用模块化分子元件调控和编程生物系统

合成生物学的目标包括“通过合成来理解生命”以及用现代工程学方法设计合成复杂生物系统．其工程学目标的实现依赖于可集成、可调控、可重用、功能多样的蛋白质、RNA、DNA等基本分子元件．以分子机制为基础,合理设计与实验室进化相结合,改造和创建生物分子的相互作用特异性、调控方式、定量活性等,是实现生物系统人工调控与编程的重要策略,同时为自下而上设计合成日益复杂的人工生物系统奠定基础．     

合成生物学的医学应用

合成生物学旨在基于工程学原理,通过人工合成生物调控元件、模块和基因调控网络等对细胞进行设计和改造,以实现细胞和生命体的定向演化。在医学研究中,合成生物学主要采用人工设计合成治疗性的基因回路,制备工程化细胞植入体内,纠正机体已发生缺陷的生物调控元件,以达到治疗疾病的目的。本文对合成生物学的兴起、发展及其在医学中的应用和研究进展进行了综述。     

复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建

天然产物是人类疾病预防和治疗药物的最重要来源。合成生物学技术的蓬勃发展为天然产物的开发注入了全新的活力。文中重点介绍了如何利用合成生物技术进行复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建,包括与此相关的生物元件理性设计、生物元件挖掘、途径装配与集成,模块的组装与系统的适配等内容。     

基于小RNA调控工具在蓝藻合成生物学中的应用

基因调控工具在蓝藻合成生物学领域的应用尤为重要,可实现基因表达调控、工程株开发以及附加经济产物的生产。小RNA调控工具是基于小RNA的靶向特异性调控原理,并与合成生物学相结合,进行靶基因特异性调控的定量、全局调控工具。它将小RNA与其靶标作为互作反应模块,并以诱导表达开关、支架序列与伴侣蛋白等作为辅助模块。这类工具已被应用于高附加经济产物合成与藻株对燃料与化学品的耐受性修饰。根据小RNA工具的不同调控特性,对近年来小RNA调控工具的种类、调控原理、辅助模块的选择与改造,以及在合成附加经济产物、提高蓝藻耐受性实验中获得的研究进展进行综述,探讨小RNA工具在应用中可能存在的问题及未来发展前景,为设计高效、精确的分子编辑工具提供参考。     

新型基因表达调控元件——人工核糖开关的构建及筛选

核糖开关作为一种新发现的RNA元件,可以高效、准确、快速地执行基因调控任务,且免疫原性低,有可能在将来以顺式模块的方式应用于未来的基因治疗。近年来已经成功构建了多种人造核糖开关,构建方法主要是利用人工适体元件与基因表达调控元件组装,或者是在天然核糖开关基础上进行改造。文中全面综述了涉及人工核糖开关设计及筛选的技术,讨论了可以用于哺乳细胞、响应非天然配体信号、调控特征为热力学和动力学控制的核糖开关的设计新策略,并对核糖开关的筛选构建策略及其在基因治疗及新型药物开发领域的应用前景进行了展望。尽管目前将核糖开关设计成为功能强大的新型基因调控系统还面临很大的困难,但通过构效关系的研究、计算机辅助设计、体外筛选及细胞内筛选技术、高通量优化筛选等技术的综合应用,核糖开关一定可以成为有力的基因调控工具,如能成功应用则可大大促进基因治疗临床化的进程。     

微生物细胞工厂的代谢调控

代谢调控是构建微生物细胞工厂的重要技术手段。随着合成生物学技术的不断突破,挖掘和人工设计的高质量调控元件大幅度提升了对细胞代谢网络的改造能力;代谢调控研究也已从单基因的静态调控发展到系统水平上的智能精确动态调控。文中简要综述了近30年来代谢途径表达调控技术在代谢工程领域的研究进展。     

人工基因元件的生理学研究进展

按照工程学原理人工设计的基因元件应该是模块化的,同时具备可预测地组装和再利用的属性。然而,真正的细胞生理条件下各种层次的生理干涉效应会严重地阻碍人工基因元件的功能性组装,即大多数组装后的人工系统完全或部分丧失预设功能。我们提出合成生理学的概念,将其定义为研究和控制人工生命系统与底盘细胞生理系统相互作用的合成生物学分支领域。在此框架下,本文归纳了细胞生理系统与人工基因元件的相互干涉方式,并对表征和消除这种相互作用的技术方法和设计策略进行综述。     

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。     

植物质体基因工程调控元件研究进展

随着植物合成生物学的发展,质体逐渐成为许多具有商业价值的次生代谢产物和治疗性蛋白异源生产的理想平台。与核基因工程相比,质体基因工程在外源基因高效表达和生物安全性等方面具有其独特优势。然而,外源基因在质体系统中的组成型表达或对植物生长不利,因此需进一步挖掘、设计调控元件实现对外源基因的精准调控。本文概述了质体基因工程调控元件的研究进展,内容包括操纵子设计与优化思路、多基因共表达调控策略及新型表达调控元件的挖掘等,为植物合成生物学的发展提供参考。     

哺乳动物合成生物学与疾病治疗

合成生物学是以工程学思想为指导,通过合成一些功能元件、模块、系统,对生命体进行有目的的设计、改造,使细胞或生物体具有特定的新功能。现已在生物医药、环境能源、生物材料等领域广泛应用。现将重点介绍近年来哺乳动物合成生物学在各种疾病治疗上取得的研究成果,包括治疗代谢性疾病、肿瘤、免疫相关疾病等;同时,探讨合成生物学未来在临床治疗中的意义和挑战。     

