1. 非门或反相器（NOT）
生物学过程：B阻遏因子，当它存在时，B抢占了RNAp与 启动子结合的位点。因此阻碍了基因P进行转录表达。 电学过程：B为输入信号，当其输入量高时，输出为低； 反之亦然。输入与输出反相，也称反相器。
1. 非门或反相器（NOT）
左图表示当无mRNA输入时，启动子未被抑制时，基因 转录出mRNA，有mRNA输出；右图表示当有mRNA 输入时，在细胞中转录成蛋白质，蛋白质与启动子区域 的基因结合，抑制了基因的表达，无mRNA 输出。此 处输入的mRNA的缺失或存在决定了下游mRNA是否 输出。
/wiki/Synthetic_biology
● 简单地说，合成生物学是通过设计和构 建自然界中不存在的人工生物系统来解决 能源、材料、健康和环保等问题。
合成生物学的定义
Synthetic Biology is：
• A) the design and construction of new biological parts, devices, and systems, and • B) the re-design of existing, natural biological systems for useful purposes. /
拼接启动子来控制表达
– Create oscillating networks using operons
利用操纵子创建振荡网络
Digital Cell Components
数字细胞元件
• Bio-logic gates
– Inverters, oscillators
• Creating genomic circuitry
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络
合成生物学的发展前景与基础
2004年被美国MIT出版的《Technology Review 》评为将改变世界的 10 大新出现的技术之一 (10 Emerging Technologies That Will Change Your World)。 2009年中科院300多位专家经过一年多研究 发布的《创新 2050 ：科技革命与中国的未来》战 略研究系列报告中指出：“合成生物学”是可能出 现革命性突破的4个基本科学问题之一。
• 细胞群体系统及多细胞系统研究
基于细胞间交流的细胞群体系统及多细胞系统的开发，主要是研究 细胞群体间的同步基因表达、信号交流、异步功能配合等。
• 数学模拟和功能预测
二. 合成生物学的研究方法
基因回路（Genetic Circuits）设计
合成生物学领域三大目标： 一、有别于以往拆解生命体的方式，它是 通过合成来理解生命。 二、将遗传工程所使用的元件标准化，使 其能与现有系统相结合，创造出更多、功 能更复杂的系统。 三、将电子工程领域的系统设计理论应用 到生物系统，重组DNA基因工程，产生真 正可由程序控制的生物，设计生物计算机。
利用原核生物基因调 控模组模拟电子工程 逻辑门。上方图示列 出调控启动子活性的 因子。RNAP：RNA 聚合酶，TF：转录因 子。 (Silva-Rocha and de Lorenzo, FEBS Letters 582 (2008) 1237– 1244)
Bio-Informatics要做的事
细胞: 奇异绝妙的小工厂
系统生物学研究细胞对外界环境变化或刺激在各个 层次上如何做相应的变更, 并建立数学模型对总体 应答作出预测.
转录 催化反应 翻译 mRNA 蛋白质 代谢物
DNA
基因组
转录物组
蛋白质组
代谢物组
基因组学 转录物组学 蛋白质组学 代谢物组学 Genomics Transcriptomics Proteomics Metabolomics
– Promoters, operons aillating solutions
Ron Weiss is the pioneer in the field – /~rweiss/
To 电子回路的工程设计基础
合成生物学与基因回路
Synthetic Biology and Genetic Circuits
李孔宁
分子生物学馆110室
一. 什么是合成生物学
Synthetic Biology
何时出现合成生物学这一名字？
● Science杂志最早于1911年33卷有两篇文章出 现“synthetic biology” （合成生物学）一词。 ● Lancet杂志最早于1911年7月8日有一篇文章出 现“synthetic biology ” （合成生物学）一词。
† 2004年，人工合成了1918年造成全世界上千万人死亡的“西班牙流感 病毒”。
† 2008年J. C. Venter小组又合成了Mycoplasma genitalium生殖道支原体 基因组（582790kb），这是迄今为止人类在合成生物过程中走得最远 的一步。
