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合成生物学研究进展

发布时间：2016-05-15 来源：文档文库

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第６６卷第８期　２０１５年８月　化工　学报　、，０１．６６　ＮＯ．８　Ａｕｇｕｓｔ　２０１５　ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ　速写　麓　））　≥：）ｊ｝３０：３００　３３：：）：　合成生物学研究进展　林章凛，张艳，王胥，刘鹏　（清华大学化学工程系，北京１０００８４）　摘要：合成生物学是以工程化设计思路，构建标准化的元器件和模块，改造已存在的天然系统或者从头合成全新　的人工生命体系，实现在化学品合成（包括材料、能源和天然化合物）、医学、农业、环境等领域的应用。人们利　用基本的生物学元件设计和构建了基因开关、振荡器、放大器、逻辑门、计数器等合成器件，实现对生命系统的　重新编程并执行特殊功能。模块化处理生物的代谢途径，并在底盘细胞上进行组装和优化，可以实现大宗化学品　和精细化学品的合成。目前人们已经在丁醇、异丁醇、青蒿素和紫杉醇等化合物的生物合成上取得了重要进展。　近年来还发展了多种基因组编辑和组装技术，可精确地对基因组进行编辑，人们还成功地合成了噬菌体基因组、　支原体基因组和酵母基因组。在未来的５０～１００年内，合成生物学将对人类的医疗、化学品制造（含药品）、军事　产生渐进性的、渗透性的但颠覆性的意义。　关键词：合成生物学：生化工程；代谢；元器件；模块；基因线路；化学品合成；基因组　ＤＯＩ：１０．１１９４９￣．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１５０６４８　中图分类号：Ｑ　８１　文献标志码：Ａ　文章编号：０４３８—１１５７（２０１５）０８—２８６３—０９　Ｒｅｃｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｂｉｏｌｏｇｙ　ＬＩＮ　Ｚｈａｎｇｌｉｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ，ＷＡＮＧ　Ｘｕ，ＬＩＵ　Ｐｅｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｂｉｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ　ｐａｒｔｓ，ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｔｏ　ｍｏｄｉｆｙ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ｌｉｆｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅ　ｎｏｖｏ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｌｉｆｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｂｉｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｂｉｏｆｕｅｌｓ　ａｎｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ），ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ｎｄ　ｅｎｖｉａｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐａｒｔｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｏｇｇｌｅ　ｓｗｉｔｃｈ，ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ｇａｔｅｓ　ａｎｄ　ｃｅｌｌｕｌａｒ　ｃｏｕｎｔｅｒ．Ｔｈｅｓｅ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｒｅｐｒｏｇｒａｍ　ｌｉｆｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｔｏ　ｐｅｒｆｏｒｍ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ　ｍｅｔａｂｏｌｉｃ　ｐａｔｈｗａｙｓ　ａｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｅｌｌｕｌａｒ　ｃｈａｓｓｉｓ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｕｌｋ　ａｎｄ　ｆｉｎｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｂｕｔａｎｏｌ，ｉｓｏｂｕｔａｎｏｌ，　ａｒｔｅｍｉｓｉｎｉｎ，ａｎｄ　ｔａｘｏ１．Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ　ｈａｖｅ　ａｌｓｏ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｇｅｎｏｍｅ—ｅｄｉｔｉｎｇ　ａｎｄ　ＤＮＡ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｍａｋｉｎｇ　ｉｔ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｔｏ　ｐｅｒｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｅｄｉｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｏｆ　ｇｅｎｏｍｅｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，　ｇｅｎｏｍｅｓ　ｏｆ　ｂａｃｔｅｒｉｏｐｈａｇｅ，Ｍｙｃｏｐｌａｓｍａ　ｇｅｎｉｔａｌｉｕｍ　ａｎｄ　Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ　ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ　ｈａｖｅ　ａｌｓｏ　ｂｅｅｎ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｅｘｔ　５０—１　０Ｏ　ｙｅａｒｓ．ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｂｉｏｌｏｇｙ　ｗｉｌｌ　ｈａｖｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，　ｃｈｅｍｉｃａｌ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄｒｕｇｓ）ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ａｎｄ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ａｆｆａｉｒｓ．Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｂｉｏｌｏｇｙ　ｗｉｌｌ　ｈａｖｅ　ａ　ｇｒａｄｕａｌ　ｂｕｔ　ｄｉｓｕｐｔｒｉｖｅ　ｍｅａｎｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｂｉｏｌｏｇｙ；ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｍｅｔａｂｌｉｓｍ；ｐａｒｔｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｉｃｅｓ；ｍｏｄｕｌｅｓ；ｇｅｎｅｔｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ；　２０１５．０５．２１收到初稿，２０１５．０５．２８收到修改稿。　联系人及第一作者：林章凛（１９６７一），男，教授。　基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（２Ｏ１３ｃＢ７３３９００）。　Ｒｅｇｅｉｖｅｄ　ｄａｔｅ：２０１５—０５．２１．　Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＬＩＮ　Ｚｈａｎｇｌｉｎ，ｚｈａｎｇｌｉｎｌｉｎ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．　ｅｄｕ．ｃａ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｔｅｍ：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｂａｓｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆＣｈｉｎａ（２０１３ＣＢ７３３９０ｏ）．　
・２８６４・　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ；ｇｅｎｏｍｅ　化工学报　第６６卷　引　言　合成生物学是以系统生物学的研究为基础，使　用“问题导向”和“自下而上”的工程化设计思路，　构建标准化的元器件和模块，改造已存在的天然系　统以获得具有新功能的生物体系，或者从头合成全　新的人工生物体系，其示意图如图１所示。合成生　物学在经典的基因工程和代谢工程的基础上整合了　国２０１１年开始规划合成生物学研究计划，到目前部　署了１０个合成生物学国家重点基础研究发展计划　（９７３计划）项目和１个国家高技术研究发展计划　（８６３计划）重大项目。工作重点在元器件库、化　学品与材料（包括药品和天然化合物）的合成、肿　瘤诊治、微生物和植物抗逆、生物固氮等研究。由　于启动比较晚，整体的研究尚处于跟踪阶段。但是　可以预见，合成生物学研究将对国家的经济和社会　发展带来重大意义。　工程学、电子学、计算机学、数学等多门学科的内　容，加深人们对细胞机理、调控网络、生物进化等　生命本质的认识，还能实现对生命系统的重新编程，　执行特殊的生物功能。合成生物学在化学品合成　１　基本元件　启动子、基因编码序列、终止子、转录调控蛋　白因子、核糖体结合位点（ＲＢＳ）、调控小ＲＮＡ分　（包括材料、能源和天然化合物）、医学、农业、环　境等领域都有重要的应用价值。　“合成生物学”给生物技术产业带来了空前的　一　子等都是合成生物学的基本元件。人们开始系统定　量表征自然界的天然元件，并开发了许多基于天然　变革，被誉为可改变世界的十大新技术之一【１］。合　成生物学的发展引起了科学界和政府的高度重视。　如美国国防部最近公布了未来五年的科研战略部　署，包括了合成生物学在内的六大“颠覆性技术”。　他们认为合成生物学可用于军用药物的快速合成、　元件的突变人工元件。除了上述最基础的元件外，　人们还开发了一些新型的元件，例如基因间序列元　件、ＤＮＡ位点标签元件、ＲＮＡ适配子元件等，并　着力不断扩大这些人工元件的种类和数量。这些元　件共同构成合成生物学的元件库。如图１所示，借　生物病毒战、基因改良和人体快速损伤修复等。中　助电路设计和计算机编程的设计思路，可以进行人　ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ｏｒ　