合成生物学及其在生物技术中的应用进展

合成生物学及其在生物技术中的应用进展*

吕

静1)孙洪磊2)何皓2)傅鹏程1)**

(1)中国石油大学(北京)化工学院重质油国家重点实验室，新能源研究中心，北京102249；

2)

中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院，北京100195)

摘要合成生物学是一门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．关键词

合成生物学，系统生物学，蓝藻，底盘，生物燃料

学科分类号

Q6

DOI :10.3724/SP.J.1206.2011.00583

生物化学与生物物理进展

Progress in Biochemistry and Biophysics 2012,39(2):105~118

https://www.wendangku.net/doc/0f7924278.html,

*国家重点基础研究发展计划(973)(2011CB200902)资助项目，中国石油天然气股份有限公司科技研究外协项目《制取生物柴油的工程微藻的筛选与培育》、《浮萍和微藻能源化的资源潜力与过程的中试开发》和《中国航空生物燃料炼制加工技术研究》资助项目.**通讯联系人.

Tel:010-********,E-mail:pengcheng@https://www.wendangku.net/doc/0f7924278.html, 收稿日期：2011-07-27，接受日期：2012-02-13

1合成生物学概述

1.1新一代生物学

合成生物学20世纪生物学研究一直以“还原论”为指导，即对生物系统不断分解，直至细胞中的单个或有限个基因或蛋白质，然后孤立研究这些基因和/或蛋白质的结构和功能，以此了解生物现象．随着基因组测序和高通量筛选测量为标志的当代分子生物学的迅猛发展，以系统化设计和工程化构建为理念的合成生物学成为新一代生物学的发展方向．

2000年1月《自然》(Nature )同时发表了两篇文章．其一是Colins 团队研制出由两个抑制基因、两个抑制启动子以及一个作为报告基因的绿色荧光蛋白(GFP)组成的一种双稳态“基因套环开关”，可对选择的细胞功能进行开关[1]．其二是Elowitz 和Liebler 用转录启动子和抑制基因构建了由连续诱导启动子调控的3基因抑制网络，称为“压缩振荡子”，同样加上一个GFP 报告基因．它将交替打开或者关闭GFP 报告基因，使细胞能在发光状态和非发光状态之间转换[2]．随后，许多合成生物学的基本元件，例如启动子、核糖体结合位点和转录阻

遏物等，均用来构建具有特定功能的模块，将这些模块插入细胞使生物系统具有了新的功能．目前，合成生物学模块包括了诸如套环开关、串级开关、脉冲发生器、时间延迟电路、振荡器、逻辑门电路等．这些模块和其他模块一起工作时，可以用来调控基因表达、蛋白质功能、代谢及细胞间的通讯[3]．以基因工程技术和电子工程的电路设计原则为基础的工作还包括利用启动子和阻遏子等基因元件构建最简单的组件创建可通用组装的，满足不同的组合要求的最简单的模块库[4]．应用例子包括逻辑门、闩锁(套环开关)[1,5]和逆变器[6]．

可以看出，合成生物学以信号传导、基因调控以及细胞代谢的元件组装具有我们所希望的细胞功

生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2012;39(2)

能的复杂生物系统．它通过对系统行为的定量预测和细胞改造的工程实施完成合成任务．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．从系统设计的角度来看，合成生物学通过在DNA水平编程，或重新编程来更新和/或创造新的生物实体，如分子修饰、代谢途径、调控网络、生物和生态系统等．它的发展将大大增强我们以系统论、信息论和控制论为指导对复杂的细胞网络进行微观改造，进而取得生物系统宏观表型改造的能力．

1.2基因调控网络和代谢网络的人工构建

基因调控网络的研究是现阶段合成生物学进行得比较多的工作，它已经从基因调控线路的构建扩展到细胞内信号通路的重连接[7]、胞内RNA逻辑门电路的实现[8]、具有细胞-细胞通讯的多细胞体系[9]等．研究表明，海胆胚胎内中胚层形成的基因调控网络具有五种不同类型的扰动[10]．小鼠B淋巴细胞和他们的两个胚胎干细胞的祖细胞形成的调控机制也得到了确定[11]．在更高的层面上，一种细菌群体“可调细胞-细胞通讯”的工程改造获得了较好的结果[12-13]．此外，对改变配基结合特性的受体和传感器蛋白的计算模型再设计得到了预期的结果[14-15]．类似的工作还包括：合成生物学实现了更改细菌转运和启动子的反应从“全或无”(all-or-none)到可调节逻辑．通过重组的有丝分裂过程的研究，合成生物学表征并改变微管和有丝分裂纺锤体蛋白组分的染色体分离、组装、拆卸和运动动力学机制[16-23]．

传统工业生物技术侧重于从环境中筛选具有代谢特定物质能力的天然微生物进行工业应用．而基于合成生物学的生物技术研发模式则是在细胞中构建由天然或非天然功能元件组成、自然界不存在的合成代谢途径，形成有生物制造能力的细胞工厂．合成生物学是从工程系统的角度出发进行设计，并且通过在细胞内植入适当的生物控制元件达到添加新功能的目的．这些基本生物控制元件在制造方法和植入上的标准化和模块化，以及可互换零件进行系统制造，拥有预测模型和稳健的设计库等，均可以促使统一生物元件备件库的建立．标准化使得未来的基因线路就如现在的集成电路一样，只需用不同的生物元件，即可设计组装新的基因线路产生所希望的功能．模块化则使基因线组装变得容易，并且可以充分利用前人组装出的生物元件，组合出更

