出现的一个分支学科。出现的一个分支学科。出现的一个分支学科。目的在于设计和创造新的生物组件和体系，目的在于设计和创造新的生物组件和体系，对现有的生物体系进行重新设计。对现有的生物体系进行重新设计。从基本的生物从基本的生物组件构建复杂的人工生命体系，对整个生命过程组件构建复杂的人工生命体系，对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。进行重新设计、改造、构建。合成生物包含的内容合成生物包含的内容 基因合成基因合成构建人工生命体构建人工生命体 基于现有的基于现有的天然生物组件，天然生物组件，设计构建有新功设计构建有新功能的生物体系。能的生物体系。Personalized MedicinePhysical enhancement:荷荷尔尔蒙蒙,义义肢的使用肢的使用Enhancing Evolution:使人使人聪聪明的明的药药Bionic man 生化人生化人 Better,stronger,faster15.2 15.2 合成生物学的研究方法和工具合成生物学的研究方法和工具（1）合成生物学的研究方法合成生物学的研究方法 工程领域中所有的单元部件都具有独立功能，工程领域中所有的单元部件都具有独立功能，可以互换，容易进行模块化得组合，即从零件到可以互换，容易进行模块化得组合，即从零件到器件再到系统。器件再到系统。合成生物学包含工程学的理念，任何一个生合成生物学包含工程学的理念，任何一个生命体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有命体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。序组合。20042004年，美国就成功在一位半身不遂的男性年，美国就成功在一位半身不遂的男性年，美国就成功在一位半身不遂的男性年，美国就成功在一位半身不遂的男性患者大脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑患者大脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑患者大脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑患者大脑中植入了一个电脑芯片，患者仅凭大脑里的意志力就可以操作电脑，能发送电子邮件。里的意志力就可以操作电脑，能发送电子邮件。里的意志力就可以操作电脑，能发送电子邮件。里的意志力就可以操作电脑，能发送电子邮件。未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑未来在芯片的帮助下，人们可以直接用大脑控制手臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部控制手臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部控制手臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部控制手臂和腿的假肢。现在就已经出现了可以部分控制的假肢。分控制的假肢。分控制的假肢。分控制的假肢。标准化标准化抽象化抽象化复杂系统去偶合复杂系统去偶合Drew Endy(MIT)合成生物学工程化三原则：合成生物学工程化三原则：合成生物学工程化三原则：合成生物学工程化三原则：Endy created the comic book Adventures in Synthetic Biology to help explain his work to students and other scientists.标准化标准化 从可更的换部件库，快速构建多组分体系，从可更的换部件库，快速构建多组分体系，包括建立生物学功能、试验的检测条件及系统做包括建立生物学功能、试验的检测条件及系统做出等通用、便捷的标准。出等通用、便捷的标准。不同部件间要进行标准化来实现不同部件间要进行标准化来实现“即插即用即插即用”的性能。的性能。2003 MIT成立了标准生物部件登记处，数据成立了标准生物部件登记处，数据库收集了库收集了3200个标准化生物学部件。个标准化生物学部件。