【读书笔记】《合成生物学》-第一章 合成生物学概述

重点：了解合成生物学的产生过程及其工程化特质；

难点：理解合成生物学的研究范畴

1.1 合成生物学的起源与发展

1.1.1 合成生物学的诞生与历史

1910年，法国物理化学家Stephane Leduc首次提出“合成生物学”。

1980年，“合成生物学”第一次被作为文章标题出现在学术期刊上。

2000年以后，合成生物学的发展才真正到了。

2000年，Eric Kool重新定义了“合成生物学”，是基于系统生物学的遗传工程，标志着这一学科的出现。

1.1.2 发展中的重要科学发现和重要节点

时间发展

上图来自《行研 | 合成生物二次“鲤”跃龙门，蓄势待发》

1.1.3 合成生物学的定义、研究策略和研究范畴

定义：综合来讲，合成生物学是在现代生物学和系统科学以及合成科学基础上发展起来、融入工程学思想和策略的新兴交叉学科，通过将自然界存在的生物元件标准化、去耦合和模块化来设计新的生物系统或改造已有的生物系统（很难单一定义）。

英国皇家工程院：合成生物学旨在设计与制造以生物为本质的组件、新装置与体系，同时也对现有的、自然界中存在的生物体系进行重设计。

重要原则：标准化、去耦合和模块化（美国斯坦福大学Drew Endy教授提出）。

研究策略：侧重于“自下而上（bottom-up）”的理念，从元件、模块到系统，对已有的生物体进行改造或设计合成自然界不存在的人工系统，打破了传统“自上而下（top-down）”方法的诸多限制。

研究范畴：生物基因组合成、基因组的最小化、基因线路的设计与构建、合成代谢网络生产药物与生物基产品或材料、人工合成生态系统（多细胞体系）

1.1.4 合成生物学的发展趋势预测

（1）研究领域和研究内容将有新的发展

• 6个领域：最小基因组、正交生物合成、途径调控、代谢工程、原细胞、生物纳米科学；（欧洲科学院咨询理事会）

• 再生医学、药物设计（合成生物学的领军人物Drew Endy）

• 功能更为稳定的基因路线->生物传感、生物修复和生物制造（麻省理工学院的James Collins）

• 生物燃料、生物材料

• 学科交叉与融合：光合微生物（解决太空中如何利用太阳能合成化合物的难题，为太空长期飞行提供营养物质-<Wyss研究所）；微型机器人（微电子技术和仿生学技术集成来检测血液情况，用于疾病诊断-<麻省理工学院）；

（2）相关产品的开发将更为广泛

• 医学产品的开发

• 生物基化学品、生物能源产品的开发

• 其他合成生物学产品的开发：功能性食品、饲料、农药等生产；

1.2 合成生物学的产生过程

• 与遗传学和分子生物学的交叉：遗传学和分子生物学是合成生物学发展的技术保障

• 与系统生物学的交叉：系统生物学是基因组尺度合成生物学学的基础，为合成生物学的生物元件组装、整合及系统构建和验证提供分析手段；合成生物学改造或重新构建的生物元件为系统生物学中进行组分研究与相互关系的探究提供了新的材料与工具；

• 与生物信息学的交叉：生物信息学的快速发展为合成生物学提供了强有力的支持；

• 与基因工程的交叉：内容重合多，合成生物学更多是利用标准化生物元件对现有的基因组线路进行改造或重构；基因工程设计的基因数目较少，也更少利用计算机或者数学手段进行分析；

• 与代谢工程的交叉：代谢工程主要是利用分子生物学手段尤其是DNA重组技术对生化反应进行修饰，对已有的代谢网络和调控途径进行合理的设计与改造，以合成新的产物、提高已有产物的合成能力或赋予细胞新的功能。合成生物学为代谢工程提供更系统更有力的分子生物学工具（改造代谢途径中的酶，如对异源基因进行密码子优化、借助随机突变或定向进化提高酶的催化活性等；构建异源的代谢途径；调控表达代谢途径中的多基因，如在代谢途径中设计合理的操纵子异调控多基因的同时表达；改造宿主细胞，如构建最小基因组、人工全基因组合成和细胞工厂等）和提供了新的思路与方法（代谢途径的系统设计、构建以及基因线路的调控）