–采用基因工程方法将生物细胞“组装”成实用的机器 或技术
合成生物学与计算机工程的层次比较
4.1.2 合成生物学的发展
• 合成生物学是按照需要设计制造出具有不同性状的基因， 再将这些基因集成到细胞中，形成具有特殊功能的人 造生命
• 1911年7月8日，《柳叶刀》出现“合成生物学” 一词 • 2000年以后，这一学科迅速发展，大量科学家将注意
合成生物学与基因工程
• 都以基因为操作对象，都需要核酸酶和连接酶作为 剪切和组装的工具，都需要载体来承载基因，进行 扩大繁殖和保存
• 基因工程技术只能在较小的范围内对已经存在的生 命进行改造
• 合成生物学能够将分解的数个功能模块高并行合成 并构建代谢电路，最终得到具有复杂功能的新生命
• 合成生物学研究将降低关键技术成本，解决基因操 作的经济性问题，在工程领域得到广泛应用
• 生物能源与新材料领域：重新设计生物质路线图，获 取太阳能、清洁燃料和新能源，可降解塑料、碳纳米 管等材料
• 环境领域：设计和合成新功能微生物，用于清除水污 染、清除垃圾、处理核废料等
• 智能计算机与生物传感领域：生物机体的实时检测， 细胞机器人在动脉中检测并清除导致血栓的动脉粥样 硬化物质，探测化学和生物危险物和爆炸物的生物警 报器
硕士研究生公共课程
现代生命科学与生物技术
合成生物学
化学化工学院 黄磊
第4章合成生物学
4.1 概述 4.2 生物元器件 4.3 DNA的合成与元器件装配 4.4 合成生物的功能实现
4.1 概述
• 4.1.1 合成生物学的概念 • 4.1.2 合成生物学的发展 • 4.1.3 合成生物学的应用
• 美国麻省理工学院的Tom Knight一语道破了基因工 程的困境：“由于缺乏标准化的DNA序列组合技术， 使得每一次DNA组合反应既是解决研究题材的工具， 本身也是一项实验”
• 生物工程使用的方法和零件如果能够标准化，就能建 立相容组件的设计库。观念与制造分开后，生物工程 学家才有余力去构思更复杂的装置，利用更有效的工 具（电脑辅助设计）来控制系统的复杂度
• 基因组测序是遗传信息阅读和解码的过程，合成生 物学是测序的逆过程
• 合成生物学对生物信息学（bioinformatics）提出 了更大的挑战，其设计和优化需要新的算法进行模 拟和测试
• 合成生物的过程是以原料核酸的高速合成为基础的， 需要高效、低成本的化学合成技术提供支持
• 目前常规化学方法合成一个碱基核苷酸的商业化价 格是2元左右，新方法有望降低成本
力转向该领域 • 2004年MIT出版的Technology Review，将合成生
物学评为“将改变世界的十大新技术”之一
合成生物学国际会议
• 2004年6月：美国MIT，第1届，SB 1.0 • 2005年5月：美国UC-Berkeley，第2届，
SB 2.0 • 2007年6月：瑞士，第3届，SB 3.0 • 2008年10月：香港，第4届，SB 4.0 • 2008年5月，北京香山“合成生物学学术研
4.1.1 合成生物学的概念
• 包括人类在内的700多种生物的基因组已经被 测序，在分子水平上研究基因的结构和功能 成为现实
• 合成生物学（synthetic biology）是基于生 命系统的工程技术，旨在设计、构建自然界 不存在的生命或使已存在生命具有新功能
• 合成生物学研究如何设计和构建人工生命， 依靠人工开发的基因密码，按照预定的方式 运行生命
• 合成生物学的出现与系统生物学（systems biology）的发展密不可分；都遵从系统论， 对生物系统的整体功能进行研究
• 系统生物学将在基因、蛋白质、代谢物等多 维分子水平获得大量的细胞行为知识和建立 生物网络，为合成生统生物学的定量分析提供 模式生物
合成生物学与生物信息学、化学
讨 会”——合成生物学＝下一代的生物技术
合成生物学的标志性进展
• 长片段DNA合成技术：2004年 • 染色体移植技术：2007年 • 染色体组装技术：2008年1月，美国克雷格•文特研
究所人工全合成生殖支原体细菌完整染色体（已知 的自然界中基因组最小的生物体：485个基因，58 万个核苷酸；人类：<10万个基因，30亿碱基对） • “很多技术曾被视为对上帝的挑战，但恐怕没有一 个 像合成生物学一样，要面对直接的谴责”，《自 然》 杂志2007年写道：“上帝第一次有了对 手”——达尔文式的自然进化世界将被人造世界所 取代
相关背景
合成生物学是继人类基因组计划研究之后，生物领域 的又一热门学科，是整体系统论生物学思潮在工程学 领域的再现
合成生物学是生物发展到一定阶段随之工程化的必然 趋势
科学家希望能够设计新生物体来满足一些特殊需要:
–让细菌吃进纤维素废物，排泄出石油
–把“生物砖”类比于半导体工业中的半导体元件，组 装这些元件，让细胞干我们想让它干的事情
4.1.3 合成生物学的应用
• 合成生物学的目的是工程应用而非科学研究， 它吸引了更多的工程专家、信息专家共同研究
• 合成生物学的核心观念是，认为生命的所有零 件都能由化学方法来合成制造，进而通过工程 化方式组装成实用的生命
• 合成生物学的研究和实验仍然处在初级阶段
合成生物学的应用领域
• 生物医药领域：改造细胞，生产新型药物；重新设计 更有效、更安全的生物治疗方法
4.2 生物元器件
• 4.2.1 合成生物的单元 • 4.2.2 合成生物的设计与优化
4.2.1 合成生物的单元—基因元件与生物砖
• 基因（生物）元件（genetic element）：是具有某种特 定的生物学功能的DNA或RNA，是设计和合成生物的基 本单位
合成生物学为很多领域的研究提供新视角
• 生物学家：重建不同层次的研究对象，由此 加深对生命活动和生命过程的理解
• 化学家：创造新分子化合物 • 物理学家：发现自然状态下分子的活动行为 • 工程技术科学家：进行药物、生物材料和生
物能源等工程设计与简单、低廉、高效的制 造，满足人类和社会发展的需要
合成生物学与系统生物学