http:/partsregistry.org 将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立将一个复杂的问题分解成若干可操作的独立的简单问题。的简单问题。复杂系统去偶合复杂系统去偶合 抽象化：将生物功能单元划分为不同层次。抽象化：将生物功能单元划分为不同层次。DNA、RNA、蛋白质、代谢物、蛋白质、代谢物相互作用相互作用系统系统（2）合成生物学的组成工具合成生物学的组成工具 将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功将这些器件逐级设计构建组合成具有特定功能的生物系统。能的生物系统。生物部件生物部件part器件器件device系统系统system模块模块module 标准生物部件标准生物部件 具有特定生物学功能的基因编码元件具有特定生物学功能的基因编码元件 启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序启动子、调控因子、核糖体结合位点、编码序列、终止子列、终止子15.3 合成生物学的研究方向合成生物学的研究方向15.3.1 创建新的基因调控模块和线路创建新的基因调控模块和线路 各种蛋白质、各种蛋白质、DNADNA、RNARNA的相互作用形成复杂的相互作用形成复杂的表达调控网络。通过构建非天然的基因调控模的表达调控网络。通过构建非天然的基因调控模块设计构建细胞生命活动的分子网络。块设计构建细胞生命活动的分子网络。用途：调节基因表达和蛋白质功能。用途：调节基因表达和蛋白质功能。基因线路基因线路1）基因拨动开关基因拨动开关 e.g.E.coli报告基因报告基因报告基因报告基因诱导物诱导物诱导物诱导物A A阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物A A启动子启动子启动子启动子B B启动子启动子启动子启动子A A阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物 B B诱导物诱导物诱导物诱导物B Bv 通过加入不同的诱导物实现开关在两个稳定态之通过加入不同的诱导物实现开关在两个稳定态之 间的转换。间的转换。v状态转换具有滞后性，具有记忆功能。状态转换具有滞后性，具有记忆功能。2）基因振荡器）基因振荡器 FT1激活它本身和激活它本身和FT2；FT2过量，会抑制过量，会抑制FT13）大肠杆菌成像系统）大肠杆菌成像系统 将细菌改造成感光胶片，像素将细菌改造成感光胶片，像素将细菌改造成感光胶片，像素将细菌改造成感光胶片，像素1 1平方米平方米平方米平方米1 1亿像素亿像素亿像素亿像素分辨率。分辨率。分辨率。分辨率。将藻胆青素合成基因将藻胆青素合成基因(ho1和和pcyA)转入大肠杆转入大肠杆菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素菌，使之能将血红素转化为光敏感的藻胆青素PCB。lac ZompC promoter PCBBlackPCBPCB15.3.2 生命体代谢途径的重新构建生命体代谢途径的重新构建 微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用微生物载体生产外源蛋白，目前人类利用E.coli生产生产1000多种多种人类人类蛋白。蛋白。代谢途径改造代谢途径改造-调节核心组件优化途径调节核心组件优化途径 不同的生物学途径提取出来不同的生物学途径提取出来 优化整合到宿主细胞优化整合到宿主细胞 合成目标化学物质合成目标化学物质 1.1.生物质能和乙醇发酵微生物生物质能和乙醇发酵微生物生物质能和乙醇发酵微生物生物质能和乙醇发酵微生物E.Coli 的乙醇代谢重组菌：的乙醇代谢重组菌：具有五碳糖和六碳糖代谢酶系具有五碳糖和六碳糖代谢酶系混合酸发酵混合酸发酵乙醇耐受能力低乙醇耐受能力低 绿色植物和海洋藻类合成的有机物（生物质）约绿色植物和海洋藻类合成的有机物（生物质）约2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍。倍。可用于发酵生产乙醇的部分微生物及其主要底物可用于发酵生产乙醇的部分微生物及其主要底物酵母的乙醇代谢工程酵母的乙醇代谢工程 酿酿酒酒酵酵母母是是工工业业上上生生产产乙乙醇醇的的优优良良菌菌株株，与与细细菌菌相相比比具具有有较较高高的的乙乙醇醇耐耐受受力力，对对纤纤维维素素水水解解液中的抑制物有较高的抗性。