加先进的基因调控网络，并可应用强大的计算机工程工具(如：CAD计算机辅助设计)进行综合设计．进一步的工作包括基因工程技术标准的改进、对遗传材料装配标准化和快速表征；开发的遗传材料“零件”系列能在构建的基因调控线路和代谢网络中可靠工作，不产生设计之外的相互作用，以及生成安全、稳健的宿主细胞．

1.3非天然氨基酸——

—合成生物学的元件

合成生物学使用工程的形式去定义和构建由生物单元，甚至是化工、机械、或计算单元组成的模块．由此产生的模块可能包含非天然材料．蛋白质序列中添加非天然氨基酸是合成生物学设计新功能蛋白质的一个策略．这种策略对天然蛋白质的折叠和功能研究有重要作用．目前，已有大约30多种非天然氨基酸被人工插入到生物体合成的蛋白质中[24-29]．但一种蛋白质中只能插入少数的非天然氨基酸．随着特别基因组序列合成手段的改进，将会用20个密码子特异性编码20种天然氨基酸，其余的密码子则用来编码非天然氨基酸．如果成功，将会实现多种非天然氨基酸的成功插入，并且对细胞功能没有特别的影响．加入到现有生物体的非天然氨基酸可以用酰化化学方法合成，并采用新增加的tRNA琥珀突变抑制手段辨识相关蛋白质．tRNA 工程已经用来改造和识别4和5个碱基的DNA密码子[30-31]．工业应用方面，已经有通过半胱氨酸合成途径工程改造的方法发酵生产O-乙酰-L-丝氨酸和其他非天然L型氨基酸作为药品、农药合成的前体的报道[32]．

1.4底盘与最小基因组

仅凭合成和设计DNA获得预期的理想功能是不够的．这些元件——

—合成的DNA操纵子，必须能够独立作用，而不受细胞其他过程的干扰．解决这个问题的方法就是：合成生物学的另外研究领域——

—最小基因组细胞．最小基因组细胞仅含有基本的遗传信息，在一定的条件下可保持细胞活力．细胞含有许多生物技术应用之外的元件，最小基因组细胞提供了一个无干扰的适合于生物工程操作的“底盘”．目前尚不清楚最小基因组细胞的遗传定义是通用的还是特定的．因此，可能需要一系列最小基因组细胞用于生产不同种类的生物产品．选择一个合适的底盘需要符合以下标准：具有一些预期的特性，可以更好地表征和注释这些生物(底盘)，具有适合该底盘的分子生物学改造工具．在工业水平上，一个稳定的底盘应该能够高效经济

106··

吕静,等：合成生物学及其在生物技术中的应用进展2012;39(2)

地生产燃料和化合物．例如在生物催化方面，优秀底盘应具备如下特性[33]：a．在矿物盐培养基上可以利用廉价碳源生长；b．可利用五碳和六碳糖，并能转化利用半纤维素生物质中的糖组分；c．代谢速率和产率高；d．发酵过程简单，降低大规模生产时操作成本和失败风险；e．底盘耐受性强(高温、低pH)，可以减少纤维素降解过程中外加纤维素酶和碱的用量；f．遗传操作简单，遗传稳定性强；g．耐受生物质预处理过程产生的抑制剂；h．耐受高浓度的底物和产物．

创建一个细胞底盘(cellular chassis)用来装配合成生物学家设计的生物零部件，并集成由此产生的部件以使其生物系统具有新的细胞功能是非常重要的．细胞底盘必须为细胞生长及组件工作提供各种组分,应该有各种标准的连接,而且足够稳定以便能在工业上应用．大肠杆菌[34]、丙酮丁醇梭杆菌[35]、谷氨酸棒杆菌[36]、酿酒酵母菌[37]和黑曲霉[38]可以作为性能优良的微生物细胞底盘．

最小基因组构建策略是改善底盘以生产燃料和化合物的最好方法。在原核细胞方面目前已开展了最小基因组的研究．这包括最小支原体基因组[39]和最小枯草芽孢杆菌基因组(约271～410个基因)[40-42]．Chandonia等[43]将大肠杆菌基因组分为必需基因、非必需基因和未知功能基因．同时进行了相关属必需和非必需的蛋白质比较，并建立了必需基因数据库PEC database(https://www.wendangku.net/doc/0f7924278.html,b.nig.ac. jp/ecoli/pec/)．在此基础上共删除16个大片段，累积删除了1.37Mb．结果使基因组尺寸减小了30%，但突变株生长缓慢，代时增加了73%，而且形态异常，变长变宽．类似研究如Blattnerj[44]对大肠杆菌MG1655(4.64Mb)基因组删除区域的选择是通过比较存在于菌株K-12，但在其他5株大肠杆菌中不存在的序列后，获得约100个删除位点，成功构建了不含可移动元件的基因组减小菌株MDS40-43．该简适基因组的特点为：a．基因组减小了15%；b．基因组稳定性提高；c．可表达一些毒性蛋白；d．电转化效率提高[45]．这些研究表明，通过微生物基因组大量增删基因，可以获得具有新性能的微生物．这为建立简适基因组、设计构建简单高效菌株奠定了合成生物学的基础．除大肠杆菌外，目前已经在酵母、芽胞杆菌、谷氨酸棒杆菌、链霉菌等中建立了大片段基因删除技术，可用于基因组删减．

