合成生物学在生命起源、进化、结构和功能相互关系研究中的作用

生命从何而来?生物进化的原理和分子机制是什么?生物如何组装具有特定结构的分子和细胞,又如何从一个细胞生长发育为一个有规则结构的生物体?这些古老的生物学基本问题至今仍然蒙着神秘的面纱.在过去几十年中,合成生物学这门新兴交叉学科融合了生命科学、工程学、物理学与化学等诸多学科中的内容,旨在通过设计和建造新的生物元件、功能和系统,以创建在自然界中并不存在的可控方式、生物逻辑和生命系统.合成生物学的出现或许能够克服此前的技术障碍,在回答生命起源、进化、结构与功能等问题上提供新的有趣的观点;此外,它也可能改变对生命已被广泛接受的定义,从而挑战认知生命的方式.     

合成生物学及其在生物技术中的应用进展

合成生物学是一门21世纪生物学的新兴学科,它着眼生物科学与工程科学的结合,把生物系统当作工程系统"从下往上"进行处理,由"单元"(unit)到"部件"(device)再到"系统"(system)来设计,修改和组装细胞构件及生物系统.合成生物学是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程等多学科交叉的产物.目前研究应用包括两个主要方面:一是通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造,修改已存在的生物系统,使该系统增添新的功能.二是通过设计和构建新的生物零件、组件和系统,创造自然界中尚不存在的人工生命系统.合成生物学作为一门建立在基因组方法之上的学科,主要强调对创造人工生命形态的计算生物学与实验生物学的协同整合.必须强调的是,用来构建生命系统新结构、产生新功能所使用的组件单元既可以是基因、核酸等生物组件,也可以是化学的、机械的和物理的元件.本文跟踪合成生物学研究及应用,对其在DNA水平编程、分子修饰、代谢途径、调控网络和工业生物技术等方面的进展进行综述.     

生命能够人工合成吗?——合成生物学及展望

什么是合成生物学?2010年5月20日,以克雷格·文特尔为首的美国科学家,在世界著名权威学术期刊Science上公布了人类历史上创造出首个人造单细胞生物的消息(图1和图2)。这一研究成果表明人类能够在实验室内人工造出生命,以这项成果为代表的合成生物学(synthetic biology,Synbio)也就受到了前所未有的关注。合成生物学是门什么学科?它的基本理念又是什么?     

加强合成生物学研究发展生物产业——访中国科学院上海生命科学院杨胜利院士

<生物产业技术>:作为一门新生的学科,合成生物学近年来研究进展很快.请您简单介绍一下合成生物学发展历程. 杨院士:合成生物学是生命科学的一个新分支,它与系统生物学是密切相关的.生命科学研究经历不同的发展阶段,最早的生物学我们现在叫宏观生物学,包括分类、形态,随着科技水平的提高,从宏观逐步转向微观,逐渐从机体、器官、组织、细胞到基因、蛋白质.     

我国合成生物学发展的若干思考

合成生物学实际上更多是一个整合的学科,是在过去的基因工程、代谢工程等基础上整合过来的.但是合成生物学并不是这些相对传统领域的重新的简单包装,如杨胜利院士指出的,其核心是以工程化的理念,把生物体系设计做得更加系统、更加有可预见性,而且有用.目前,国外合成生物学的经典思路是从元件(part) - 装置(device) -系统(system)这种线性的形式来进行研究,但是进展较多的是一些元件和部分合成模块或装置,离真正的从头合成一个人工设计的生物体系还有较远的距离.Venter 合成一个微生物基因组的工作非常伟大.     

基于通识教育理念的合成生物学课程设计与实践

合成生物学作为生物学中新的分支学科,发展迅速,理论研究和应用潜力巨大,在带来了很多新的研究理念和研究方法的同时,给高校教学也带来了新的挑战.目前就合成生物学课程而言,国内可供参考的教学经验不多.文中以浙江大学"博雅技艺"类通识课程—"合成生物学"为例,从课程背景、课程设计、课程实施情况、课程成果与存在问题等方面,全方位...     