液中的抑制物有较高的抗性。缺点缺点 酿酿酒酒酵酵母母缺缺乏乏木木糖糖转转化化为为木木酮酮糖糖所所需需的的酶酶，因因而而不不能能利利用用木木糖糖，但但它它能能利利用用木木酮酮糖糖。对对其其菌菌种种改改造造涉涉及及木木糖糖跨跨膜膜运运输输、吸吸收收利利用用、磷磷酸酸戊戊糖糖途途径径、糖糖酵酵解解及及胞胞内内氧氧化化还还原原状状态态的的维维持持等等多多个个方面。方面。酵母的木糖代谢工程酵母的木糖代谢工程运动发酵单胞菌的乙醇代谢工程运动发酵单胞菌的乙醇代谢工程 大肠杆菌的乙醇代谢工程大肠杆菌的乙醇代谢工程EMP主要优势主要优势 大大肠肠杆杆菌菌能能够够利利用用非非常常广广泛泛的的碳碳源源，其其中中包包括括六六碳碳糖糖(葡葡萄萄糖糖，果果糖糖)和和五五碳碳糖糖(木木糖糖，阿阿拉拉伯伯糖糖)以以及及糖糖酸酸等等物物质质，这这一一特特性性使使得得大大肠肠杆杆菌菌能能利利用用木木质质纤纤维维素素降降解解产产生生的的各各种种糖糖类类，同同时时又又由由于于大大肠肠杆杆菌菌遗遗传传背背景景清清楚楚，因因此此在在原原核核微微生生物物乙乙醇醇代代谢谢工工程程以以及及木木质质纤纤维维素素的的高高效效利利用用中中具具有有重重要的研究价值。要的研究价值。大肠杆菌的乙醇代谢工程大肠杆菌的乙醇代谢工程大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题大肠杆菌乙醇代谢工程中存在的问题1.1.1.1.大肠杆菌乙醇耐受能力低大肠杆菌乙醇耐受能力低大肠杆菌乙醇耐受能力低大肠杆菌乙醇耐受能力低2.2.2.2.乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中乙醇脱氢酶和丙酮酸脱羧酶在大肠杆菌中的表达研究不够充分的表达研究不够充分的表达研究不够充分的表达研究不够充分3.3.3.3.竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效竞争性代谢支路使得一部分碳源不能有效的转化成乙醇的转化成乙醇的转化成乙醇的转化成乙醇梭菌梭菌诱导诱导微生物生微生物生微生物生微生物生产产原油、柴油、汽油或基于原油、柴油、汽油或基于原油、柴油、汽油或基于原油、柴油、汽油或基于烃烃的化学品的化学品的化学品的化学品 利用来自多种生物的基因及用来生产脂肪酸的利用来自多种生物的基因及用来生产脂肪酸的生化途径生化途径,用合成生物学方法创造出一些代谢模块用合成生物学方法创造出一些代谢模块,插入微生物后插入微生物后,通过不同的组合通过不同的组合,这些模块可以诱这些模块可以诱导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的化学导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的化学品。品。他们通过计算他们通过计算,设计制造出微生物以所希望的设计制造出微生物以所希望的方式生产并分泌出长度及分子结构符合公司要求方式生产并分泌出长度及分子结构符合公司要求的烃分子。的烃分子。不需要能耗非常高的乙醇精不需要能耗非常高的乙醇精馏技技术,从而可使能耗从而可使能耗降低降低65%;由于采用了合成生物学与系由于采用了合成生物学与系统生物学生物学创造微生物造微生物这种尖端技种尖端技术,而且而且这种石油种石油烃是可再生的、清是可再生的、清洁的、国内可生的、国内可生产的、成本可的、成本可竞争的、与争的、与现有的汽有的汽车发动机及汽油供机及汽油供应系系统是可兼容的是可兼容的.29 岁的的Berry 获得了得了MIT“技技术评论”2007 年年TR35 的最高的最高奖(2007 Innovator of the Year)。用合成生物学方法创造的微生物进入发酵罐培养生长用合成生物学方法创造的微生物进入发酵罐培养生长用合成生物学方法创造的微生物进入发酵罐培养生长用合成生物学方法创造的微生物进入发酵罐培养生长 2.青蒿酸合成线路的设计构建青蒿酸合成线路的设计构建疟疾疟疾 典型的疟疾多呈周期性发作，表现为间歇性典型的疟疾多呈周期性发作，表现为间歇性寒热发作。发作时先有明显的寒战，全身发抖，寒热发作。发作时先有明显的寒战，全身发抖，面色苍白，接着体温迅速上升，达面色苍白，接着体温迅速上升，达4040或更高，或更高，面色潮红，全身大汗淋漓，大汗后体温降至正常面色潮红，全身大汗淋漓，大汗后体温降至正常或正常以下。