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学术分享——来自于技术部的小白对合成生物学的认知
发布时间:2023年06月06日 浏览次数:1064

一.合成生物学概述

合成生物学是一门在生物学科中较新的领域,从概念的提出到目前的发展也不过十几年之久,其目的是把工程学的理念和思想引入到生物学当中来。作为一门交叉型学科,其融合了生物学,化学,计算机科学,工程学,物理学等多个学科,目的是将这些学科的概念和知识整合起来,达到更高效,更加经济,更加精确的按照人类的意志创造出对于有益的产品或者有特殊功能的生物体。

对于传统的生物学都属于分析生物学,研究主题是理解自然演化出来的生物,其遵循up to bottom的思想,就是从上到下的思想,举例来说,就是给研究者们一个细胞或者物质,这些研究者们根据已有的经验和方法对其进行剖析研究。而对于合成生物学来说,是一种Bottom to up从下到上的思想,从创造或者改造最基本的细胞组件开始,再对其进行组装或者组合,最终目的是使其成为一种对人类有使用价值的一个生物整体。而这个价值是可以随着人类的意志和需求改变的,定向的创造出我们确切需要的产品。随着合成生物学概念的出现到现在的飞速发展,很多领域都可以利用到合成生物学,例如工业,医学,能源,环境,建筑等。

二.合成生物学定义

合成生物学定义可以分为两个概念:

(1) 对自然界中不存在的生物原件或者生物系统的设计和组装。

(2) 对于现有生物系统的重新设计或者建造。

贯穿合成生物学的三个核心的词汇part (部件)device (装置) and system (系统)

将电脑中的hierarchy来类比合成生物学中partdevicesystem的概念

 首先对于电脑来说一些简单的二极管电阻等是组成电脑部件的最低级单位,在生物学中DNA和一些蛋白质就是组成part的单位。

这些part在往上就会组成device, 在电脑中就是一些电路板在生物学中可能就是某种细胞代谢通路这些device的功能都是由最基本的parts支撑的。

最终由devices就可以组成一个systems(系统), 这个系统可以行使人类所特别设定的功能在电脑科学里面来说就是一个电脑在生物学中来说就是一个细胞或更高等的单位。

当一个系统被组成后这个系统就可以行使功能。

parts, devicessystems的创建过程当中要基于工程学的思想。合成生物学的奠基人之一Drew Endy 2005年的paper: 的核心词汇: Standardization(标准化)decoupling(去耦合),和abstraction(精简化精辟的总结了合成生物学如何把工程学的理念和知识引用进来,从而促进合成生物学的快速发展。

首先标准化(在一些文章中也用Modularization来阐述相似的概念指在创造或者改造相应的生物学部件时,一定要进行对于部件的标准化设置,这样一个人创造出来的部件通过标准化设置就可以被所有研究者重复使用最基本的part的标准化可以大大提升上面devicesystem的兼容性和标准性。举个例子来说在合成生物学中最盛大的全球赛事iGEM比赛当中所有参赛队伍被要求提交标准化之后的parts, 简而言之就是在parts的两边加上统一的prefixsuffix,其中包含了统一的酶切位点这样一个part就可以被反复使用大大提升了研究的效率。Fig.4 则显示了提交标准化的part, 当一个part被创造或者重新设计出来后就可以提交在这个网站上其他人就可以使用了。

其次,所谓的decoupling(去耦合就是把一个复杂的事物进行拆分从而得到其中简单的片段进行逐一分析大大的增加了处理复杂问题的效率。

最后一点就是abstraction(精简化), 与上一点的目的是一样的都是为了将复杂的生物系统进行简单化abstraction则强调了解决复杂问题应该使用 hierarchies (分级制度), 在这个理念中从事研究工作的人应该只关注在一个等级的研究而原则上忽略其他等级的研究,而且只进行有限的穿越等级的交流。这种观念可以让研究者在的研究集中在一个层级从而使问题简单化并提升效率。

总的来说,合成生物学里可以总结为三个名词底盘”“元件”“模块

被改造的生物被称作底盘。

被改造的一个个硬件,比如DNA、蛋白质等叫做元件(元件最好做到标准化,即插即用)。

多个元件就像设计电路一样去设计生物,做到模块化设计。

所以,合成生物学就是——通过顶层设计,使用标准化的元件或基因线路去拼装,构建出新的生物系统,从而解决健康,资源,环境领域的重大问题。

三.合成生物学的工具

(1) DNA的二代测序 (Next generation sequencing, NGS)和三代测序 (Third generation sequencing, TGS)的技术

在合成生物学中基因的操作是最为基础和关键的一部分,所以基因的合成和基因的测序技术对于合成生物学来说是至关重要的。二代和三代测序技术相比于一代的Sanger测序技术来说更加的快捷便宜和准确。

(2) DNA 组装方法 (DNA Assembly)

 传统的基因工程操作就是用限制性内切酶通过基因上的酶切位点把DNA片段切开并用连接酶把目的基因片段插进被切开的基因片段。但是传统的这种方法耗时耗力一次只能操作一个基因片段效率低且容易产生frame shift等问题。在现阶段的合成生物学操作中多种更为简洁方便高效的DNA assembly的方法被创造出来其中最为常用的有Gibson, Golden Gate, GatewayLong-overlap-based assembly等。这些方法或在连接时设计出特定的overhang, 

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