支原体是目前发现的最小、最简单的具有自我

繁殖能力的细菌，其基因组也是原核生物中最小的基因组．Craig Venter的研究团队使用支原体进行了首例人造细胞的工作．细胞转化使用的遗传物质是对蕈状支原体(Mycoplasma mycoides)的基因组进行系统生物学研究后，通过化学合成得到的．即将整个基因组截成1078条DNA片段进行合成，然后把这些DNA片段导入酵母细胞中，在胞内拼接成约1Mp的全长基因组．这个人造基因组插入到山羊支原体(Mycoplasma capricolum)细胞，产生的人造细胞表现出的特征主要是蕈状支原体的生命特性[46]．

2合成生物学的生物技术研究应用

合成生物学是一个新型、复杂的生命系统的工程学科．它强调学科交叉的方法设计或重构生物系统，并用于制药业、营养保健品、特种化学品及生物燃料等方面产品的生产．为此可以把细胞作为“可编程机器”，设计和控制复杂的胞内及胞外活动，使具有新功能及新结构的生物系统能够实现准确界定的工程或科学目标．工程师和合成生物学家可以一起设计和建造新的生物组分、网络和途径，重接线路，重新编程构建生物．这些工程化的生物系统在不久的将来可以制造新药物、绿色燃料以及靶向治疗超级耐药菌和癌症等疾病．这种从基因线路、生物模块到合成途径的从头合成(de novo)工程模式已经开始解决关键问题，并且正在应用实施．2.1生物传感器

细胞从DNA转录、RNA翻译和蛋白质翻译后修饰过程中具有无数个信号转导线路来感应各种环境信号，并作出响应．这些线路包括精细的感应组分和过滤信号并驱动细胞反应的传感器模块．参与转录过程的启动子、RNA聚合酶、转录因子和其他转录组分都可以作为转录生物传感器的工程元件．大部分合成设计主要在启动子和转录因子．其中常用的启动子是大肠杆菌的lac，tet和ara操纵子．

2.1.1转录水平生物传感器．

通过直接设计改造启动子序列可以调控生物传感器的感应和传导能力．早期研究策略是构建诱导表达系统[47-50]．通过引入、删除或者改变激活子和抑制子位点调控启动子的感应程度．合成哺乳动物反式激活系统(transactivation systems)是将环境感应的转录因子与哺乳动物反式激活区域融合在一起形成诱导物改变基因表达.通过该策略已经合成用于

107

··

生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2012;39(2)

感应抗生素[51]、群体感应分子[52]、气体和代谢物[53-54]以及温度变化[55]的哺乳动物生物传感器. Fussenegger等[56]通过转基因设计哺乳动物线路构建了感应电信号的合成网络．

由于生物元件可能遭遇不可预测的干扰，要做到真正意义上的基因元件模块化是十分困难的，这需要对功能模块仔细解耦(decoupling)．Kobayashi[57]使用退耦策略构建了一个在可编程模式下对信号做出反应的大肠杆菌全细胞生物反应器．在该设计中，感应模块(由环境反应启动子和相应的转录因子构成)与一个类似中央处理器的基因线路连接，大肠杆菌细胞可以对有害的内源性输入做出反应，特异性地对DNA损伤刺激(如：紫外照射和丝裂霉素C)做出反应.该基因线路采用拨动开关(toggle switch)处理感应信息，当一种信号超过一定的阈值后开关从“关(OFF)”跳跃到“开(ON)”．该生物传感器从表达荧光报告基因到激活天然表型，例如生物膜的形成(表达traA基因)或细胞的自杀(表达ccdB基因)，均可获得很好的输出信息．

环境因素一般都是很多信号综合在一起．Anderson设计了一种转录AND开关[58]，它使单一基因线路具有多输入环境信号，从而可以获得比较真实的生物感应结果.这种生物传感器可用在很复杂的环境条件下监测特定的微环境(在工业生物反应器)的状态，例如温度、代谢水平或者细胞浓度．

2.1.2翻译水平的生物传感器．

非编码RNA通过剪切RNA，修饰核糖体RNA和催化生物化学反应在转录和翻译水平调控基因表达．非编码RNA的调控功能可应用于生物传感器．许多具有调控功能的RNA分子是天然的环境传感器，这些分子通过特异的序列区域调控多种模块功能．例如，核糖开关[59]通过适体域(aptamer domains)和诱导自身mRNA5忆UTR构象改变结合特异性小分子配体进而调控基因表达．模块化的适体域作为感应元件已广泛用于基于RNA 的生物传感器.构建一个完整的基于RNA的生物传感器需要在模块化的RNA分子骨架上将一个适体域(感应元件)与转录后调控域耦合在一起．反义RNA是通过转录后机制调控基因表达．Bayer和Smolke[60]在酵母中将核糖开关的适体与反义抑制子耦合在单个RNA分子上构建了反义-激活、配体-响应的核糖调控子来调控基因表达，适体与其配体结合，诱导RNA传感器构象改变，使其处于开的状态(ON switch)；或将反义域释放出来抑制基因的翻译，这时传感器处于关的状态(OFF switch)．这种生物传感器建立在配体和靶mRNA 协调作用的基础上，与基因拨动设计类似，表现为配体阈值浓度的双向开关．在实际操作中，通过适体与反义替代耦合成新传感器需要重新筛选相容的二级结构来构建功能开关．未来该平台可以与体内适体快速筛选技术结合，产生一系列RNA生物传感器，表征胞内mRNA和代谢水平．