或正常以下。经过一段间歇期后，又开始重复上述间歇性经过一段间歇期后，又开始重复上述间歇性定时寒战、高热发作。定时寒战、高热发作。每年每年5亿人感染，亿人感染，100万死亡。目前最有效的万死亡。目前最有效的是青蒿素，生产周期长、成本昂贵。是青蒿素，生产周期长、成本昂贵。中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯中药青篙中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物。药物。Keasling利用合成生物学，将大肠杆菌改造成利用合成生物学，将大肠杆菌改造成青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌青蒿酸工厂。将甲羟戊酸合成途径转入大肠杆菌中，改造获的中，改造获的E.coli 青蒿酸的产量青蒿酸的产量300mg/L。困难：难以预计的复杂性困难：难以预计的复杂性困难：难以预计的复杂性困难：难以预计的复杂性 这一工作几乎是这一工作几乎是这一工作几乎是这一工作几乎是150150人一年工作的结果，这些人一年工作的结果，这些人一年工作的结果，这些人一年工作的结果，这些工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能基因组合在一起的运作机制。基因组合在一起的运作机制。基因组合在一起的运作机制。基因组合在一起的运作机制。由于在生物合成抗由于在生物合成抗疟疾疾药物的突出成就物的突出成就,Keas ling 被美国被美国“发现”杂志志评选为2006 年度最有影响年度最有影响的科学家。的科学家。该项目已目已经获得比得比尔-梅林达盖茨基金会梅林达盖茨基金会4300 万美元的万美元的资助助,进行行进一步的一步的实验室研究、中室研究、中试、临床床实验等后等后续工作。工作。3.3.代谢途径的快速进化代谢途径的快速进化代谢途径的快速进化代谢途径的快速进化基因突变基因突变基因突变基因突变 改造代谢途径改造代谢途径改造代谢途径改造代谢途径 生产目标化合物生产目标化合物生产目标化合物生产目标化合物Church 对对2020种番茄红素合成有关的基因进行突变；种番茄红素合成有关的基因进行突变；将突变的将突变的9090个个DNADNA片段，转入大肠杆菌；片段，转入大肠杆菌；3 3天内产生了天内产生了150150亿基因突变体；亿基因突变体；从中筛选到使番茄红素产量提高从中筛选到使番茄红素产量提高5 5倍的基因倍的基因。4.利用合成生物学生产新能源利用合成生物学生产新能源 Kaslling利用利用13个可逆的酶促反应组合起来创个可逆的酶促反应组合起来创建一条非天然的催化路径。建一条非天然的催化路径。淀粉淀粉+水水 H215.3.3 最小基因组与合成生物学最小基因组与合成生物学 合成生物学最终目标：合成生物学最终目标：合成生物学最终目标：合成生物学最终目标：合成独立的可遗传的人工生命体合成独立的可遗传的人工生命体合成独立的可遗传的人工生命体合成独立的可遗传的人工生命体 人工生命的基本要素人工生命的基本要素人工生命的基本要素人工生命的基本要素 具有膜系统具有膜系统具有膜系统具有膜系统 能进行新陈代谢能进行新陈代谢能进行新陈代谢能进行新陈代谢 具有自己的基因具有自己的基因具有自己的基因具有自己的基因研究最简化生命的两种方法研究最简化生命的两种方法研究最简化生命的两种方法研究最简化生命的两种方法1.从下而上：从核苷酸合成新生命体。从下而上：从核苷酸合成新生命体。2.从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。从上而下：从基因组中剔除非必要基因组。1.1.人工构建合成生命体人工构建合成生命体人工构建合成生命体人工构建合成生命体2002年年 Wimmer小组脊髓灰质炎病毒的合成小组脊髓灰质炎病毒的合成Venter 合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组合成噬菌体基因组和生殖道支原体基因组 不同物种间基因组的移植不同物种间基因组的移植 将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。将蕈状支原体基因组移植到山羊支原体中。