人工基因组的合成
化工学院 生物化工(硕) 2011207323 杨晓娜
摘要：由于基因组测序及DNA合成技术与工具的突破性进展,催生了“组装细胞基因”和“合成生物学”的出现。合成生物学（Synthetic Biology）就是以人工手段制造生物系统，与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。本文将从合成生物学的研究内容、工程本质、近年来的基础研究和应用研究以及合成生物学研究的意义等方面进行简单阐述。 关键字：合成生物学、研究内容、工程本质、基础研究、应用研究、研究意义
Artificial genome synthesis
Abstract: Because the breaktrough advances in genome sequencing and DNA synthesis technology and tools that gave birth to “the assembly cell gene
Keywords: synthetic biology, research, engineering nature, basic research, applied research, research significance
1 合成生物学的研究内容
我们知道合成生物学即是通过人工设计和构建自然界中不存在的生物系统来解决能源、材料、健康和环境等问题，其研究内容主要包括以下几个方面[1,2]
（1）工程化的功能模块 包括各种分子的合成与模块化、亚细胞模块、生物合成基因网络[3] 、代谢途径和信号途径和信号转导通路[4,5] 、转运机制等。
（2）接口 调整和修改输入输出过程、
调整不同亚细胞组件间的层次化相互作用使得模块具有可拆装性
（3）开发平台 优化生物和非生物载体，达到提高工程系统效率、降低其维护成本和要求、提供某种特殊的鲁棒性及对环境的兼容性等目的。
（4）调控和通讯系统 包括生物部件的反馈、前馈机制，以及行为和通讯方式的模块化
（5）各种功能模块的仿真、预测算法
和相应软件。利用计算机辅助技术是降低实验成本的复杂性的有利工具。
1．生物大分子的合成与模块化，如蛋白质的工程化改造与模块化、核酸分子的等人工合成，例如S.A.benner等人工制成了两种核苷——K和X，组成被其称为AEGIS的系统，而且证明了核苷酸的种类可以多达12种之多[6] 。
2．生物基因组的合成、简化和重构，包括人工合成全基因组，对生物基因组进行简化和重构。在这一方面，许多人做出了贡献，时间较近的如2008年，J.C.Venter小组合成了Mycoplasma genitalium生殖道支原体基因组[7] 。另外来自美国约翰霍普金斯医学院等处的研究人员首次完成一种真核生物，或者说复杂生物中的半人工合成染色体，这标志着真核生物大规模基因组工程又进了一大步，这一里程碑式的成果公布在Nature杂志上。
3. 合成代谢网络
4. 遗传/基因线路的重建。遗传线路俗称基因线路，是由各种调节元件和被调节的基因组合成的遗传装置，可以在给定条件下可调、可定时定量地表达基因产物。例如各种形式的基因表达调控开关、双稳态开关
[8,9
、脉冲发生器和级联线路等。
5.细胞群体系统及多细胞系统研究 目
前研究者利用人工构建的群体感应机制，已经开发出了许多具有崭新功能的细胞群体系统。例如，利用SOS 应急系统和群体感应的双稳态开关[10] ，能够达到高或低浓度的双稳态开关等。
6.数学模拟和功能预测 2 合成生物学的工程本质
合成生物学有一主要特点：工程化。
合成生物学的工程化研究主要有两种策略：自上至下和自下至上。自上至下策略主要用于分析阶段，试图利用抽提和解耦方法降低自然生物系统的复杂性，将其层层凝练成工程化的标准模块。例如通过敲除基因组中的除复制和功能性之外非绝对必须的遗传物质，简化基因组构建，达到可模拟和预测的目的；而自下至上的策略通常是指通过工程化方法，利用标准化模块，由简单到复杂构建具有期望功能的生物系统的方法。
上述两种策略都涉及最关键的三个工程化概念：对生物系统的标准化、解耦合抽提。标准化包括建立生物功能的定义、建立识别生物部件的方法以及标准生物部件的注册登记；解耦指将复杂问题分解成简单问题、将复杂系统分解成简单的要素，在统一框架下分别设计；抽提则包括建立装置和模块的层次，允许不同层次间的分离和有限的信息交换、开发重设计的和简化的装置和模块、构建具有统一接口的部件库等。 3 合成生物学的基础研究
合成生物学的基础研究包括两大部分，首先进行模拟逻辑功能的基础研究，包括逻辑门功能的遗传线路，如或门功能的遗传线路和与门功能的遗传线路。除了逻辑门的遗传线路外，最基本的基因表达调控部件即是控制基因表达的各种“基因开关”。基因开关是指某种化学诱导物存在或缺乏时，或者在两个独立的外源刺激作用下，基因处于两种可能状态中的一种的系统，包括转换开关、核糖开关、双相开关双稳态开关等。通常我们在研究时，首先进行基因线路设计，然后对基因线路所具有的功能进行实现，通过模拟建立数学模型，最后将所有的开关导入某个菌体中验证其功能。除此之外，我们
除了要在单细胞内构建遗传线路，更要考虑细胞群体间的协同作用。如同在大规模和超大规模的电子线路中一样，在生物系统中，脉冲信号仍然是重要的同步时钟信号。如S.Basu等设计了细胞群体脉冲发生器。该系统包括信号发生细胞和脉冲发生细胞等两种细胞。
