合成生物学

572军事医学科学院院刊2006年12月第30卷 第6期66 - 69.503 -517.[3 ] Quesneville H , Nouaud D , Anxolabehere D et al. Recurrent re-[ 10] Pothof J , van Hatn G ,hijssen K. Identification of genes thatcruitment of the THAP DNA- binding domain and molecular do-protect the C. elegans genome against mutations by genome-widemestication of the P-transposable element[ J ] Mol Biol Evol ,RNA[J] Genes Dev ,2003 ,17( 4 ):443 - 448.2005 ,22(3 ):741 -746.[11 ] Deiss LP ,Feinstein E , Berissi H el al. An ienification of a no-[4] Clouaire T , Roussigne M , Ecochard V. The THAP domain ofvel serine/ threonine kinase and a novel 15-kD protein as potentialTHAPI is a large C2CH module with zinc-dependent sequence-mediators of the garnma interferon-induced cell deat[ J ] Genesspecifie DNA-binding activity[ J ] Proe Natl Acad Sci USA ,Dev ,1995 ,9(1 ):15 -30.2005 , 102( 19):6907 - 6912.[ 12 ] Bhaskar V , Valentine SA , Courey AJ. A functional interaction[5] Lin Y , Khokhlatchev A , Figeys D et al. Death-associated proteinbetween dorsal and components of the Smt3 conjugation machinery4 binds MST1 and augments MSTI -induced apoptosi[ J] J Biol[J] J Biol Chem ,2000 ,275( 6 ):4033 - 4040.Chem ,2002 ,277( 50 ) :47991 - 48001.[ 13] Macfarlan T , Kutney S , Altman B ,et al. Human THAP7 is a[6] Gale M Jr ,Blakely CM , Hopkins DA el al. Regulation of inter-chromain-associated histone tail-binding protein that repressesferon-induced protein kinase PKR : modulation of P58( IPK ) in-transcription via recruitment of HDAC3 and nuclear hormone re-hibitory function by a novel protein P52( rIPK )[ J ] Mol Cellceptor corepressor[ J] J Biol Chem , 2005 , 280( 8 ): 7346 -Biol , 1998 ,18(2):859 - 871.7358.[7] Reddy KC , Villeneuve AM. C. elegans HIM-17 links chromatin[ 14] Macfarlan T , Parker JB , Nagata K ,et al. Thanatos-associatedmodification and competence for initiation of meiotic recombina-protein 7 associates with template activating factor- I β and inhib-tior[J] Cell ,2004 ,118(4) :439 -452.its histone acetylation to repress transcription[ J ]. Mol Endocri-[8] Ferguson EL , Horviz HR. The multivulva phenotype of certainnol ,2006 ,20( 2):335 -347.Caenorhabditis elegans mutants resuts from defects in two func- [ 15] Reddy KC , Villeneuve AM. C. elegans HIM-17 links chromatintionally redundant pathways[ J ] Genetics, 1989 , 123( 1 ):109-121.tior[ J]. Cell ,2004 ,118(4 ):439 -452.