丝状支原体丝状支原体分离分离分离分离 转化酵母转化酵母转化酵母转化酵母基因组改造基因组改造基因组改造基因组改造移植移植移植移植酵母载体插入到酵母载体插入到酵母载体插入到酵母载体插入到细菌基因组中细菌基因组中细菌基因组中细菌基因组中甲基化甲基化甲基化甲基化2.最小基因组的构建最小基因组的构建 Blattnerj小小组删除大肠杆菌基因组的组删除大肠杆菌基因组的组删除大肠杆菌基因组的组删除大肠杆菌基因组的15%15%（高达（高达（高达（高达82Kb82Kb）,细菌仍保持了良好的生存状态。细菌仍保持了良好的生存状态。细菌仍保持了良好的生存状态。细菌仍保持了良好的生存状态。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。改造后菌株的电穿孔效率、基因表达都有改变。电穿孔电穿孔电穿孔电穿孔 EndyEndy小组用小组用小组用小组用12 kb 12 kb 人工合成的人工合成的人工合成的人工合成的DNADNA取代野生取代野生取代野生取代野生T7T7基因组中的基因组中的基因组中的基因组中的11 kb 11 kb 的非必须的非必须的非必须的非必须DNA DNA 构建新的生命体。构建新的生命体。构建新的生命体。构建新的生命体。最小基因组优点最小基因组优点 选择性的保留所需的代谢途径和功能；选择性的保留所需的代谢途径和功能；成为合成基因网络理想的容器；成为合成基因网络理想的容器；为插入模块提高最简单无干扰的环境。为插入模块提高最简单无干扰的环境。理想的细胞底盘应具备的条件理想的细胞底盘应具备的条件长期培养中保持基因稳定长期培养中保持基因稳定长期培养中保持基因稳定长期培养中保持基因稳定能够在低营养培养基中生长以降低成本能够在低营养培养基中生长以降低成本能够在低营养培养基中生长以降低成本能够在低营养培养基中生长以降低成本同时协调多基因的表达同时协调多基因的表达同时协调多基因的表达同时协调多基因的表达能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径能够通过调整合成路径抑制与生产无关的合成路径15.3.4 15.3.4 构建多细胞体系构建多细胞体系构建多细胞体系构建多细胞体系 多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基多细胞体系是建立在群体细胞效应的研究基础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。础上，多细胞涉及细胞间的通信体系。群体效应：微生物通过自身产生的一种化学群体效应：微生物通过自身产生的一种化学群体效应：微生物通过自身产生的一种化学群体效应：微生物通过自身产生的一种化学信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的信号来感受群体的浓度，从而表现出某种特殊的行为。行为。行为。行为。细菌细菌细菌细菌QSQS系统作用系统作用系统作用系统作用 细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到环境中自身或其它细菌的数量变化，当信号达到一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境中的变化。达来适应环境中的变化。达来适应环境中的变化。达来适应环境中的变化。枯草芽胞杆菌利用枯草芽胞杆菌利用枯草芽胞杆菌利用枯草芽胞杆菌利用QSQSQSQS系统对细胞的发育进行调控系统对细胞的发育进行调控系统对细胞的发育进行调控系统对细胞的发育进行调控 当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展；当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展；当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展；当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展；营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。