除了模拟逻辑功能的基础研究外，合成生物学还包括其他很多方面的研究。比如控制群体数量的基因线路、人工细胞群体图案系统、人工转录级联线路、工程化的支架蛋白、重构T7噬菌体基因组等方面的研究等。 4合成生物学的应用研究[11]
合成生物学的应用研究主要涉及到三大方面，第一应用于维护人类健康；在工程化设计思想的指导下，通过利用标准化、可互换的生物部件，合成生物学在疾病机理和药物研究研究方面已经取得了一些令人瞩目的成绩。在疾病机理研究方面V.Rolli等在果蝇细胞中人工重构了B细胞抗原受体信号处理过程，使研究者对于信号网络拓扑结构有了更深入的了解，并且证实了是由于正反馈回路导致BCR信号的强烈放大。M.M.Becker等用合成生物学方法蝙蝠病毒刺突蛋白的针结构域与感染人类的SARS病毒相应蛋白的外结构域互换，使这种工程化病毒能够在鼠科和灵长类动物细胞中复制，为SARS病毒的研究开发了平台，从而帮助人们了解动物源性病毒怎样获得感染人类的向性，促进了对SARS病毒变异的研究和预防。在新药研究方面，W.Weber等利用基因合成线路筛选提高抗结核药物活性的小分子。
D.Aubel等进行抗感染分子的筛选。V.Gonzalez-nicolini等构建了抗癌药物筛选
的人工基因网络。G.Stephanopoulos利用合成生物学技术合理设计了抗菌肽。此外，合成生物学可用于疾病治疗与防御方面，如J.J.Collins利用合成生物学方法对噬菌体进行改造提高其抗菌活性，旨在利用工程化噬菌体杀灭人类的治病细菌。
合成生物学的第二方面应用主要是用于生产生物能源，如利用工程化的大肠杆菌非发酵代谢途径生物合成高级醇。第三合成生物学还可用于环境治理如砷离子的检测。此外合成生物学在其他方面也有一些应用，如大肠杆菌成像系统、微生物计算系统等。 5 合成生物学的研究意义
合成生物学作为一种实验手段，它与经典生物技术不同。传统的生物技术需要反复实验，而合成生物学却尝试着结合数学、计算机方法和工程学设计和改造生物系统。其目的是将生物系统的合成和遗传线路的链接工程化，与集成电路的制造方法一样，先设计、再制造、再设计。其最终目的是要通过这种理性设计和再设计的过程，获得人们所需要的生物功能，并通过实验得以实现。其研究的主要任务是通过工程化的策略加速生物学研究和应用的进程，同时利用人工合成的生物系统验证和深化人类对于生物乃至生命的理解[11]。
参考文献
[1] Blake W J, Isaacs F J.Synthetic biology evolves.Trends Biotechnol. 2004, 22(7): 321-324
[2] Greber D, Fussenegger M. Mammalian
Synthetic
biology:
Engineering
of
sophisticated gene networks.J.
Biotechnol. ,2007, 10:246-253
[3] Sprinzak D, Elowitz MB. Reconstruction of genetic circuits .Nature, 2005, 438(24): 443-448
[4] Meyer A, Pellaux R, Panke S.
Bioengineering novel in vitro metabolic pathways using synthetic biology, Curr. Opin.Microbiol. , 2007, 10: 246-253 [5] Alon Z, Mayo A E, Rosenberg R. Just in time transcription program in metabolic pathways. Nat. Genet., 2004, 36:486-491 [6] Benner S A, Sismour A M. Synthetic
biology. Nat.Rev.Genet,2005,6:533-543 [7] Gibson D G. Complete Chemical Synthesis, Assembly and cloning of a Mycoplasma gennitalium
Genome.Science,
2008,
319:1215-1220.
[8] Gardner T S, Cantor C R, Collins J
J.Construction of a genetic toggle switch in E.coli. Nature, 2000, 403: 339-342 [9] Atkinsin M R, Savageau M A, Myers J T.Development
of
genetic
circuitry
exhibiting toggle switch or oscillatory behavior in E.coli.Cell, 2003, 113: 597-607
[10] Garcia-Ojalvo J, Elowitz M B,Strogatz S
H.Modeling a synthetic multicellular clock: Repressilators coupled by quorum sensing. Proc. Natl.Acad.Sci USA, 2004, 101: 10955-10960.