合成基因线路规模化设计面临的挑战

随着合成基因线路规模的增加,传统的合成基因线路设计思路的瓶颈逐渐凸显,许多之前被忽略的因素对大规模基因线路的性能可能造成显著影响,这对合成基因线路的设计带来了新的挑战。本文重点梳理了基因表达噪声和竞争效应两方面对基因线路性能的影响,阐释了二者间的紧密联系,并基于理性设计的思路,从模拟-数字运算设计、网络拓扑设计、基因线路中的信息传递理论和动态信号等方面,归纳总结了解决这些问题的潜在方案,并展望了规模化合成基因线路理性设计的未来发展方向。     

基于合成基因线路的智能药物

合成生物学自诞生以来对生物学领域的研究产生了重要的影响。利用工程学思维与方法,合成生物学揭开了生命系统许多调控机制,改造并扩展了一系列生物元件,同时带来了广泛的生物医学应用,为疾病诊断与治疗提供了新的思路。本文综述了适用于哺乳动物细胞或者细菌的合成基因线路并用于疾病诊断与治疗领域的最新进展,为未来智能药物设计提供新的思路。     

Orthogonal control of endogenous gene expression in mammalian cells using synthetic ligands

Gene switches have wide utility in synthetic biology, gene therapy, and developmental biology, and multiple orthogonal gene switches are needed to construct advanced circuitry or to control complex phenotypes. Endogenous vascular endothelial growth factor (VEGF‐A) is crucial to angiogenesis, and it has been shown that multiple alternately spliced VEGF‐A isoforms are necessary for proper blood vessel formation. Such a necessity limits the utility of direct transgene delivery, which can provide only one splice variant. To overcome this limitation, we constructed a gene switch that can regulate the (VEGF‐A) locus in mammalian cells by combining an engineered estrogen receptor (ER) ligand‐binding domain (LBD), a p65 activation domain, and an artificial zinc‐finger DNA binding domain (DBD). Our gene switch is specifically and reversibly controlled by 4,4′‐dyhydroxybenzil (DHB), a small molecule, non‐steroid synthetic ligand, which acts orthogonally in a mammalian system. After optimization of the gene switch architecture, an endogenous VEGF‐A induction ratio of >100‐fold can be achieved in HEK293 cells at 1 µM DHB, which is the highest endogenous induction reported to date. In addition, induction has been shown to be reversible, repeatable, and sustainable. Another advantage is that the ligand response is tunable by varying the clonal composition of a stably integrated cell line. The integration of our findings with the technology to change ligand specificity and DNA binding specificity will provide the framework for generating a wide array of orthogonal gene switches that can control multiple genes with multiple orthogonal ligands. Biotechnol. Bioeng. 2013; 110: 1419–1429. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.     

合成生物学中的DNA组装技术

合成生物学旨在应用工程学的研究思路及手段去设计或改造生物系统,是一个综合了科学与工程的拥有发展潜力的新兴学科,在生物医药、农业、能源、环保等方面发挥着巨大作用。DNA组装技术是合成生物学中的关键技术,也是合成生物学快速发展的限制性技术。综述了众多DNA组装技术的发展及其在合成生物学研究中的意义和应用。     

从DNA合成技术角度阐述合成生物学

合成生物学是一个拥有巨大潜力的新兴学科,合成生物学技术的发展将会对未来生物、医药、农业、能源、材料和环保等方面产生巨大的推进作用。基因合成是合成生物学中最基本和使用最多的一种技术手段,合成生物学的快速发展对基因合成能力提出了空前需求。综述基因合成技术的发展历史、现状和未来趋势,探讨基因合成技术存合成生物学以及整个生命科学研究中的应用和重要意义。     

Local gene silencing in plants via synthetic dsRNA and carrier peptide

Quick and facile transient RNA interference (RNAi) is one of the most valuable plant biotechnologies for analysing plant gene functions. To establish a novel double‐strand RNA (dsRNA) delivery system for plants, we developed an ionic complex of synthetic dsRNA with a carrier peptide in which a cell‐penetrating peptide is fused with a polycation sequence as a gene carrier. The dsRNA–peptide complex is 100–300 nm in diameter and positively charged. Infiltration of the complex into intact leaf cells of Arabidopsis thaliana successfully induced rapid and efficient down‐regulation of exogenous and endogenous genes such as yellow fluorescent protein and chalcone synthase. The present method realizes quick and local gene silencing in specific tissues and/or organs in plants.     

基因组装技术在合成生物学中的应用

基因组装技术是合成生物学领域近年来发展起来的新型技术。它基于大规模基因组数据分析,发现新型的或隐藏的生物活性物质合成基因簇。利用基因组装技术,可提高或激活沉默的生物合成基因簇在微生物中的表达,从而合成潜在的、有价值的生物活性物质。本文旨在阐明最新的体内和体外基因组装技术的设计原理、关键策略及其应用。基因组装技术是合成生物学、代谢工程和功能基因组学研究的重要工具,对生物活性物质的高效生产及合成具有重要意义。     

Coherent activation of a synthetic mammalian gene network

A quantitative analysis of naturally-occurring regulatory networks, especially those present in mammalian cells, is difficult due to their high complexity. Much simpler gene networks can be engineered in model organisms and analyzed as isolated regulatory modules. Recently, several synthetic networks have been constructed in mammalian systems. However, most of these engineered mammalian networks have been characterized using steady-state population level measurements. Here, we use an integrated experimental-computational approach to analyze the dynamical response of a synthetic positive feedback network in individual mammalian cells. We observe a switch-like activation of the network with variable delay times in individual cells. In agreement with a stochastic model of the network, we find that increasing the strength of the positive feedback results in a decrease in the mean delay time and a more coherent activation of individual cells. Our results are important for gaining insight into biological processes which rely on positive feedback regulation.