15.4 展望展望 20042004年合成生物学被美国年合成生物学被美国年合成生物学被美国年合成生物学被美国MITMIT出版的出版的出版的出版的技术评论技术评论技术评论技术评论评为评为评为评为“将改变世界的将改变世界的将改变世界的将改变世界的1010大新技术之一大新技术之一大新技术之一大新技术之一”。美国生物经济研究协会美国生物经济研究协会美国生物经济研究协会美国生物经济研究协会20072007年发表了题为年发表了题为年发表了题为年发表了题为基基基基因组合成和设计未来：对美国经济的影响因组合成和设计未来：对美国经济的影响因组合成和设计未来：对美国经济的影响因组合成和设计未来：对美国经济的影响的研的研的研的研究报告。究报告。究报告。究报告。细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。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：靠近地雷时细菌发绿光；靠近地雷时细菌发绿光；远离地雷时则发红光。远离地雷时则发红光。让让让让维斯是麻省理工学院计算机工程师维斯是麻省理工学院计算机工程师维斯是麻省理工学院计算机工程师维斯是麻省理工学院计算机工程师 伦理问题和争议伦理问题和争议我们制造生命后，会不会肆意对待所有生命，包我们制造生命后，会不会肆意对待所有生命，包我们制造生命后，会不会肆意对待所有生命，包我们制造生命后，会不会肆意对待所有生命，包括人类生命？括人类生命？括人类生命？括人类生命？生物防护问题：使用合成的致死的和有毒的病原生物防护问题：使用合成的致死的和有毒的病原生物防护问题：使用合成的致死的和有毒的病原生物防护问题：使用合成的致死的和有毒的病原体进行恐怖主义袭击、生物战或种种恶意使用。体进行恐怖主义袭击、生物战或种种恶意使用。体进行恐怖主义袭击、生物战或种种恶意使用。体进行恐怖主义袭击、生物战或种种恶意使用。合成生物学这种目的的使用包括生产生物武器合成生物学这种目的的使用包括生产生物武器合成生物学这种目的的使用包括生产生物武器合成生物学这种目的的使用包括生产生物武器 例如例如例如例如v新的或改变了的致病病毒或细菌；新的或改变了的致病病毒或细菌；新的或改变了的致病病毒或细菌；新的或改变了的致病病毒或细菌；v制造产生毒素的合成有机体。制造产生毒素的合成有机体。制造产生毒素的合成有机体。制造产生毒素的合成有机体。LOGOThank You!复复 习习第第第第 一一一一 章章章章 多肽和蛋白质多肽和蛋白质多肽和蛋白质多肽和蛋白质 1.蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质是是是是由由由由许许许许多多多多氨氨氨氨基基基基酸酸酸酸通通通通过过过过肽肽肽肽键键键键相相相相连连连连形形形形成成成成的的的的高高高高分子含氮化合物。分子含氮化合物。分子含氮化合物。分子含氮化合物。2.2.氨基酸仅有氨基酸仅有氨基酸仅有氨基酸仅有2020种，且均属种，且均属种，且均属种，且均属 L L型氨基酸。型氨基酸。型氨基酸。型氨基酸。3.多肽合成原理？多肽合成原理？多肽合成原理？多肽合成原理？4.4.化学合成多肽方法？化学合成多肽方法？化学合成多肽方法？化学合成多肽方法？5.5.5.5.固相多肽合成步骤固相多肽合成步骤固相多肽合成步骤固相多肽合成步骤多肽的多肽的多肽的多肽的C C C C端氨基酸通过端氨基酸通过端氨基酸通过端氨基酸通过linkerlinkerlinkerlinker键连到树脂上；键连到树脂上；键连到树脂上；键连到树脂上；脱除氨基上的临时保护基；脱除氨基上的临时保护基；脱除氨基上的临时保护基；脱除氨基上的临时保护基；与下一个氨基酸缩合；与下一个氨基酸缩合；与下一个氨基酸缩合；与下一个氨基酸缩合；反复进行脱保护和缩合两个步骤；反复进行脱保护和缩合两个步骤；反复进行脱保护和缩合两个步骤；反复进行脱保护和缩合两个步骤；脱除半永久性保护基；脱除半永久性保护基；脱除半永久性保护基；脱除半永久性保护基；第第2章章 核酸核酸v 增色效应增色效应增色效应增色效应v 核小体的组成：核小体的组成：核小体的组成：核小体的组成：DNADNA和组蛋白和组蛋白和组蛋白和组蛋白v 核苷酸的组成核苷酸的组成核苷酸的组成核苷酸的组成-碱基、戊糖、磷酸碱基、戊糖、磷酸碱基、戊糖、磷酸碱基、戊糖、磷酸v 真核和原核生物真核和原核生物真核和原核生物真核和原核生物rRNArRNA的种类的种类的种类的种类 核核酸体外合成方法？酸体外合成方法？酸体外合成方法？酸体外合成方法？