[9] Fay DS , KeenanS ,Han M. Fzr-1 and lin-35/ Rb function redun-(本文编辑姜晓舜)dantly to control cell proliferation in C. elegans as revealed by anonbiased synthetic screen[ J] Genes Dev , 2002 , 16( 4 ):军事医学科学院院刊_ 2006年12月 第30卷第6期合成生物学凌焱,段海清”,陈惠鹏(军事医学科学院生物工程研究所北京100850 )[摘要]合成生物学研究是个新兴而颇具前景的研究领域。该研究对多种天然的或人工设计的生物学元件进行了合理而系统的组合以获得重构的或非天然的生物系统”。从解构到重构生命体、由破到立的认识方式转变是对生物系统认识深入发展的必然结果。合成生物学研究就是连接这-过程的桥梁。本文对这-前沿领域的研究思路、近期主要研究成果及发展趋势做一概述。[关键词]合成生物学 系统生物学遗传线路图从头合成人工生命体[中图分类号] R1[文献标识码]A[文章编号] 100-5501( 2006 )06-0572-03Synthetic biologyLING Yan , DUAN Hai-Qing* , CHEN Hui-Peng中国煤化工( Institute of Biotechnology Academy of Military Medical Sciences ITYHCNMHG[ Abstract ] The emerging field of synthetic biology is of great potential. Synthetic biology is the synthesis of complex ,bi-ologically based ( or inspired ) systems which display functions that do not exist in nature. In essence , synthetic biology will[收稿日期] 2006 -06-16.[作者简介]凌焱(1977- )男北京市人在读博士生。*通讯联系人E-mail xduanhq2008@ 163. com军事医学科学院院刊2006 年12月第30卷第6期enable the design of biological systems in a rational and systematic way. Synthetic biology stands at the meeting-point of de-structing life and construction of life. In this article the current state of this field in scientific and technalogical perspectiveis reviewed and the potentially beneficial outcomes are explored.[ Key words ] synthetic biology ; systems biology ; genetic circuit ; de novo synthesis ; artificial life早在1978年就已有人预言合成生物学"时代将会来题.上(例如利用光能来处理废气、净化水)或者能制造出用临'。人工合成基因研究最早出现在20世纪60年代2]然化学与生物合成方法都难以获得的具有复杂结构的药物或而受到当时基因合成能力与成本因素的制约在飞速发展者将-些能对身体健康状况的改变做出应答的基因和蛋白的DNA重组技术备受瞩目时人工合成基因的应用十分有质整合成分子医生”,使其在多种疾病的发病早期就发送限。时过境迁随着遗传工程和系统生物学的发展人们对警示讯息[51湛至还可以协助人类寻找宇宙中的其他生命迹生物系统的认识逐步加深随着基因组数据库的日益丰富、象[°]。无疑结合了对基本生物学元件的深入了解和自由操生物信息学与材料科学领域的进步新的技术方法、更高的作能力的合成生物学的前景极其广阔。效率和更低的成本令人工合成生命体的设想开始成为可能。2近期研究成果合成生物学研究以-种崭新的姿态重新出现在学者们面前3。当前虽然在世界范围内合成生物学研究还没有形成系统化与规模化但也已经取得了不少令人欣喜的研究成果。1合成生物学的概念与意义2.1非天然的控制细胞生命活动的分子网络简单地说合成生物学( synthetic biology )旨在以人工手随着生命科学的飞速发展人们对生命体的认识越来越段制造出生物系统。其涵盖的研究内容可以大体分为3个透彻逐步开始设计并建造非天然的控制细胞生命活动的分层次:-是利用已知功能的天然生物模体(moif)或模块子网络。这种调控网络是由多种元件或模块经过重新组织、( module )构建成的新型调控网络并表现出新功能二是采用整合得到的用以实现特定目的。其组成结构可以与电子电从头合成de nooo synthesis )的方法人工合成基因组DNA并路相似,因此被称为遗传线路图( genetic cireuit )。向遗传线重构生命体第三个层次则是在前两个研究领域得到充分发路图中添加生物元件的操作犹如往电子电路里加入电阻或展之后创建完整的全新生物系统乃至人工生命体( arifial晶体管-样方便。例如有学者利用基因表达调控元件构成life)。这是一门涉及微生物学、分子生物学、系统生物学、遗了生物逻辑门、振荡器、反馈回路等组件8-101。有学者根据传工程、材料科学以及计算科学等多个领域的综合性交叉学细胞外部或内部某些特定参数的变化来控制细胞的生长、分科4。合成生物学与系统生物学( systems biology )有相似的化和代谢等生命活动的设计实现了非天然的信号转导。例逻辑关系,可以看作是后者在技术层面上的发展,因此也有如Bulter等")为细菌设计了特定的诱导分子,当这类分子人将其称作工程生物学"。