此外，可以通过RNA自剪切调控翻译，将适体域捕捉的感应信号转导出去．RNA剪切受核酶催化，核酶具有适体域，可以对代谢做出响应．Yen[61]利用这种天然结构优势，在报告基因的mRNA序列中加入了编码配体感应的核酶.当缺乏同源配体时，报告基因mRNA组成型自剪切会导致信号很小或者没有信号．当同源配体抑制核酶活性时，RNA生物传感器打开．与“反义开关”类似，这些工程改造的RNA可以作为响应胞内代谢状态的内源传感器．

2.1.3翻译后生物传感器．

信号转导途径中主要的感应元件是受体蛋白．受体蛋白可以在分子相互作用的水平上从头(de novo)设计．Looger等[62]利用计算机运算的方法设计了与新的靶配体结合的天然受体蛋白.研究人员从大肠杆菌的5种周质结合蛋白(PBP)家族入手，用新的非本源靶配体替代野生型配体，用计算的方法研究结合靶位点残基突变与配体的结合情况.通过该方法预测TNT(三硝基甲苯，一种致癌物和炸药)、L-乳酸(医学上重要的代谢物)和血清素(与精神病学有关的物质)的新受体.预测的受体经过了体外和体内生物传感器的实验验证．

传递感应信号的合成方法需要一种可调并合理的方式．Skerker等[63]通过重新构建组氨酸激酶的双组分系统进行信号传递.该构建包括了基于蛋白质生物传感器的模块化方法，以及对上游信号产生的加速、延迟或者超敏反应．

2.1.4混合方法．

将转录、翻译和翻译后合成线路综合成一种混合方法，这样可以取每种方法的优点，构建一个与天然生物一样，基于细胞层面的生物传感器．Voigt[64-66]使用混合合成方法构建了基于大肠杆菌的光传感器，合成感应激酶使细胞能识别红光．工程化细胞可以“打印”一种设计图像，相当于生物感

108··

吕静,等：合成生物学及其在生物技术中的应用进展2012;39(2)

光胶片．将蓝藻膜结合的光受体与大肠杆菌胞内的组氨酸激酶融合，诱导受光调节基因的表达．这种细菌光传感器可以用于图象边缘检测．将光感应与转录线路连接在一起可以进行细胞间交流(费氏弧菌的群体感应系统)，研究人员使工程化细胞感应光，周围细胞尽管不能感应光，但通过群体感应可以产生色素，进而形成边缘图像．

2.2合成生物疗法

人类一直饱受各种健康问题困扰，如抗药性、癌症以及肥胖等等．而药品的研发面临着多种挑战．合成生物学在解决上述问题方面将发挥重要作用，通过构建模块化的生物元件可以了解疾病机理，寻找药物靶点，进而创造新的疗法平台．2.2.1揭示疾病机理．合成生物学在病理学研究方面为重构生物系统提供了框架．该策略可以解释像丙种球蛋白缺乏症(病人不能产生成熟B细胞，因此不能抵抗感染)一类的免疫缺陷疾病．研究人员在正交环境下系统重构了人B细胞抗原受体(BCr)信号途径中的各种组分，构建了一个合成试验平台[67]．这可以鉴定BCr信号激活与组装的网络拓扑特征.为了研究疾病传染的分子基础，重构致病病毒基因组．例如合成并重构严重急性呼吸综合征冠状病毒(SArS)[68]和1918西班牙流感病毒[69]有助于鉴定造成致病力增加的基因突变．

2.2.2鉴定药物靶位点．将单个元件构建合成途径和系统可以更好地理解疾病发生的机制，发现靶向治疗位点.同时系统的装配合成生物学组件可以鉴定途径中每个组分的功能．Collins等[70]通过核糖调控子模块化来调控毒蛋白和生物网络中其他蛋白质的表达．将核糖调控子5忆UTR的mRNA序列设计成发夹结构，隔离核糖体结合位点，防止核糖体结合．通过调控反式激活RNA(将颈环解链)可以降低顺式抑制mRNA造成的翻译抑制．用核糖调控子调控CcdB(抑制DNA旋转酶的细菌毒蛋白)的表达，可以更好地理解细菌细胞死亡的机理[71]．合成生物学的这些研究结合喹诺酮类(抑制旋转酶的抗生素)系统生物学的研究发现了所有的细菌抗生素通过刺激氧化伤害而诱导细胞死亡的共同途径[72]．这些工作为研究细菌对致死型刺激做出何种反应提供新视角，为研发更有效的抗细菌类治疗铺平了道路．

2.2.3新药研发．

使用合成生物学策略开展新药研发可以解决新药研发周期长、成本高的问题，但需要进行全细胞筛选检测．Fussenegger等[73]建立了筛选具有抗结核分枝杆菌的小分子合成平台．乙硫异烟胺是一种治疗肺结核的药物，主要是通过结核分枝杆菌酶EthA激活药效．但由于蛋白EthR抑制ethA基因转录，因此在治疗时乙硫异烟胺药物总是失效．为解决该问题，研究人员设计合成了一个哺乳动物的基因线路，该线路构建了一个连有EthR反式作用子的报告基因来筛选鉴定EthR抑制子，进而消除对乙硫异烟胺的拮抗作用[73]．该设计因基于病理机制构建基因工程线路，并研发出应用于全细胞的新药，因此该思路可以用于其他疾病的研究．

