合成生物学的研究方向与应用

第30卷 第1期

2009年1月华侨大学学报(自然科学版)JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Vol.30 No.1 Jan.2009 文章编号: 1000 5013(2009)01 0001 05

合成生物学的研究方向与应用

罗巅辉,余劲聪,方柏山

(华侨大学工业生物技术福建省高等学校重点实验室,福建泉州362021)

摘要: 分析构建合成生物学元件的基本思路、研究原理和研究方法,阐述当前合成生物学的两个主要研究方向 最小生命体研究与合成元件的开发的国内外最新研究成果 前者的重点在于找到能维持生命的最少量基因,而后者的重点在于如何建立与天然细胞中相类似的功能元件,并使其能在宿主中顺利运行.两个研究方向出发点不同,但研究目标是一致的,其研究成果最终可以互相借鉴与融合 利用人工合成的最小生命体作为宿主,配合各种不同的生命功能元件合成生命元件,组装系统网络,最终创造出人造生命 同时,概要地指出了合成生物学的发展前景.

关键词: 合成生物学;基因电路;元件;人工生命;细胞通讯

中图分类号: Q81;Q 1文献标识码: A

合成生物学是新出现的一门交叉学科,具有迅猛的发展势头和广阔的发展前景.它借鉴工程化的思想来研究生命,最终目标是创造人工生命体,涵盖分子生物学、工程学、数学、物理学等许多研究领域[1 2].美国麻省理工大学的DrewEndy博士预言:合成生物学或许有一天会将可通用的生命组件进行组装,创造出人工生命体,这种合成的程控生命可以完成目前各种难以想象的工作 目前合成生物学的研究内容可归纳为两大研究方向,即最小生命体研究与合成元件的开发,

其研究成果将具有较强的实际应用价值.文中介绍了两个研究方向及其部

分成果,并指出了合成生物学的发展前景.[3]

1 研究原理与方法

合成生物学具有强烈的工程学思想,集合

了多个研究方向,而这些方向都集中于一个明

确的工程目的,即按设计好的蓝图重新组装

分子元件,并转入细胞,使这种工程化的细胞

具备新的功能(图1).

目前,在合成生物学的研究方面已经有一

些成功的例子,其中很多实验设计只利用了

相对于所借鉴的天然系统中更少的元件与组[5][4]图1 合成生物学的工作原理Fig.1 Workingprincipleofsyntheticbiology

分,但是却得到与预期结果一样的满意程度.因此,假如增加人工构建系统的复杂性,一定有希望模拟天然细胞的所有行为与功能.为了达到这个目的,对天然细胞系统的分析和人工操作就必须更加细致和有针对性,并且要建立更准确的细胞模型.

与传统的生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的思路不同,合成生物学的研究方法完全是相反的,它是从最基本的要素开始逐步构建生物体的零部件,是自下而上的一个过程[6].合成生物学与基 收稿日期: 2008 04 19

通信作者: 方柏山(1957 ),男,教授,主要从事合成生物学的研究.E mail:bsfang@http://.

基金项目: 国家重点基础研究发展(973)计划项目(2007CB707804);国家高技术研究发展(863)计划项目(2006AA ;(;(

2华侨大学学报(自然科学版) 2009年因工程在内涵上是有区别的.基因工程是把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种体内;而合成生物学的目的在于组装各种生命元件来建立人工生物体系,让它们能像电路一样在生物体内运行,使生物体能按预想的方式完成各种生物学功能.

虽然,目前合成的基因电路在宿主体内运行时只能类似于在潮湿条件下工作,不能完全达到人类的期望 但科学家们预言,任何新出现的技术都有其需要跨越的障碍,而合成生物学的成功将意味着科学技术的极大进步[7 8].

2 最小生命体的研究

合成生物学研究的一个主要研究方向是,将研究的功能对象缩小化,如病毒、支原体等最小的寄生体或生命体 希望从最小的生命入手,研究其必需的生命组成,进而模拟、复制、改造这些生命体来阐明生命的奥秘

这个研究方向的重点,在于找到能维持生命的最少量基因.2002年,美国Wimmer实验室报道了可以化学合成脊髓灰质炎病毒cDNA,并用RNA聚合酶将它转成有感染活力的病毒RNA[9].这开辟了只利用已知基因组序列,不需要天然模板,就能从化合物单体合成感染性病毒的先河.美国Venter实验室拓展了合成基因组的工作,该实验室只用了两周时间就合成了 X 174噬菌体基因(5386bp)[10].

大肠杆菌是生命科学研究中最常用的材料,从事分子生物学操作的科学家们都希望知道,细胞维持生命所需要的一组必需基因是多少.威斯康星大学的研究人员对大肠杆菌基因组进行了类似外科手术精度的改造.实验经过一系列的精确剪切,每次剪切大肠杆菌基因组就会有接近15%的DNA被剔除掉,即减少量达到82kbp.尽管大片段的DNA从基因组中被去除,细胞仍保持了其正常的生物学功能,从而得到了更适用于研究和工业生产的可塑性的大肠杆菌.这种新方法使得对基因组进行大规模合理的改变成为可能[11],可能是设计新生命的起点.

由简单到复杂,从维持最小生命体的基因组成入手来研究生命体,是一种在根本上解决问题的研究思路.可以预见,该领域的研究成果对生命的起源、组装等根本性问题将具有极大的参考价值.在这个研究方向上,还有人提出向细胞中掺入非天然碱基来发展人工遗传系统,以及掺入非天然氨基酸密 …… 此处隐藏：7062字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……