无论提法如何变化其含义都.达到一定浓度时(即细菌生长达到-定密度时)将激活下是指经过合理而系统的设计再现或者创造出这样-些生物游代谢相关基因的表达。You等I2]设计的对菌体密度敏感系统,它们能在从分子到细胞、从组织到机体的多个水平上,的调控网络能导致细菌死亡，从而实现对大肠杆菌生长密度参与包括遗传与进化在内的复杂生物行为5。的调控。麻省理工学院的研究人员获得了能对不同光照条就科学意义而言,合成生物学变换了对生命体结构的认件做出应答的大肠杆菌3。利用代谢工程技术改造细胞代知顺序实现从细节到全局( bttom-up )认识生命体。例如,谢途径来合成复杂化合物的方法将大大降低药品或者材料研究细胞的手段将不再只是将其拆开分析,而能尝试着拼的生产成本直接造福大众。例如,Keasling 等向大肠杆菌中装。这可能是学者们在最初开始认识细胞时就已经产生的导入了来自苦艾草、酿酒酵母等其他物种的10个基因改造想法。学者们还可以将同种或不同种生物间的多个不相邻后的代谢系统表达出了能治疗疟疾的青蒿素等类萜类化合的功能模块组装到一个调控系统 下研究各个模块的工作状物41。况及其相互作用搭建出不同水平间交叉作用的立体全景尽管为细胞行为编程的研究还刚起步尚未直接应用于图°。从解构生命体到重构甚至创建生命体是由破到立的医学治疗领域,但我们已经可以预见在不远的将来，能通过认识方式转变拓展了对生物大分子系统组成原则的理解,修复功能缺陷细胞、定向攻击肿瘤细胞、刺激特定细胞的生是对生物系统认识深入发展的必然结果合成生物学就是连长和增殖等方法来治疗-系列疾病。包括组织修复与再生、接这一过程的桥梁”。个性化医疗以及智能药物研究在内的多个医学领域都将受合成生物学研究的意义不仅停留在科学层面在技术应益中国煤化工用上更有着诱人的发展前景。合成生物学研究在包括经济、2.2生命体健康、能源、环境、材料等诸多领域都极具应用价值巨大阳自基四出奴循牛时口血干富和DNA自动化合成效率MCHC NMH G_潜力将对我们的生活质量以及我们所生活的这个世界产生的不断提高,有人预见在未来10~20年内,合成基因将成为深远的影响。大胆设想学者们将可能构建出这样一些微生普通实验室的常用手段。在许多应用上合成手段将逐步取物,它们或者能够将廉价的原材料转化为可利用的物质(例代现有的重组技术[50。基因组记载了生命活动需要的遗传如可降解的塑料)或者能被应用在解决环境污染和能源问信息合成基因组的研究是如此重要以致有学者就将合成生574军事医学科学院院刊2006年12月第30卷 第6期物学视为建立在编码DNA基础上的生物系统的构建与应JAMA ,1968 206( 9 ) 1978 - 1982.用"[5。合成基因组-方面可用以研究难以获取的基因或[3] Hartwell LH , Hopfield JJ , Leibler S , et al. From molecular to人工设计的核酸序列的生物学特性另- -方面也是人工合成modular cell biologyC J ]. Nature ,1999 ,402( 6761 Suppl ):C47 -52.微生物的首要步骤。Wimmer小组最早报道了不依靠天然模板从头合成脊髓[4] McDaniel R , Weiss R. Advances in synthetic biology : on thepath from protoypes to applications[ J ] Curr Opin Biotechnol ,灰质炎病毒的研究151。以合成的病毒eDNA基因组为模板2005 ,16(4 ) :476 -483.指导合成的蛋白质具有与天然病毒蛋白质相似的感染能力。[5] Stahler P , Beier M , Gao X ,et al. Another side of genomics该结果证明了人工合成病毒确实可行同时也验证了已公布synthetic biology as a means for the exploitation of whole-genome的脊髓灰质炎病毒基因组序列的正确性。在这之后,Ventersequence informatio[ J] J Biotechnol ,2006 ,124( 1 ) :206 -等实现了人工全合成phi-X174噬菌体的基因组161。Venter212.研究小组是将合成病毒基因组作为合成人工微生物研究的[6 ] Benner SA. Synthetic biology :act natural[ J ] Nature 2003 A421第一步其长远目标是要应用人工微生物解决能源和环境问( 6919 ):118.题。美国能源部资助了该研究项目并认为这-工作如同早[7] de Lorenzo V , Serano L , Valencia A. Synthetic biology : chal-期的测序工作一样初看起来没什么大用但从长远的发展来lenges ahead[ J] Bioinfomatics 2006 22(2)127- 128.看却可能有着巨大的潜力。美国、加拿大与日本的学者们[8] Elowitz MB , Leibler S. A synthetic osillatory network of tran-scriptional rgulator[ J] Nature 2000 A403( 6767 ) 335 - 338.共同进行了合成甲型流感病毒的研究[7]。研究者们原想找到引起1918年流感大流行的病毒样本加以研究。但提取西[9] Yokobayashi Y , Weiss R ,Amold FH. Directed evolution of a ge-netic cireui[ J] Proc Natl Acad Sci USA , 2002 ,99( 26 ):班牙亚型流感活病毒的努力未果只收集到了-些可供研究16516- 16518.