化学合成生物学课件.ppt

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1、化学合成生物学,生命是什么？,Erwin Schrdinger 18871961,物理学家对量子力学的研究，应用到对分子生物学的思考。试图用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本性。它是为门外汉写的通俗作品，然而事实证明它已成为分子生物诞生和随后DNA发现的激励者和推动者,两个极为重要的结论：基因中存在一种微型密码，以及基因遗传性状的持久性。,中 心 法 则,转录水平调控,翻译水平调控,DNA,蛋白质,转录,翻译,复制,复制,逆转录,调控,调控,There are known knowns;there are things we know we know.,Donald Henry Rums

2、feld,We also know there are known unknowns;that is to say we know there are some things we do not know.,But there are also unknown unknowns the ones we dont know we dont know.,评述伊战：已知与未知,合成生物学Biobuilder,Waclaw Szybalski(1974)通过设计组装自然的基因和蛋白来重塑生命系统，验证基本原理。,Adleman(1994)用天然的生物分子组装非天然的系统（使E coli闻起来像香蕉）,

3、Lehn(1987)用非天然的分子模拟天然分子的功能-仿生化学。,如果能用不同结构分子复制生理现象，那证明我们已经理解背后的化学过程。,合成生物学概念的发展,合成生物学,A)设计和组装生物组件、设备或系统B)改造自然界已有的生物系统以获得新功能,“为了理解生命，就有必要从头开始。”,合成生物学代表性事件,1980年：Hobom 提出用它表述基因重组技术,2000年：Kool重新提出用它定义从基因片段、人工碱基 DNA分子、基因调控网络与信号转导路径到细胞 的人工设计与合成。Nature报道了两篇人工合成 基因线路研究成果。,2008年：吉布森（Gibson）等人报道了世界上第一个完 全由人工化

4、学合成、组装的58万个碱基的细菌 基因组。,2010年：在花费了40,000,000美元和15年的努力后，吉 布森（Gibson）和他的同事们(Craig Venter)宣布，世界上第一个由纯人工合成创造的细菌 物种“Synthia”诞生了。,Synthia：“合成的细胞”,2007细菌基因组间的移植,2008全化学合成及组装支原体基因组,2009细菌基因组导入酵母细胞拼接修饰,2010创造了第一个化学人工合成的基因组,Syhthia合成图解,2006年,2005年,2011年创立,2010年创立,2012年创刊,2012年起收录,2013年创刊,2014年创刊,Focus Issue,合成生

5、物学研究内容,1.用人造的分子去模拟组装自然的生命系统,分子与系统的组装调控化学合成生物学对现有生物学定律、原理的验证在基础研究中具有重要意义,2.用自然的分子组装自然界没有的系统,基因操作基因工程学、代谢工程学通过对不同物种来源的部件、系统的组装，获得有益的产物积累在应用和开发研究中具有重要意义,1998年诺贝尔生理学及医学奖，发现NO在心血管系统中起信号分子作用。,2014年诺贝尔化学奖，发展了超分辨率荧光显微技术。,化学催生众多新兴交叉前沿学科,与生命科学相关的诺贝尔化学奖有24次之多,合成化学Synthetic Chemictry,合成生物学Synthetic Biology,化学合成

6、生物学Chemical Synthetic Biology,合成化学与合成生物学博弈中前行,Phil Baran,Jay Keasling,化学合成生物学核酸类似物,Boli和Eschenmoser等将RNA呋喃糖替换成吡喃糖，并实现有模板、稀溶液状态下的吡喃糖低聚物的聚合反应。肽核酸(Peptide Nucleic Acid，PNA):一类以多肽骨架取代磷酸骨架的DNA/RNA类似物，能模拟Watson-Crick碱基配对并特异性识别DNA/RNA。锁核酸(Locked Nucleic Acid，LNA):新型的寡核酸衍生物,-D-呋喃核糖的 2O 与4C位通过缩水作用形成环形结构，呋喃糖锁