合成生物学:一种研究生物图案形成的新方法

生物图案是如何形成的?这是一个生物学中最基本的问题.在自然界里生物的生理表现极为复杂,因此在大多数情况下,生物图案形成背后的分子机理和原理很难被阐述清楚.由于生物系统的多样性和复杂性,想要理解某一特定图案形成的机理都是很困难的,更不要说理解生物图案形成背后的普遍机理了.尽管目前的遗传和生化方法极大地推进了人们对生物图案形成的认识,这些进步主要还是来源于对功能获得型/功能缺失型突变体的研究,而这些研究颇为费时.当前普遍认为合成生物学是一门应用性的学科,但除了实际应用,合成生物学还可以作为探索生命科学根本问题的方法.本文将以重复周期性生物图案的形成为范例来讨论如何运用合成生物学了解生物图案的形成以及今后如何将其运用到组织工程中去.     

新书介绍

<正>合成生物学及应用合成生物学是生物学、工程学、化学和信息技术相互交叉形成的一个新兴领域,是设计和建造新的生物学配件、设备和系统。以及为了应用的目的,重新设计现存的自然生物学系统。本书主要介绍了合成生物学的四个相关领域——生物燃料、生物修     

合成生物学及应用

<正>化学工业出版社出版合成生物学是生物学、工程学、化学和信息技术相互交叉形成的一个新兴领域,是设计和建造新的生物学配件、设备和系统,以及为了应用的目的,重新设计现存的自然生物学系统。本书主要介绍了合成生物学的四个相关领域——生物燃料、生物修复、生物材料以及合成生物学的新发展,涉及20项应用。     

合成生物学及应用

<正>化学工业出版社出版合成生物学是生物学、工程学、化学和信息技术相互交叉形成的一个新兴领域,是设计和建造新的生物学配件、设备和系统,以及为了应用的目的,重新设计现存的自然生物学系统。本书主要介绍了合成生物学的四个相关领域——生物燃料、生物修复、生物材料以及合成生物学的新发展,涉及20项应用。     

合成生物学在基础生命科学研究中的应用

合成生物学作为一门新兴的交叉学科,吸引了来自生物学、数理科学和工程学等不同学科的研究人员以及产业界的广泛关注和参与。它旨在通过从头创造全新的或改造已有的生物系统,实现天然生物系统不具备的功能与特性。合成生物学研究不仅具有广阔的生物产业应用前景,更为基础科研提供了全新的手段和思路。本文着眼于合成生物学―建物致知‖的理念,跟踪合成生物学研究在回答生命科学基础问题方面取得的相关成果,简述了其在细胞内分子调控网络、细胞生理学、多细胞群体形态与行为以及多物种微生态学等研究中的应用。     

中国合成生物学发展回顾与展望

合成生物学既是一门"汇聚"型新兴学科,又孕育着颠覆性的使能技术.它在系统生物学基础上,融会工程科学原理,采用自下而上的策略,重编改造天然的或设计合成新的生物体系,以揭示生命规律和构筑新一代生物工程体系,被喻为认识生命的钥匙(建物致知)、改变未来的颠覆性技术(建物致用).中国科学家曾经首次实现人工合成蛋白质(牛胰岛素)和核糖核酸(酵母丙氨酸tRNA),近年来又在染色体合成与染色体工程、基因组编辑、生物底盘构建、定量工程生物学、生物元件工程和基因回路工程、天然活性物质和有机化工产品的人工合成代谢、计算机生物模拟等方面取得系列原始发现和创新成果,成为国际合成生物学领域中的一支重要力量.时值新中国科技发展70年,撰写本文,从一个视角讨论合成生物学发展及中国科学界的贡献,纪念开拓者,励志来者,总结经验,梳理发展思路.期待中国合成生物学繁荣发展,更多地贡献于人类.     

合成生物学在改善肠道健康状态中的应用与展望

合成生物学是一个新兴的研究领域,它是指新的人工生物路径、有机体或装置的设计和构建,或者对自然生物系统进行重新设计。利用合成生物学改造肠道微生物中的共生细菌,使其实现对肠道菌群或肠道细胞状态的靶向调控,可以有效的改善宿主的肠道健康状态。由于该方法可塑性较强,可调控的靶标范围广泛、调控针对性强,副作用少,因此已逐步应用于肠道疾病的治疗中。综述了合成生物学在杀死肠道致病菌,维持肠道菌群平衡,协助肠道代谢营养物质,改善代谢疾病,诊断肠道疾病,定位肿瘤组织及调节肠道免疫系统等方面的研究进展,分析了现阶段合成生物学用于改善肠道健康状态中的优势和存在的问题,并在此基础上提出了"应用合成生物学建立人体肠道健康调控的新型功能性益生菌系统,实现对肠道健康的个性化医疗"的技术路线和管理体系。     