完全工程化的病毒和组织可用于研究特定病原和病理机制．研究人员将产生抗药性的细菌装入生物膜，使用工程化噬菌体来解决细菌产生抗药性的问题．为了更有效地穿透生物膜，T7噬菌体经过基因改造可以表达降解生物膜酶dispersin B (DspB)，降解率达99.997%[74]．非溶源性M13噬菌体通过过表达抑制子lexA3来抑制细菌SOS DNA 损伤反应[75]．工程化的噬菌体提高了三类抗生素的杀死率，在大肠杆菌侵染小鼠实验中提高了杀死抗药性细菌，降低了细胞因抗生素引起的耐药性．而在构建工程化病毒时，可以将其治疗活性与病理信号联系起来，这样可以避免目前疗法不能区分癌组织和正常组织的弊端．Voigt等[76]利用合成生物学方法，将细菌对癌细胞的入侵与特定环境信号连接起来．组成型表达来自假结核耶尔森(氏)菌侵袭素(inv)基因，可以诱导大肠杆菌细胞入侵人正常细胞系和癌细胞系．为了选择性入侵癌细胞系，研究人员将inv构建在转录操纵子的下游，只有在癌细胞的微环境下，才被特异的环境信号激活表达．这些工程化细菌可以用于癌症治疗．

2.2.4药效释放．

合成线路除了应用于上述疗法之外，还可以用于控制药物释放、基因和代谢疗法．控制药物释放可以更好地达到治疗疗效，减轻副作用．通过振荡器线路合成或者程序化时间延迟线路来调控药物释放．Collins[77]合成研发了两种不同的基因响应用于上述研究．

基因疗法是一种很有前景的疗法，主要应用于传统药物疗法无效的情况下，例如遗传和代谢疾病．合成线路为基因疗法提供控制方法．哺乳动物细胞将合成的基因开关与转录抑制蛋白耦连，使用RNAi模式抑制、调控和反向控制基因表达．该系统[78]可以抑制目的基因99%以上的表达，因此在基

109

··

生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2012;39(2)

因沉默中具有重要应用前景．

构建非本源途径为治疗代谢紊乱提供了一种基因疗法．Liao等[79]在哺乳动物小鼠肝脏细胞中引入乙醛酸分支途径研究脂肪酸代谢，研究发现脂肪酸氧化增多，形成了一个分支循环．喂食小鼠高脂肪食物后，小鼠并没有引起肥胖症，总脂、血浆甘油三酯和胆固醇水平都很低．该工作为研究代谢网络和失调提供了合成生物学研究的新模式，为解决肥胖症提供了方法．

2.3生物燃料，药品和生物材料

2.3.1构建生物合成途径．

青蒿素是青蒿产生的倍半萜烯酯的内过氧化物，是治疗疟疾的特效药．但是该药物供应短缺，很多病人不能得到治疗．化学合成青蒿素十分困难，成本昂贵．合成从青蒿素的前体青蒿酸开始进行半合成，不仅可以降低成本，而且是个环境友好的产品策略．美国加州伯克利分校的Keasling实验室分别使用大肠杆菌和酵母菌为宿主，插入了合成抗疟疾特效药青蒿素前体青蒿酸的多基因代谢途径，实现了工业微生物发酵低成本生产青蒿素，为合成生物学在多基因代谢途径方面的应用起到了示范作用[80]．此工作通过对青蒿酸等多种酶及代谢途径的组装、精密调控，对有关代谢途径重新设计，提高了工业过程中青蒿素产量，解决了天然或非天然代谢物大量积累对寄主的毒性问题．在大肠杆菌中，通过对青蒿酸(ADS)合成酶密码子优化、共表达SOE4操纵子以及引入异源的酵母菌甲羟戊酸途径，提高了青蒿酸的产量[81]；在酵母菌，引入植物青蒿素的ADS合成酶基因,克隆青蒿类植物转化为青蒿酸的细胞色素P450氧化还原酶等．改造后的酵母使青蒿酸的合成能力大大提高[80]．此外，紫杉醇合成的关键前体也在重组大肠杆菌中合成出来[82]．

合成生物学技术已经在生物燃料，特别是生物制氢以及生物柴油的研究方面得到应用．美国Virginia Tech教授Zhang等[83]利用合成生物学原理，用13个已知的酶构成了一条非天然酶催化途径，可以将淀粉在温和的反应条件下高效低成本地制取氢气．该技术与燃料电池的集成有望解决氢气的生产、储存和运输等方面的难题，具有生物能源的巨大潜力[83]．美国加州洛杉矶分校的Liao研究室利用大肠杆菌已有的代谢途径，向其中引入外源酶，增加两步细菌本身不具备的生化反应，可使氨基酸代谢中间产物合成醇，设计高级醇的代谢电路，实现了异丁醇、丁醇的大肠杆菌发酵合成[84]．在此基础上，Keasling的研究小组又设计和构建了生产生物柴油的大肠杆菌，开辟了微生物工程化炼制能源的新途径[85]．

2.3.2优化代谢途径代谢流．建立生物合成途径后，所有元件表达需要处于最优化的代谢状态，并产生高浓度的产物．表达代谢途径元件的标准方法就是与可调的强启动子连接，例如来源于大肠杆菌操纵子tet，lac和ara的P L tet，P L lac和P BA D启动子．目前，合成生物学正致力于创建和表征更多可重复使用、调控生物元件的启动子达到调控表达的目的．2.3.3创建具有新功能的材料．

设计线路可以感应生物反应器环境，改变代谢阶段提高生物燃料生产效率．自动时间线路可以在一定时期关闭代谢过程．这类生物计时器可以通过模型指导的启动子工程使用基因拨动开关来完成．这些生物计时器可用于工业发酵生产乙醇过程中指导酵母细胞在特定时间絮凝，简化细胞分离.