7、定在C3内型的N构型，形成刚性缩合结构。,从头创造生命，尝试可替代生物分子,PNA/LNA广泛应用于荧光原位杂交FISH中。,PNA/LNA-siRNA,2-OMe:对RNA是在2O的位置进行甲基化得到的衍生物。,核酸类似物应用,非天然碱基对（Unnatural Base Pair)具有三大挑战,非天然碱基对的设计与应用,人造碱基能否扩增遗传密码？,Benner非天然碱基对,ACS Synth Biol.2014 Aug 19,Benner非天然碱基对p/z在体外能被转录不同核酸酶对合成含非天然碱基对的RNA具有特征的降解谱。(T1不能切rZ或rP，而RNase A 能切割rZ 而不切rP。提

8、示：Benner非天然碱基对与标准的RNA存在区别),RNA sequence:5-HO-GGC AGA GAG GAA GAA G-U-A C-GA CAG GCA AGC,Romesberg非天然碱基对有较好的代谢稳定性和出胞能力LC-MS和测序结果均证实细菌中含有非天然碱基对,Romesberg非天然碱基对,Nature.2014 May 15;509(7500):385-8,LC-MS,Sequencing,诞生了第一个扩展遗传密码的细菌,ACS Chem.Biol.,2014,9(5),pp 11041112,非天然氨基酸合成和应用,解决的关键问题包括：有识别非天然pSer/pTyr

9、氨酰-tRNA合成酶非天然氨基酸在胞内的积累Knowdown水解酶,蛋白质人工合成,研究意义：回答组成生命的“少数蛋白”为什么以及如何被选择出来NBP为研究大分子折叠和稳定性的普适规律，复杂系统设计提供模式工具。,结晶牛胰岛素,一段编码100个氨基酸，理论上翻译得到20100种蛋白,多肽的自然化学连接理论（Native Chemical Ligation,NCL),基于肽酰肼连接的多肽合成,Dang B.et al.J Am Chem Soc.2013 Aug 14;135(32):11911-9.Fang G M et al.Angew Chem Int Ed.2011.50(33):764

10、57649,1965年,1994年,2011年,极小细胞（Minimal cell mimicry）,合成cell-like系统示意图,独立组分有序的化学系统组分（如脂质）的合成生长和分裂,Nature Chemistry 3,755756(2011),解决关键问题：寻找维持生命最简单的组分,Artemisia annua,代谢工程 青蒿素的生物合成,Nature.2006 Apr 13;440(7086):940-3,紫杉醇的生物合成,Science.Oct 1,2010;330(6000):7074.,多变量模块化的代谢途径工程方法：调整模块中基因元件表达水平，减少中间抑制物的累积，使紫衫

11、二烯的产量提高15000倍。,Shota A et al.Nature.2008(451),86-89,生物燃料支链高级醇的生物合成,非发酵合成：通过改造E.coli氨基酸合成代谢途径，以葡萄糖为原料生成酮酸中间体，并最终转化合成了1-丁醇以及其他形式的高级醇。,Lan E I,and Liao J C PNAS 2012;109:6018-6023,CoA依赖的1-丁醇的生物合成,EC,E.coli;RE,R.eutropha;CA,C.acetobutylicum;AC,A.caviae;TD,T.denticola;CS,C.saccharoperbutylacetonicum N1-4

12、;CL190,Streptomyces sp.strain CL190,通过蓝细菌的光合作用生成ATP，ATP消耗克服热力学壁垒，驱动乙酰COA至乙酰乙酰辅酶A的转化，这是最关键的一步。进一步整合不同来源的催化酶，最终实现光合催化1-丁醇的合成。,虾青素三种结构,工程番茄第一代表型,从单细胞藻类小球藻克隆虾青素合成基因，解决了在植物中积累的关键问题，获得高产虾青素的工程番茄新品种。吃番茄保健。,Huang J.C,et al.Metabolic Engineering.2013.02.005,我国代表性进展,产油酵母的遗传改造,Growth on Hygromycin plates,建立了产油