合成生物学驱动的智能生物制造研究进展

合成生物学的迅猛发展给包括药物和化学品在内的生物制造带来了强劲动力。它助力生物合成关键元件的挖掘,丰富了智能生物制造所必需的基础(催化)元件库;底盘细胞的性能优化为高效生物制造奠定了基石和平台。合成生物学经典的"设计-构建-测试-学习"则是创建高效智能细胞工厂的核心研发内容。天然宿主的系统代谢工程和合成生物学以及无细胞体系的体外合成生物学,是实现高效生物制造和替代底盘细胞体系的可选途径。该文简要综述近年国内外的相关研究进展。     

合成生物学技术在环境保护中的应用

合成生物学是一个基于生物学和工程学原理的科学领域,其目的是重新设计和重组微生物,以优化或创建具有增强功能的新生物系统。该领域利用分子工具、系统生物学和遗传框架的重编程,从而构建合成途径以获得具有替代功能的微生物。传统上,合成生物学方法通常旨在开发具有成本效益的微生物细胞工厂进而从可再生资源中生产化学物质。然而,近年来合成生物学技术开始在环境保护中发挥着更直接的作用。本综述介绍了基因工程中的合成生物学工具,讨论了基于基因工程的微生物修复策略,强调了合成生物学技术可以通过响应特定污染物进行生物修复来保护环境。其中,规律间隔成簇短回文重复序列(Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats, CRISPR)技术在基因工程细菌和古细菌的生物修复中得到了广泛应用,生物修复领域也出现了很多新的先进技术,包括生物膜工程、人工微生物群落的构建、基因驱动、酶和蛋白质工程等。有了这些新的技术和工具,生物修复将成为当今最好和最有效的污染物去除方式之一。     

生物学的新军——合成生物学

合成生物学是一个新兴而极具研究前景的领域．旨在通过将多种天然或人工设计的生物学元件进行合理组合,创造出重构的或非天然的生物系统。综述了合成生物学这一新兴学科的核心理念、研究内容以及与相关学科的联系,详细介绍了J．CraigVenter研究小组所合成的“人造生命”,并展望了合成生物学广阔的发展前景和所面临的问题。     

构建合成生物学制造厂

合成生物学是一个"自上而下",以设计-构建-测试循环为研究模式、以工程化组装构建为特征的新兴跨学科领域.近年来在此新兴领域的众多研究成果使该研究循环获得了极大的成功,特别是在基于计算机的生物系统设计、DNA从头合成、组装及验证,以及代谢产物分析等方面为建立未来高通量生物系统加工生产线打下了坚实的基础.本文旨在总结当前合成生物学的技术发展水平,并对建立自动化生物产品制造厂需要应对的挑战展开讨论.     

细菌信号传导调控元件的合成生物学研究进展

合成生物学的一个重要目标是设计、改造微生物(主要指细菌),使其能够自主执行复杂任务,如合成重要生物基产品(药物、生物燃料等)、疾病治疗以及环境修复等,造福人类社会.要完成这些任务,细菌必须依赖其信号传导系统,根据环境变化作出正确及时的应答.在长期进化过程中,细菌产生了众多不同的信号传导系统,给我们提供了大量宝贵的信号传导调控元件.通过对这些调控元件的合成生物学设计、改造,我们可以给细菌装备全新的信号传导系统,从而使其能够在工业生物技术及生物医学等应用中执行设定任务.     

生物毒素的医药应用研究进展

生物毒素是一大类具有重要意义的生物源化学物质,生物毒素研究已发展成为与多种学科交叉的“生物毒素学”新学科,其发展对于生命科学、生源合成化学、化学生物学、化学生态学、医学、药物学都有重要意义,对药物创新研究更具有积极作用。该文概述了生物毒素的种类,详细阐述了生物毒素的医药应用及最新进展,指出了生物毒素在医药研究上的热点。     

基因组工程在医学合成生物学中的应用

合成生物学旨在建立一套完整的工程理论和方法,通过设计和组装基本生物学元件,更为有效地实现复杂生物系统的设计,并使其完成可编程的生物学功能。近年来随着可编程基因组元件的出现,特别是CRISPR和CRISPRi技术平台的建立和完善,使得合成生物学进入了一个全新发展的时期。本文重点综述CRISPR等基因组编辑和调控技术,其在构建可编程生物学元件和复杂基因线路的应用以及合成生物学在医学中(称为医学合成生物学)的发展前景。