合成控制系统可以用于提纯合成产物．这在重组蛋白、生物塑料和其他生物材料生产中尤其重要．因为这些产物在胞内积累容易形成包涵体，高浓度下毒害细胞．为了将重组蛛丝蛋白单体分泌到胞外，Widmaier等[86]构建了一个分泌系统，可以有效地广泛地将蛋白质分泌到胞外．沙门氏菌芋型分泌系统(T3SS)符合这些要求，具有调控机制，可以调控表达蛋白分泌到胞外．为了获得高分泌效率的重组丝蛋白，研究人员仅需要构建一个调控线路将编码丝蛋白异源基因与内源分泌系统相连．

合成生物学也在细胞群体效应方面开展研究．Hasty研究小组[87]已成功合成了多细胞系统，在细菌群体细胞内同步振荡，完成细胞间交流和胞内信号处理模块化．Weiss[9]完成了类似的先前研究，建立了生物分子信号处理装置，可以过滤从“发送”细胞传来的交流信号．这些系统有助于组织工程的构建和发展．

3真核及光合生物合成生物学应用实例

3.1酵母合成生物学与代谢工程

真核生物系统较原核生物要复杂得多，对于合成生物学家们来说，建立真核生物的合成生物学是一个很大的挑战和机遇．在真核生物基因组中存在着很多内含子，影响基因表达，同时具有多种不同的细胞器和蛋白在不同的区室定位，这些加大了组件合成的难度．但是也为合成生物学提供了更多可

110··

合成生物学研究进展及其风险

合成生物学研究进展及其风险 关正君魏伟徐靖 1合成生物学研究概况 合成生物学(synthetic biology)是在现代生物学和系统科学基础上发展起来的、融入工程学思想的多学科交叉研究领域。其包括了与人类自身和社会发展相关的研究方向和内容，为解答生命科学难题和人类可持续发展所面临的重大挑战提供了新的思路、策略和手段。2004年，合成生物学被美国麻省理工学院出版的Technology Review评为“将改变世界的十大新技术之一”。2010年12月，Nature杂志盘点出2010年12件重大科学事件，Science杂志评出的科学十大突破，合成生物学分别排名第4位和第2位。为此，世界各国纷纷制定合成生物学发展战略及规划，开展合成生物学研究，以抢占合成生物学研究和发展先机，促进了合成生物学基础研究和应用研究的快速发展。同时合成生物学的巨大应用潜力，还吸引了众多公司及企业参与到该领域的研究开发，推动着合成生物学产业化的进程。 合成生物学作为后基因组时代生命科学研究的新兴领域，其研究既是生命科学和生物技术在分子生物学和基因工程水平上的自然延伸，又是在系统生物学和基因组综合工程技术层次上的整合性发展。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造不同，合成生物学旨在将工程学的思想用于生物学研究中，以设计自然界中原本不存在的生物或对现有生物进行改造，使其能够处理信息、加工化合物、制造材料、生产能源、提供食物、处理污染等，从而增进人类的健康，改善生存的环境，以应对人类社会发展所面临的严峻挑战。 作为一个新的基础科学研究领域，合成生物学综合生物化学、生物物理和生物信息技术与知识，涵盖利用基因和基因组的基本要素及其组合，设计、改造、重建或制造生物分子、生物体部、生物反应系统、代谢途径与过程，乃至整个生物活动的细胞和生物个体。合成生物学使人们可以利用与物理学方法类似的模块构建和组装形成新的生命有机体，从而人工设计新的高效生命系统。中科院《2013年高技术发展报告》指出，DNA测序技术、DNA合成技术和计算机建模是支撑合成生物学发展的关键技术。近年来，大量物种的全基因组测序，为合成生物学家构建功能组件的底盘生物体系提供了丰富的遗传信息。快速、廉价的测序技术也促进了新的系统和物种的识别和解析。 2 合成生物学应用研究进展 2.1 合成生物学在医药工业领域的应用 2.1.1 天然药物合成生物学 天然药物合成生物学是在基因组学研究的基础上，对天然药物生物合成相关元器件进行发掘和表征，借助工程学原理对其进行设计和标准化，通过在底盘细胞中装配与集成，重建生物合成途径和代谢网络，从而实现药用活性成分定向、高效的异源合成，以解决天然药物

