生物大家族中的新成员
不过现在，将会有一些新成员加入到这个生物 大家族。在过去这些年里，科学家一直在尝试从零 开始制造全新的生命形式——用化学物质造出合成 ＤＮＡ（脱氧核糖核酸），由ＤＮＡ合成基因，再 由基因形成基因组，最终在实验室造出全新生物体 的分子系统，而这种生物体在自然界从未出现过。
这些向“造物主”的垄断地位发起挑战的人包括工程师、计算机学家、物理学家和 化学家。他们以有别于传统生物学家的视角看待生命，并在2003年开创了一个全新的 研究领域——合成生物学。
异构化等的氨基酸，促进蛋白质结构与功能的研究。
应用示例
• Brenner 提出向细胞DNA中掺入天然不存在的碱基来发展人工遗传系统, 支持人工生命 形式。
• 合成生物学也将对生命起源，其他生命形式的研究作出贡献。
控制生命
• 目前，研究人员正在试图控制细胞的行为，研制 不同的基因线路———即特别设计的、相互影响 的基因。
• Wimmer从装配平均长度为69 bp的寡核苷酸入手，结合了化学合成与无细胞体系的从头 合成，用了3 年时间完成了这个划时代的工作。
Venter 实验室发展了合成基因组
• Φ X-174 噬菌体基因是单链环状 DNA，是历史上第一个被纯化 的DNA 分子，也是第一个被测序的DNA分子。
• Φ X- 174 噬菌体对动植物无害，是合适的合成研究对象。
• 维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程
• 促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞 等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。
• 尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领 域中重要的进展。
应用示例
• Schultz 实验室研究向大肠杆菌蛋白质生物合成装置中添入 新组份，使之能通过基因生成非天然的氨基酸，结果取得 了成功。但是要在真核细胞做到这一点还有难度。
• 2003年，Schultz 实验室报道了一种向酵母加 入非天然氨 基酸密码子的方法，成功地向蛋白质中导入了5 种氨基酸。
• 目前，能掺入到蛋白质的非天然氨基酸已有80多种。 • 今后将可以直接向蛋白质导入顺磁标记、金属结合、光敏
• 波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种 “套环开关”，所选择的细胞功能可随意开关。
• 加州大学生物学和物理学教授埃罗维茨等人研究 出另外一种线路：
• 当某种特殊蛋白质含量发生变化时，细胞能在发光状 态和非发光状态之间转换，起到有机振荡器的作用， 打开了利用生物分子进行计算的大门。
• 维斯和加州理工学院化学工程师阿诺尔一起，采用“定向进化”的方法，精细调整研 制线路，将基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。
合成生物学国际会议
• 2004 年6 月在美国麻省理工学院举行了第一届 合成生物学 国际会议。
• 会上除讨论了科学与技术问 题外，还讨论了合成生物学当 前与将来的生物学风险，有关伦理学问题，以及知识产权 问题。
• 随着这个领域的发展，对于合成生物学的安全性的考虑愈 来愈多。
• 现在不仅通过合成生成病毒，而且已经可以合成细菌。
转基因生物
物种生物学
一亿种:140万种 (占1.4% )
物种资源 基因资源
人工合成脊髓灰白质炎病毒cDNA
• 美国纽约大学Wimmer 实验室于2002年报道了化学合成 脊髓灰白质炎病毒cDNA，并用R NA聚合酶将它转 成有感染活力的病毒RNA。 • 开辟了利用已知基因组序列，不需要天然模板，从化合物单体合成感染性病毒的 先河。
合成生物学开辟了设计生命的前景
• 一方面有可能合成模仿生命物质特点的人工化学系统；另一方面也可能重新设计微生 物 • 如Keasling 实验室向大肠杆菌中导入青蒿与酵母的基因，使大肠杆菌能在调节下合 成青蒿素，从而显示了有效而价廉的治疗疟疾的前景 • 合成生物学今后将能生成自然界不存在的新的微生物。
合成生物学
Synthetic biology
(概念、原理、应用)
生命1.0版本
36亿年前，一个微小的生命细胞在地球的荒野中 诞生，它自我复制，它的后代们继续复制自我，就这 样，随着遗传基因一代代变异，延续数十亿代。今天， 每个生物体——每个人、植物、动物和微生物——都 能从第一个细胞找到自己的起源。迄今为止，地球的 生物大家族是我们在宇宙发现的唯一存在的一种生命。
合成生物学
• 如果说1953年ＤＮＡ双螺旋分子结构的发现让分子生物学家意识到，基因与细胞 的关系就像计算机的软件和硬件，那么合成生物学正在做的就是设计新“软件”、 开发新“硬件”。
合成生物学
生物资源研究的三个层次
DNA重组技术
①1828年，德国化学家Wohle r人工合成了存在于生物体内的 一种有机物质-尿素，从而打 破了“生命”与“非生命”之间的 物质壁垒。
②1960，我国科学家首次合 成了具有生物活性的蛋白质胰岛素。
③当人类进入基因组和后基 因组的二十一世纪的今天，科 学家正在为人工合成00个b p)已被科学家先后合成。
④ Mycoplasma laboratorium
⑤人工生命(以人工设计为主导)
由DNA重组技术到合成生物学
• 理念：为细胞编写“基因软件” 自然演化的有机体（即生物学家所谓的“生命1．0版本”）
的基因组图谱正在以前所未有的速度被绘制完成，而其中的 遗传密码也将被逐渐解开。合成生物学家认为，他们可以利 用这些已知信息来设计、打造新生命形式。
在过去，遗传工程一直拘囿于对已有的遗传密码进行简单 修补改造，比如从一种细菌中提取一个基因，然后植入玉米 或猪的染色体。而合成生物学所要打造的生命种类是全新 的——它不是任何一个原始母细胞的后裔，也没有哪个物种 是它的祖先。其实在本质上，这是一个逆自然的过程。
• 美国Venter 实验室发展了合成基因组的工作， 该实验室只用 两周就合成了Φ X-174 噬菌体基因 (5,386bp) 。
• Venter实验室的技术改进主要有：
• (1)用凝胶来提纯寡核苷酸以减少污染； • (2) 严格控制退火连接温度来防止与不正确的序列发生连 接； • (3)采用聚合酶循环装置来装配连结产物。