[11] 宋凯，黄熙泰 合成生物学导论 科学出
版社
人工基因组的合成
化工学院 生物化工(硕) 2011207323 杨晓娜
摘要：由于基因组测序及DNA合成技术与工具的突破性进展,催生了“组装细胞基因”和“合成生物学”的出现。合成生物学（Synthetic Biology）就是以人工手段制造生物系统，与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。本文将从合成生物学的研究内容、工程本质、近年来的基础研究和应用研究以及合成生物学研究的意义等方面进行简单阐述。 关键字：合成生物学、研究内容、工程本质、基础研究、应用研究、研究意义
Artificial genome synthesis
Abstract: Because the breaktrough advances in genome sequencing and DNA synthesis technology and tools that gave birth to “the assembly cell gene
Keywords: synthetic biology, research, engineering nature, basic research, applied research, research significance
1 合成生物学的研究内容
我们知道合成生物学即是通过人工设计和构建自然界中不存在的生物系统来解决能源、材料、健康和环境等问题，其研究内容主要包括以下几个方面[1,2]
（1）工程化的功能模块 包括各种分子的合成与模块化、亚细胞模块、生物合成基因网络[3] 、代谢途径和信号途径和信号转导通路[4,5] 、转运机制等。
（2）接口 调整和修改输入输出过程、
调整不同亚细胞组件间的层次化相互作用使得模块具有可拆装性
（3）开发平台 优化生物和非生物载体，达到提高工程系统效率、降低其维护成本和要求、提供某种特殊的鲁棒性及对环境的兼容性等目的。
（4）调控和通讯系统 包括生物部件的反馈、前馈机制，以及行为和通讯方式的模块化
（5）各种功能模块的仿真、预测算法
和相应软件。利用计算机辅助技术是降低实验成本的复杂性的有利工具。
1．生物大分子的合成与模块化，如蛋白质的工程化改造与模块化、核酸分子的等人工合成，例如S.A.benner等人工制成了两种核苷——K和X，组成被其称为AEGIS的系统，而且证明了核苷酸的种类可以多达12种之多[6] 。
2．生物基因组的合成、简化和重构，包括人工合成全基因组，对生物基因组进行简化和重构。在这一方面，许多人做出了贡献，时间较近的如2008年，J.C.Venter小组合成了Mycoplasma genitalium生殖道支原体基因组[7] 。另外来自美国约翰霍普金斯医学院等处的研究人员首次完成一种真核生物，或者说复杂生物中的半人工合成染色体，这标志着真核生物大规模基因组工程又进了一大步，这一里程碑式的成果公布在Nature杂志上。
3. 合成代谢网络
4. 遗传/基因线路的重建。遗传线路俗称基因线路，是由各种调节元件和被调节的基因组合成的遗传装置，可以在给定条件下可调、可定时定量地表达基因产物。例如各种形式的基因表达调控开关、双稳态开关
[8,9
、脉冲发生器和级联线路等。
5.细胞群体系统及多细胞系统研究 目
前研究者利用人工构建的群体感应机制，已经开发出了许多具有崭新功能的细胞群体系统。例如，利用SOS 应急系统和群体感应的双稳态开关[10] ，能够达到高或低浓度的双稳态开关等。
6.数学模拟和功能预测 2 合成生物学的工程本质
合成生物学有一主要特点：工程化。
合成生物学的工程化研究主要有两种策略：自上至下和自下至上。自上至下策略主要用于分析阶段，试图利用抽提和解耦方法降低自然生物系统的复杂性，将其层层凝练成工程化的标准模块。例如通过敲除基因组中的除复制和功能性之外非绝对必须的遗传物质，简化基因组构建，达到可模拟和预测的目的；而自下至上的策略通常是指通过工程化方法，利用标准化模块，由简单到复杂构建具有期望功能的生物系统的方法。
上述两种策略都涉及最关键的三个工程化概念：对生物系统的标准化、解耦合抽提。标准化包括建立生物功能的定义、建立识别生物部件的方法以及标准生物部件的注册登记；解耦指将复杂问题分解成简单问题、将复杂系统分解成简单的要素，在统一框架下分别设计；抽提则包括建立装置和模块的层次，允许不同层次间的分离和有限的信息交换、开发重设计的和简化的装置和模块、构建具有统一接口的部件库等。 3 合成生物学的基础研究
合成生物学的基础研究包括两大部分，首先进行模拟逻辑功能的基础研究，包括逻辑门功能的遗传线路，如或门功能的遗传线路和与门功能的遗传线路。除了逻辑门的遗传线路外，最基本的基因表达调控部件即是控制基因表达的各种“基因开关”。基因开关是指某种化学诱导物存在或缺乏时，或者在两个独立的外源刺激作用下，基因处于两种可能状态中的一种的系统，包括转换开关、核糖开关、双相开关双稳态开关等。通常我们在研究时，首先进行基因线路设计，然后对基因线路所具有的功能进行实现，通过模拟建立数学模型，最后将所有的开关导入某个菌体中验证其功能。除此之外，我们
除了要在单细胞内构建遗传线路，更要考虑细胞群体间的协同作用。如同在大规模和超大规模的电子线路中一样，在生物系统中，脉冲信号仍然是重要的同步时钟信号。如S.Basu等设计了细胞群体脉冲发生器。该系统包括信号发生细胞和脉冲发生细胞等两种细胞。