现代生物学技术

现代生物学技术 1：2010年诺贝尔生理学或医学奖：试管婴儿 2：人造生命“人造儿”菌落图 细胞工程与胚胎移植 一：细胞工程概述 1：细胞工程：以细胞为对象，应用生命理论科学理论，借助工程学原理和技术。 研究对象：动植物细胞（原生质体）。细胞器、染色体、细胞核、胚胎 2：生物工程：以生命科学为基础，用生物体系和工程学原理。生产生物制品和制造新物种的一种综合技术。 第一代生物工程：4000多年前—20世纪30年代 第二代生物工程：30年代—二战期间 微生物工程→生物化学工程→酶工程→基因工程→细胞工程→蛋白质工程（第二代基因工程）→组织工程→代谢工程 3：细胞工程发展历史 ①探索期：19世纪末—20世纪中期 动物：1885年卢克斯“组织培养”1907【美】哈林森 植物：1937年【荷兰】温特植物组织培养 ②诞生期：20世纪70年代 1956—1959年斯沃尔三倍体：三棘刺鱼 1959年张明觉试管兔 1962年仓鼠肾细胞悬浮培养 1965年哈里斯·沃特金斯灭活病毒诱导动物细胞融合 20世纪70年代高国楠聚乙二醇促使植物原生质体融合 1960年兰花无性繁殖 1972年【美】卡尔森NaNO3诱导烟草原生质体融合 4：快速发展时期：20世纪70年代——至今 1973年古各树里。植物活性物质生产新途径 1975年科勒·米尔斯坦单克隆抗体 1977年首例试管婴儿 1981年埃文斯·科夫曼分离小鼠胚胎干细胞 A：动植物人工繁殖技术：植物组织培养，人工育种，试管动物，克隆动物 B：细胞充足与新品种培育技术{细胞水平、细胞器水平} C：生物制品生产技术 D：细胞组织工程技术 二、动物细胞工程 1.动物细胞和组织培养 正常哺乳动物细胞四大生物学特征：锚地依赖性 血清依赖性生长因子 接触依赖性 形态依赖性细胞扁平状 2.细胞融合

鬼臼毒素生物合成研究进展_陆炜强

·综述· 鬼臼毒素生物合成研究进展 陆炜强，傅承新，赵云鹏 * （浙江大学生命科学学院濒危野生动植物保护生物学教育部重点实验室，浙江杭州310058） ［摘要］鬼臼毒素（podophyllotoxin ）是一种成功商品化的天然木脂素，其衍生物依托泊苷（etoposide ）、替尼泊苷（tenipo-side ）等在临床上广泛应用于抗肿瘤、抗病毒治疗。植物提取是鬼臼毒素的主要来源，面对野生资源压力，人们分别开展了植物野生变栽培、 植物细胞或器官培养、化学全合成等研究，以扩大鬼臼毒素来源。鬼臼毒素生物合成研究是开展植物规范化栽培和代谢工程的重要前提。20多年来尤其是近10年来，鬼臼毒素生物合成研究进展迅速，但鬼臼毒素的下游代谢以及整个合成途径基因水平的评述仍不足，因此作者专门针对鬼臼毒素的生物合成，对相关文献尤其是近10年的文献进行综述，重点介绍其合成途径关键环节的过程、主要产物、酶的特点与功能、已报道的酶编码基因等内容，以合理推测和概括鬼臼毒素的生物合成途径，同时对目前研究仍存在的问题和将来研究方向进行了讨论。 ［关键词］鬼臼毒素；生物合成；规范化栽培；代谢工程［稿件编号］20101116002 ［基金项目］国家科技支撑计划项目（2006BAI21B07）；浙江省科技厅中药现代化专项（2006C13077）［通信作者］* 赵云鹏， Tel ：（0571）88206463，E-mail ：ypzhao @https://www.wendangku.net/doc/0f7924278.html, ［作者简介］陆炜强， Tel ：（0571）88206463，E-mail ：lwq-711@ 163.鬼臼毒素（podophyllotoxin ， PTOX ）是植物来源天然产物成功商品化的经典案例。从其发现至今已有近1个世纪的历史，其具有良好的抗肿瘤、抗尖锐湿疣、抗艾滋病毒活性 ［1-3］ ，虽然自身毒副作用较大，但其半合成衍生物在保证治 疗效果的同时，大大降低了毒性，在临床治疗淋巴癌、肺癌等多种癌症中得到广泛应用， 如依托泊苷（etoposide ，VP-16），替尼泊苷（teniposide ，VM-26），依托泊苷磷酸酯（etopophos ），azatoxin ，tafluposide 等［4］。鬼臼毒素的传统和主要来源是植物提取，来源植物主要分布于小檗科足叶草属Podophyllum 、桃儿七属Sinopodophyllum 、八角莲属Dysosma 、山荷叶属Diphylleia 、Jeffersonia 属，其他还有亚麻科亚麻属Linum ，柏科刺柏属Juniperus 、崖柏属Thuja 、Callitris 属，唇形科山香属Hyptis 、百里香属Thymus 、香科科属Teucrium 、荆芥属Nepeta 、Eriope 属等［5-7］。由于过度采挖、生境破坏和植物自身生长缓慢等原因，鬼臼类野生植物资源逐渐枯竭、物种濒危，已难以满足鬼臼毒素生产的需求，人工规范化栽培势在必行，但目前桃儿七S .hexandrum （异名：Podophyllum hex-andrum ，P .emodi ）、八角莲D .versipellis 的栽培刚刚起步，其他来源植物的新资源开发程度也有待进一步深入 ［8-10］ 。此外，虽然化学全合成技术已经有所突破，但是 复杂的合成过程、极低的合成效率（约为5%），使人工全合成鬼臼毒素目前仍难以实现商业化 ［3，11］ 。近年来基于 生物技术的植物代谢工程快速发展，为鬼臼毒素替代资源的开发提供了更多途径，如植物细胞或器官培养、生物转化等，但仍存在效率低、成本高的共性问题，目前尚未产业化 ［5，12-14］ 。因此，要彻底解决鬼臼毒素的来源问题， 仍需要对上述3种途径的关键科学和技术问题深入研究。 实现药用植物规范化栽培和植物细胞或器官培养生产鬼臼毒素的前提之一是必须充分阐明鬼臼毒素的生物合成途径及其调控机制。因此，自20世纪80年代末以来，学者们以足叶草Podophyllum spp.、亚麻Linum spp.等植物的组织或细胞培养体系为研究系统，探讨了鬼臼毒素的生物合成途径，取得了长足进展。前人综述了不同时期鬼臼毒素生物合成不同方面的研究进展 ［6，12，15-19］ ，揭示了合成途径的大体 框架，为后续的研究提供了良好的基础和背景。但是前人的综述大多是对鬼臼毒素的资源、化学、药理、生物合成、细胞或器官培养等内容的全面评述，或者是对整个木脂素类生物合成的综述， 对于鬼臼毒素生物合成的论述不够全面、详细，比如对鬼臼毒素下游的代谢往往没有讨论，而且对近几年已有新进展的相关酶编码基因的分离、扩增、表达也较少涉及。因此，本文专门针对鬼臼毒素的生物合成，对相关文献尤其是近10年的文献进行综述，重点介绍其合成途径关键环节的过程、主要产物、酶的特点与功能、鬼臼毒素下游代谢、已报道的酶编码基因等内容，以期继续推动该领域的研究，实现优质种源筛选、株系改良、栽培和培养条件优化、生产体系调控，为鬼臼类植物规范化栽培和代谢工程的产业化奠定

