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。     

合成生物学技术的研究进展——DNA合成、组装与基因组编辑

合成生物学作为一门新兴学科,其目标主要有两点:一是利用非天然的分子使其出现生命的现象,也就是―人造生命‖;二是―改造生命‖,比如利用一种生命体的元件(或经过人工改造),组装到另一个生命体中,使其产生特定功能。无论是哪种目的,对生命遗传物质DNA的操作都非常关键,其具体包括DNA的从头合成、组装和编辑等。同时,这些使能技术的进步也促进了合成生物学其他领域的发展。本文介绍了DNA操作相关的合成生物学使能技术的最新进展。     

DNA合成技术及应用

DNA从头合成技术是指以寡核苷酸链为起始的合成DNA片段的技术,其不断进步是合成生物学快速发展的基石之一。常规使用的连接介导的DNA合成技术和PCR介导的DNA合成技术日益成熟,精确合成长度已经达到0．5—1kb。微阵列介导的DNA合成技术不断发展,其低成本、高通量的特点吸引了人们的注意;而酵母体内DNA合成技术的成功探索也为体外DNA合成提供了一种补偿方法。DNA合成在优化密码子用于异源表达、构建异源代谢途径、合成人工基因组以及合成减毒病毒用于疫苗研制等方面有广泛应用。综述了DNA从头合成技术的研究进展,并介绍了DNA合成的前沿应用。     

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。     

合成生物学发展现状与前景

合成生物学是综合了科学与工程的一个崭新的生物学研究领域,为生命现象及其运动规律的解析提供了一种采用“白下而上”合成策略的正向工程学的研究思路和方法手段,在经济和社会发展中具有巨大的应用开发潜力。近年来,DNA合成与系统生物学技术的发展使生命系统复杂基因回路的设计、合成与组装逐步成为可能,并应用于生物基化学品、生物燃料、医药中间体、保健产品的生产和环境保护等领域。但是,合成生物学的研究仍然面临科学、技术和伦理的挑战,只有积极地应对这些问题,在加大研究开发支持力度的同时,做好必要的风险监管,才能真正把握合成生物学发展带来的历史机遇。     

合成生物学

近年来用化学合成的手段合成生物物质的研究进展很快。有感染活力的小儿麻痹症病毒RNA与φX-174噬菌体基因先后合成成功。估计2006年可能会有能合成1百万bp DNA的仪器问世。此外,目前已能向蛋白质中引入80种非常见氨基酸,从而使蛋白质获得新的性质。化学合成的进展使合成与改造生命成为现实,这对研究生物学基本规律有很大的意义,但这也是一把“双刃剑”,带来伦理与反恐的问题及对可能的潜在威胁的担忧。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。2005年8月在美国旧金山举行的合成生物学会议,讨论了生物合成这个领域对药物发展、细胞重编程、生物机器人等方面的潜在意义。     

基因工程技术领域的专利竞争和分析

合成生物学（synthetic biology）是现代生物学中出现的新兴研究领域,其基本方法是,利用不同生物组件（biobricks）组合成基因线路（genetic circuit）,让其依循可预期的方式表现出特定功能。可以说,合成生物学结合了分子生物学及工程学的原理,设计和建造标准化及可交换性DNA序列以构成生物组件。     

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。     

合成生物学研究进展与应用

合成生物学作为一门新兴的综合交叉学科,将工程学的设计思想和原理应用到生物学的研究当中。在短短的十年间,合成生物学已经取得了一系列重要的进展。这些成果不仅有助于人们对生命本身的理解和认识,同时也为人类解决诸如能源、环境、医疗、药物生产等问题提供了极大的帮助。本文从合成生物学领域几个成功的研究实例出发,综述合成生物学已经取得的重大成就及其实际应用,并展望合成生物学将给人类社会带来的巨大变化。     

2013合成生物学专刊序言

合成生物学目前在全球得到迅猛发展。在此专刊中,综述了一些相关技术在合成生物学领域的进展,其中有:链霉菌无痕敲除方法、基因合成技术、DNA组装新方法、最小化基因组的方法及分析、合成生物系统的组合优化。也讨论了应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘、产溶剂梭菌分子遗传操作技术、蛋白质预算(Protein budget)作为合成生物学的成本标尺。最后,用几个例子说明了合成生物学的应用,包括复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建、微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品以及构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇。     

The synthesis of artificial genome as the basis of synthetic biology

Recent achievements in the whole-genome sequencing especially viral and bacterial ones together with the development of methods of bioinformatics and molecular biology, have created preconditions for transition from synthesis of genes to assembly of the whole genomes based on chemically synthesized blocks, oligonucleotides. The creation of artificial genomes and artificial cells will undoubtedly render huge influence on a deepening of knowledge on mechanisms of functioning of living systems at a cellular level, on a way of origin and evolution of life, and also on biotechnology of the future, and will generate preconditions for the further development of synthetic biology and nanobiotechnology.     

2017合成生物学专刊序言

近10年来,合成生物学的发展受到广泛关注。为了集中报道本领域的最新研究进展,特组织出版了此合成生物学专刊。本专刊分3个栏目:科学意义、新技术新方法和应用领域,重点介绍了合成生物学的科学内涵、技术方法进步及合成生物学在医学、药物、农业、材料、环境和能源等领域的应用前景。     

合成基因组学：设计与合成的艺术

随着基因组相关技术(测序、编辑、合成等)和知识(功能基因组学)的日益成熟,合成基因组学在本世纪迎得了发展的契机。病毒、原核生物的全基因组相继被化学合成并支持生命的存活,第1个真核生物合成基因组计划已经完成过半,人类基因组编写计划提上日程。在基因组合成的实践过程中,研究者们不断探索对基因组进行重编和设计所应遵循的规则,提高从头合成、组装和替换基因组的技术手段。合成基因组在工业、环境、健康和基础研究领域有着广阔的应用前景,同时也带来了相应的伦理问题。结合在Sc2.0计划中的基因组合成研究和近期合成基因组学所取得的重大进展,本文综述了基因组设计和合成相关的科学、技术和伦理内容,并探讨了未来发展所面对的挑战。作为合成生物学最重要的领域之一,合成基因组学方兴未艾。     

Hierarchical gene synthesis using DNA microchip oligonucleotides

High-cost of oligonucleotides is one of the major problems to low-cost gene synthesis. Although DNA oligonucleotides from cleavable DNA microchips has been adopted for the low-cost gene synthesis, construction of DNA molecules larger than 1 kb has been largely hampered due to the difficulties of DNA assembly associated with the negligible quantity of chip oligonucleotides. Here we report a hierarchical method for the synthesis of large genes using oligonucleotides from programmable DNA microchips. Using this hierarchical method, we successfully synthesized 1056 bp Dpo4 and 2325 bp Pfu DNA polymerase genes as models. This hierarchical strategy can be further expanded for the syntheses of multiple large genes in a scalable manner.