核酸适体：一类有三维空间结构的单链核酸小分核酸适体：一类有三维空间结构的单链核酸小分核酸适体：一类有三维空间结构的单链核酸小分核酸适体：一类有三维空间结构的单链核酸小分子，与特异靶分子相结合，对靶标分子识别有高子，与特异靶分子相结合，对靶标分子识别有高子，与特异靶分子相结合，对靶标分子识别有高子，与特异靶分子相结合，对靶标分子识别有高度专一性和强亲和力，调节靶标分子的功能。度专一性和强亲和力，调节靶标分子的功能。度专一性和强亲和力，调节靶标分子的功能。度专一性和强亲和力，调节靶标分子的功能。核酶：有催化功能的核酶：有催化功能的核酶：有催化功能的核酶：有催化功能的RNARNA分子，参与分子，参与分子，参与分子，参与RNARNA及及及及其前体的加工和成熟过程。其前体的加工和成熟过程。其前体的加工和成熟过程。其前体的加工和成熟过程。肽核酸：一类以中性酰胺键为骨架取代糖磷肽核酸：一类以中性酰胺键为骨架取代糖磷肽核酸：一类以中性酰胺键为骨架取代糖磷肽核酸：一类以中性酰胺键为骨架取代糖磷酸主链的酸主链的酸主链的酸主链的DNADNA类似物。类似物。类似物。类似物。第第第第3 3章章章章 糖类糖类糖类糖类 蛋白聚糖：一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白聚糖：一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白聚糖：一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白聚糖：一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白形成的大分子糖复合物化合物。蛋白形成的大分子糖复合物化合物。蛋白形成的大分子糖复合物化合物。蛋白形成的大分子糖复合物化合物。寡糖合成方法：液相、固相寡糖合成方法：液相、固相寡糖合成方法：液相、固相寡糖合成方法：液相、固相糖的保护基满足的条件？糖的保护基满足的条件？糖的保护基满足的条件？糖的保护基满足的条件？保护基的正交性？保护基的正交性？保护基的正交性？保护基的正交性？糖生物学主要研究内容？糖生物学主要研究内容？糖生物学主要研究内容？糖生物学主要研究内容？糖作为信息分子和调分子在生物体的各项生命糖作为信息分子和调分子在生物体的各项生命糖作为信息分子和调分子在生物体的各项生命糖作为信息分子和调分子在生物体的各项生命活动及病理机制中的作用。活动及病理机制中的作用。活动及病理机制中的作用。活动及病理机制中的作用。糖序列分析方法？糖序列分析方法？糖序列分析方法？糖序列分析方法？l l酶法分析酶法分析酶法分析酶法分析N-N-N-N-连接寡糖结构；连接寡糖结构；连接寡糖结构；连接寡糖结构；l l采用凝集素分离、分析寡糖和糖缀合物；采用凝集素分离、分析寡糖和糖缀合物；采用凝集素分离、分析寡糖和糖缀合物；采用凝集素分离、分析寡糖和糖缀合物；l l质谱质谱质谱质谱MSMSMSMS和核磁共振和核磁共振和核磁共振和核磁共振NMRNMRNMRNMR测定结构。测定结构。测定结构。测定结构。第第4 4章章 有机小分子有机小分子 初级代谢物初级代谢物 非核糖体合成多肽非核糖体合成多肽 辅酶辅酶Q10Q10生产方法生产方法 ：全合成法：全合成法 、微生物发酵、微生物发酵法法 、醇一碱皂化制造法、醇一碱皂化制造法 小分子的优势小分子的优势小分子的优势小分子的优势易实现时间上的精确控制；易实现时间上的精确控制；易实现时间上的精确控制；易实现时间上的精确控制；与大分子的作用可逆；与大分子的作用可逆；与大分子的作用可逆；与大分子的作用可逆；药物学剂量容易控制；药物学剂量容易控制；药物学剂量容易控制；药物学剂量容易控制；可应用于多种类型的有机体和生物体；可应用于多种类型的有机体和生物体；可应用于多种类型的有机体和生物体；可应用于多种类型的有机体和生物体；作为探针研究细胞靶蛋白的功能。作为探针研究细胞靶蛋白的功能。作为探针研究细胞靶蛋白的功能。作为探针研究细胞靶蛋白的功能。第第5章章v 物质跨膜运输的方式及比较？（能量，载体，方物质跨膜运输的方式及比较？（能量，载体，方物质跨膜运输的方式及比较？（能量，载体，方物质跨膜运输的方式及比较？