除了模拟逻辑功能的基础研究外，合成生物学还包括其他很多方面的研究。比如控制群体数量的基因线路、人工细胞群体图案系统、人工转录级联线路、工程化的支架蛋白、重构T7噬菌体基因组等方面的研究等。 4合成生物学的应用研究[11]
合成生物学的应用研究主要涉及到三大方面，第一应用于维护人类健康；在工程化设计思想的指导下，通过利用标准化、可互换的生物部件，合成生物学在疾病机理和药物研究研究方面已经取得了一些令人瞩目的成绩。在疾病机理研究方面V.Rolli等在果蝇细胞中人工重构了B细胞抗原受体信号处理过程，使研究者对于信号网络拓扑结构有了更深入的了解，并且证实了是由于正反馈回路导致BCR信号的强烈放大。M.M.Becker等用合成生物学方法蝙蝠病毒刺突蛋白的针结构域与感染人类的SARS病毒相应蛋白的外结构域互换，使这种工程化病毒能够在鼠科和灵长类动物细胞中复制，为SARS病毒的研究开发了平台，从而帮助人们了解动物源性病毒怎样获得感染人类的向性，促进了对SARS病毒变异的研究和预防。在新药研究方面，W.Weber等利用基因合成线路筛选提高抗结核药物活性的小分子。
D.Aubel等进行抗感染分子的筛选。V.Gonzalez-nicolini等构建了抗癌药物筛选
的人工基因网络。G.Stephanopoulos利用合成生物学技术合理设计了抗菌肽。此外，合成生物学可用于疾病治疗与防御方面，如J.J.Collins利用合成生物学方法对噬菌体进行改造提高其抗菌活性，旨在利用工程化噬菌体杀灭人类的治病细菌。
合成生物学的第二方面应用主要是用于生产生物能源，如利用工程化的大肠杆菌非发酵代谢途径生物合成高级醇。第三合成生物学还可用于环境治理如砷离子的检测。此外合成生物学在其他方面也有一些应用，如大肠杆菌成像系统、微生物计算系统等。 5 合成生物学的研究意义
合成生物学作为一种实验手段，它与经典生物技术不同。传统的生物技术需要反复实验，而合成生物学却尝试着结合数学、计算机方法和工程学设计和改造生物系统。其目的是将生物系统的合成和遗传线路的链接工程化，与集成电路的制造方法一样，先设计、再制造、再设计。其最终目的是要通过这种理性设计和再设计的过程，获得人们所需要的生物功能，并通过实验得以实现。其研究的主要任务是通过工程化的策略加速生物学研究和应用的进程，同时利用人工合成的生物系统验证和深化人类对于生物乃至生命的理解[11]。
参考文献
[1] Blake W J, Isaacs F J.Synthetic biology evolves.Trends Biotechnol. 2004, 22(7): 321-324
[2] Greber D, Fussenegger M. Mammalian
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sophisticated gene networks.J.
Biotechnol. ,2007, 10:246-253
[3] Sprinzak D, Elowitz MB. Reconstruction of genetic circuits .Nature, 2005, 438(24): 443-448
[4] Meyer A, Pellaux R, Panke S.
Bioengineering novel in vitro metabolic pathways using synthetic biology, Curr. Opin.Microbiol. , 2007, 10: 246-253 [5] Alon Z, Mayo A E, Rosenberg R. Just in time transcription program in metabolic pathways. Nat. Genet., 2004, 36:486-491 [6] Benner S A, Sismour A M. Synthetic
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Genome.Science,
2008,
319:1215-1220.
[8] Gardner T S, Cantor C R, Collins J
J.Construction of a genetic toggle switch in E.coli. Nature, 2000, 403: 339-342 [9] Atkinsin M R, Savageau M A, Myers J T.Development
of
genetic
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exhibiting toggle switch or oscillatory behavior in E.coli.Cell, 2003, 113: 597-607
[10] Garcia-Ojalvo J, Elowitz M B,Strogatz S
H.Modeling a synthetic multicellular clock: Repressilators coupled by quorum sensing. Proc. Natl.Acad.Sci USA, 2004, 101: 10955-10960.
[11] 宋凯，黄熙泰 合成生物学导论 科学出
版社