的基因片段。于是研究者们对收集到的DNA病毒片段进行[ 10] Kobayashi H , Kaem M ,Araki M ,et al. Programmable cells :in-分析据此人工合成了该株流感病毒编码HA和NA的基因,terfacing nalural and engineered gene networks[J ] Proe Natl进而获得了新的流感病毒。该病毒表现出与西班牙亚型流Acad Sci USA 2004 ,101( 22 ) 8414 - 8419.感病毒相近的致病性。这-研究仅依据基因组片段重新获[ 11] Bulter T ,LeeS , Wong WW ,et al. Design of rifieial cll-cell得了已经灭绝的毒株。conmunication using gene and metabolie networks[ J ] Proe Natl合成生物学研究有助于搞清楚病毒基因组所有序列在Acad Sci USA 2004 ,101( 8 ) 2299 - 2304.病毒的感染及免疫机制中发挥的作用体现了由解构生命向[12] You LC ,Cox RS , Weiss R ,et al. Progranmed population control重构生命发展的趋势，实现了迈向人工合成生命体的第一by cell-cell communication and regulated klling[ J ] Nature ,步。2004 428( 6985 ) 868 -871.[13] Levskaya A , Chevalier AA , Tabor JJ ,et al. Synthetic biology :3挑战与机遇并存engineerng Escherichia coli to see ligh[J] Nature ,2005 438( 7067 ) 141 -442.在描绘这个领域美好前景的同时我们也应该看到合成[ 14] Martin VJ , Pitera DJ , Withers ST ,et al. Engineering a meval-生物学的发展尚不能一蹴而就。 在现阶段阻碍其发展的重onate pathway in Escherichia coli for production of terpenoid[ J ]要因素是时间和费用的消耗[ 4]。最近在DNA的合成与错误Nat Biotechnol ,2003 21( 7 ) 796 - 802.校正技术.上' 19]取得的进步为合成长且复杂的全基因组提供[15] CelloJ , Paul AV , Wimmer E ,et al. Chemical synthesis of po-了快速廉价的方法。采用蛋白质介导[20]与特殊的杂交技liovirus cDNA : generation of infectious virus in the absence of术21]等错配碱基修正的方法为DNA合成中经常出现的错natural templateC J] Science ,2002 297( 5583 ) :1016 - 1018.配问题提供了更好的解决方案。合成生物学研究必须突破[ 16] Smith HO , Hutchison CA 3rd , Pfannkoch C ,et al. Generating a制约瓶颈才能蓬勃发展起来。synthetic genome by whole genone assembly : phi-X174 bacterio-作为后基因组时代的一门新兴学科合成生物学已经表phage from synthetic oligonucleotides[ J] Proe Nal Acad Sci现出了巨大的生命力和广阔前景但随之而来的生物伦理和USA 2003 ,10(0 26 ) 15440 - 15445.生物安全等备受关注的问题令-些学者望而却步。这不由. [ 17 ] Kobasa D ,Takada A , Shinya K ,et al. Enhanced virulence of in-fluenza A viruses with the haemagglutinin of the 1918 pandemic得让人联想到在30多年前方兴未艾的DNA重组技术是否viru[ J]. Nature 2004 431( 7009 ) 703 -707.会对人类健康造成威胁这-问题也曾困扰过分子生物学界[18] Binkowski BF ,Richmond KE , Kaysen J ,et al. Crrecting errors的精英们。机遇与风险并存虽然合成生物学的发展还面临in synthetie DNA through consensus shuffling[ J ] Nucleic Acids着理论、技术等诸多问题，但其可行性与重要性已是有目共睹及早开展合成生物学研究将极大地推动经济与社会的发展犹豫不决会坐失良机。MHC NM H G1 Nucleie Acids Res 2004 32( 20 ) 2e162.[参考文献][20] TianJ ,Gong H ,Sheng N ,e al. Accurale muliplx gene synthe-[ 1 ] Szybalski W ,kalka A. Nobel prizes and rstriction enzyme[ J]sis from progranmable DNA microchips[ J ]. 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