（能量，载体，方向）向）向）向）v 趋磁细菌趋磁细菌趋磁细菌趋磁细菌v 金属化合物药物的缺点金属化合物药物的缺点金属化合物药物的缺点金属化合物药物的缺点仿生催化研究内容仿生催化研究内容仿生催化研究内容仿生催化研究内容 v 根据生物催化剂的结构特征，设计和化学方法合根据生物催化剂的结构特征，设计和化学方法合根据生物催化剂的结构特征，设计和化学方法合根据生物催化剂的结构特征，设计和化学方法合成具有催化功能的模拟酶；成具有催化功能的模拟酶；成具有催化功能的模拟酶；成具有催化功能的模拟酶；v 研究这些模拟酶的催化机理、催化工艺、构效关研究这些模拟酶的催化机理、催化工艺、构效关研究这些模拟酶的催化机理、催化工艺、构效关研究这些模拟酶的催化机理、催化工艺、构效关系。系。系。系。第第第第6 6章章章章 基因组学和蛋白质组学基因组学和蛋白质组学基因组学和蛋白质组学基因组学和蛋白质组学l l单核苷酸多态性（单核苷酸多态性（SNPSNP）l l遗传图谱遗传图谱 、物理图谱、物理图谱l l荧光原位杂交（荧光原位杂交（FISHFISH）的基本原理）的基本原理l l转录组学转录组学l l 蛋白质组和蛋白质组学蛋白质组和蛋白质组学蛋白质组和蛋白质组学蛋白质组和蛋白质组学l l 双向电泳包括哪双向电泳包括哪双向电泳包括哪双向电泳包括哪2 2步？步？步？步？l l 肽质量指纹图谱肽质量指纹图谱肽质量指纹图谱肽质量指纹图谱l l蛋白质结构解析方法蛋白质结构解析方法蛋白质结构解析方法蛋白质结构解析方法l l影响蛋白质电泳迁移率因素影响蛋白质电泳迁移率因素影响蛋白质电泳迁移率因素影响蛋白质电泳迁移率因素第第7章章v 正向化学遗传学正向化学遗传学正向化学遗传学正向化学遗传学v 反向化学遗传学反向化学遗传学反向化学遗传学反向化学遗传学v 计算机辅助的药物设计的步骤计算机辅助的药物设计的步骤计算机辅助的药物设计的步骤计算机辅助的药物设计的步骤第第8章章l l组合化学的基本原理组合化学的基本原理组合化学的基本原理组合化学的基本原理 在同一个化学反应体系中加入不同的结构单元，在同一个化学反应体系中加入不同的结构单元，在同一个化学反应体系中加入不同的结构单元，在同一个化学反应体系中加入不同的结构单元，利用这些结构单元的排列组合系统的合成大量的化利用这些结构单元的排列组合系统的合成大量的化利用这些结构单元的排列组合系统的合成大量的化利用这些结构单元的排列组合系统的合成大量的化合物。合物。合物。合物。l l多样性导向合成设计原则多样性导向合成设计原则多样性导向合成设计原则多样性导向合成设计原则 利用简单的起始原料尽量多的构建出骨架多样利用简单的起始原料尽量多的构建出骨架多样利用简单的起始原料尽量多的构建出骨架多样利用简单的起始原料尽量多的构建出骨架多样的特异分子。的特异分子。的特异分子。的特异分子。l l组合化学的核心技术有哪些？组合化学的核心技术有哪些？组合化学的核心技术有哪些？组合化学的核心技术有哪些？组合合成、平行合成、固相有机反应。组合合成、平行合成、固相有机反应。组合合成、平行合成、固相有机反应。组合合成、平行合成、固相有机反应。第第9 9章章 生物大分子进化生物大分子进化 DNA文库的突变方法文库的突变方法 噬菌体展示噬菌体展示 体外挑选方法寻找核酸适配体步骤体外挑选方法寻找核酸适配体步骤第第1010章章 分子成像分子成像 GFP有哪些应用？有哪些应用？量子点荧光探针及其应用？量子点荧光探针及其应用？分子马达的定义？分子马达的定义？第第11章章 生物催化生物催化v 生物催化的定义生物催化的定义v 影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素v 比活力比活力v 人工酶人工酶 固定化酶及其的优点固定化酶及其的优点v 生物催化剂的来源生物催化剂的来源v 生物催化的应用生物催化的应用v 单克隆抗体单克隆抗体单克隆抗体单克隆抗体v 生物标记物生物标记物生物标记物生物标记物v 免疫印迹试验免疫印迹试验免疫印迹试验免疫印迹试验v ELISA ELISA方法的基本原理方法的基本原理方法的基本原理方法的基本原理v 什么是合成生物学？什么是合成生物学？什么是合成生物学？什么是合成生物学？考试时间：考试时间：考试时间：考试时间：6 6 6 6月月月月4 4 4 4日日日日 下午下午下午下午14:00-16:0014:00-16:0014:00-16:0014:00-16:00考试题型考试题型考试题型考试题型v 填填填填 空空空空v 判判判判 断断断断v 名称解释名称解释名称解释名称解释v 简简简简 答答答答v 问问问问 答答答答