† J. C. Venter小组 的另外一项工作却获得了成功：不久前将关系较近的 两株支原体中一株的基因组用另外一株的基因组替换，结果仍能正常 “工作”。
系统生物学是在基因组层面上合成生物学 Systems biology as a foundation for genome-scale synthetic 的基础 biology
Christian L Barrett, Tae Yong Kim, Hyun Uk Kim, Bernhard Ø Palsson and Sang Yup Lee, Current Opinion in Biotechnology 2006, 17:488–492
– Simulating life as a computer program – Using silicon to validate biological models
Goal of Digital Cells（数字细胞）
• Simulate a Gene Regulatory Network
– Goal of e-cell, CellML, and SBML projects
合成生物学的研究内容
• 合成代谢网络
利用转录和翻译控制单元调控酶的表达以合成或分解代谢物。主 要以代谢物浓度作为控制元件的输入信号。
例如：利用酿酒酵母和大肠杆菌合成抗疟疾药物青蒿素的前体物质。
• 遗传/基因线路的设计与构建
1961年F. Jacob和J. Monod提出的乳糖操纵子模型第一次明确提出 了基因表达的调控概念，被认为是分子生物学发展的第二个里程碑。
根据设计目标决定基 因回路结构
调用库元件模型
NO
利用计算机仿真软件确 认输出及功能正确？
YES
建立集成生物 回路（IC）
OR
检测基因回路性 能稳定可靠？
NO
调整基因回路 的原件特性
YES
成功建立稳定可调控 的基因回路
生物化学反相器-非门（NOT）
特定的信使RNA（mRNA）的分子的浓度代表一个逻辑信 号。左图，输入的mRNA是缺失，则细胞转录基因输出 mRNA。右图，输入的mRNA存在，细胞把此mRNA翻译 成输入蛋白，此蛋白与基因上的启动子相结合，阻止细胞 合成mRNA输出。
合成生物学领域由Scirus 搜索的学术论文数、专 利数和网络信息以及由Scopus 搜索的学术论文数
120 100 100 00 800 网 0 600 0 信 400 息 0 200 0 0 1998 2000 2002 2004 2006 2008
期 刊 / 专 利 数 量
80
60 40 20 0
基因回路（Genetic Circuits）设计
建立在原核生物调控模式上的 数字细胞元件（生物逻辑门）模型 -基因回路元件设计 编程并控制细胞行为的第一步是建立一 个精心设计的元件库，作为更复杂的生物系 统的基石。在构建具有一定的遗传功能的逻 辑门时，与电子逻辑门的输入和输出的电信 号（H/1或L/0）相对应的是特定DNA与蛋白 质结合以及它们诱导物分子的浓度高（H，1） 或低（L，0）。
● 在1980年第一次以“基因外科术：合成生物学 的开始”为题出现在德文刊物上。
● 2000年以后，“合成生物学”一词在学术刊物 及互联网上逐渐大量出现
Nature Biotechnology, 27(12), 2009 Focus on Synthetic Biology
• The latest iteration of genetic engineering offers the prospect of the design and construction of new life forms from biological parts, devices and systems.
基 因 回 路 设 计 流 程
建立DNA 元件库 根据设计目标 决定基因回路 调用库元 结构 建立集成生 建立集成生物 件模型 物回路（ IC ） 回路（ IC ） 利用计算机仿 检测基因回路 真软件确认输 性能稳定可靠？ 出及功能正确？ 成功建立稳定可 调控的基因回路
建立DNA元件库
基 因 回 路 设 计 流 程
数据积累引起的科学发现 －－第四次科学大发展
基因组超大量的序列和结构数据 重大的生物技术
合成生物学发生与发展的 学科基础
生物 计算机
生物传 感器 生物材料
精细 化学品
生物 质能
应用
环境修复
食品 原料
合成生物学
信 息 学
化 学
计 算 机 科 学
生 物 学
工 程 学
物 理 学
数 学
合成生物学的发展过程
在细胞内，这些分子与其它蛋白质相 互作用，绑定特定的DNA结合位点，并最 终调节其他蛋白表达。这些调控活动，可以 用数字逻辑功能及模拟信号处理来实现。 任何基因转录翻译成蛋白质的首要条 件是：RNAp(RNA polymerase, RNA聚 合酶)与基因上游区域的启动子结合，启动 转录，随后RNAp将基因转录为信使 RNA(mRNA)，然后mRNA被翻译成蛋白 质。若RNAp不能与启动子结合，后面的过 程就不能进行。