13、酵母的遗传操作平台，为利用其特殊的生产性能，构建新的生物合成体系提供了技术支撑，实现水相发酵。,Lin XP,et al.FEMS Yeast Res.2014,14,547,人工辅酶适配的生命系统,糖,还原力NAD(P)H连接胞内物质代谢和能量代谢，并广泛参与其他生物学过程。,问题：如何途径选择性传递还原力?(选择性传递还原力对控制物质代谢，突破生物合成的效率瓶颈具有决定性意义)对策：创建正交氧化还原体系（“NXDH”+新酶）,Cell出版社刊物:Trends in Biotechnology 2013,31(1),5260,“Coping with complexity in metabo

14、lic engineering”,.orthogonal metabolism will have to operate independently of cofactor regeneration by the host cell.We have already seen the first studies addressing this issue 49.,正交代谢途径必须独立于宿主内源的辅酶再生体系。我们已经看到解决该难题的首例研究 49,按照该策略，改造ATP依赖型蛋白也很有希望,Mampel J,Buescher JM,Meurer G,Eck J,Angew.Chem.In.Ed.

15、2013,39,12308-12312Org.Lett.2012,14(16),4142-4145,复用组合生物合成(Multiplex Combinatorial Biosynthesis,MCB),在酵母中人工构建的极化网络：利用嵌合信号蛋白工具箱在空间上指导磷脂酰肌醇-3磷酸(PIP3)合成与降解。具有组合模体的环路生成了明确的人造PIP3极化网络，持续近1小时。,遗传时序逻辑门元件：构建双稳定的记忆模块，同时构建双抑制启动子NOR模块，通过定向进化整合两个模块，成为一个push-on&push-off开关,Mol Syst Biol.2010;6:350.Cell.2012 Oct 1

16、2;151(2):320-32.,合成元件与系统,化学合成生物学未来在何方？,化学合成生物学,合成新生命,合成机器,让合成一切成为可能！,合成非天然大分子,展望 一、发展更多功能性元件，发展足够大的元件库,ACS Synth.Biol.,2014,3(4),pp 204209ACS Synth.Biol.,2014,3(6),pp 410415,代谢途径的人工关联实现了两个细胞间的通讯,cell-free体系中通过单个蛋白或多肽的合成来设计和筛选合成的操纵子，发展新元件,library,synthetic operon,重点：足够大的元件库，成功设计组装并实现个体调控,构建群体效应开关维持细胞

17、密度,关键酶的定向改造进化促进产物积累,人工构建导入代谢运载蛋白促进代谢分泌减少有毒物的积累,展望 二、代谢工程研究更加全面深入,重点：利用细胞代谢工程实现非天然大分子的生物合成以及产物的回收,抗生素合成工程化，结构多元化,天然药物（化学）合成生物学,Jay Keasling，美国发现杂志评选为2006年度最有影响的科学家之一，第18届 Heinz Award得主。,屠呦呦，2011年获拉斯克-狄贝基临床医学研究奖,通过基因或代谢工程将稀缺药材的活性分子大规模成产,蛇足石杉Huperzia serrata（Thunb.）Trev.,石杉碱甲是来源于蕨类植物可逆性的乙酰胆碱酯酶（AchE）抑制剂

18、，是治疗“老年痴呆症”（Alzheimers disease，AD）的一个有前景的药物。,石杉碱甲Huperzine A，Hup A,石杉碱甲化学合成生物学,基因治疗：能转录某癌症关键基因的shRNA的工程菌E.coli感染细胞，在胞内转录释放shRNA从而达到沉默癌基因的目的,抗菌新策略：工程菌识别群体感应分子，启动表达相关酶和抗生素,破坏细菌的生物膜和杀死细菌。,ACS Synth.Biol.,2014,3(4),pp 228237Warren C.Ruder et al.Science,333,1248(2011),展望 三、积极开拓在其他领域的应用,化学合成生物学面临的挑战,生命系统复杂性，有着巨大的调控网络设计组装的能力远不如合成的能力 换句话说，我们知道如何去合成，但不知合成什么带来的利益和风险并存，如转基因问题引起的全民争论,致谢,张先生化学生物学学科战略研究著作第10章 化学合成生物学杨财广，黄悦，蓝乐夫，蒋华良,对遗漏研究工作的贡献者表示歉意谢谢各位！,