《微生物学》参考书目

《微生物学》参考书目 [1] 国家自然科学基金委员会[编], 微生物学．北京：科学出版社，1996． [2] 蔡信之主编, 微生物学．上海：上海科学技术出版社，1996． [3] 唐珊熙主编, 微生物学．北京：中国医药科技出版社，1996． [4] 黄秀梨主编, 微生物学．北京：高等教育出版社，1998． [5] 李榆梅主编,微生物学. 北京: 中国医药科技出版社,1999. [6] [美][J.尼克林]J. Nicklin著,微生物学. 北京:科学出版社,1999. [7] 闵航主编,微生物学.杭州: 浙江大学出版社, 1999. [8] 刘正主编,口腔微生物学.南京:南京出版社, 1995. [9] 江苏省徐州农业学校主编,兽医微生物学.北京:中国农业出版社.1995. [10] 郁庆福主编,现代卫生微生物学.北京:人民卫生出版社, 1995. [11] 李影林主编,临床微生物学及检验.北京: 人民卫生出版社,1995. [12] 程东升主编,资源微生物学. 哈尔滨: 东北林业大学出版社, 1995. [13] 杨洁彬等编著,食品微生物学.北京:北京农业大学出版社, 1995. [14] 高鼎主编,食品微生物学.北京:中国商业出版社, 1996. [15] 郭爱莲编著,食品与微生物. 西安: 陕西科学技术出版社, 1996. [16] 王绍树主编,食品微生物实验. 天津:天津大学出版社, 1996. [17] 陈子丹，赵再平主编,食品微生物学. 长春: 吉林大学出版社, 1997. [18] 王禾主编,食品微生物学. 哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1998. [19] 苏世彦主编,食品微生物检验手册. 北京:中国轻工业出版社, 1998. [20] 王文仲编著,应用微生物学. 北京: 中国医药科技出版社, 1996. [21] 哈尔滨兽医研究所编著,兽医微生物学.北京:中国农业出版社, 1998. [22] 陆德源主编,医学微生物学.北京: 人民卫生出版社, 1996. [23] 刘清蒙主编,医学微生物学. 贵阳：贵州科技出版社， 1997. [24] 赵富玺，姜国枢主编,医学微生物学. 北京: 人民军医出版社, 1999. [25] 李阜棣主编,土壤微生物学. 北京: 中国农业出版社, 1996. [26] 魏德洲编著,资源微生物技术. 北京: 冶金工业出版社, 1996. [27] 梁如玉主编,农业微生物学. 北京: 中国农业科技出版社, 1997.

微生物药物合成生物学研究进展

微生物药物合成生物学研究进展 武临专, 洪斌* (中国医学科学院、北京协和医学院医药生物技术研究所, 卫生部抗生素生物工程重点实验室, 北京100050) 摘要: 微生物次级代谢产物结构复杂多样, 具有抗细菌、抗真菌、抗肿瘤、抗病毒和免疫抑制等多种生物活性, 是微生物药物开发的源泉。当前, 微生物药物研究面临一些挑战: 快速发现结构新颖、生物活性突出的化合物; 理性化提高产生菌的发酵效价; 以及以微生物为新宿主, 实现一些重要天然药物的工业生产。合成生物学是在系统生物学和代谢工程等基础上发展起来的一门学科。本文对合成生物学在发现微生物新次级代谢产物、提高现有微生物药物合成水平和创制微生物次级代谢产物方面的研究进展进行了阐述。 关键词: 微生物药物; 合成生物学; 次级代谢产物; 生物合成 中图分类号: Q939.9; Q81; R914.5 文献标识码:A 文章编号: 0513-4870 (2013) 02-0155-06 Synthetic biology toward microbial secondary metabolites and pharmaceuticals WU Lin-zhuan, HONG Bin* (Key Laboratory of Biotechnology of Antibiotics of Ministry of Health, Institute of Medicinal Biotechnology, Peking Union Medical College and Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100050, China) Abstract: Microbial secondary metabolites are one of the major sources of anti-bacterial, anti-fungal, anti- tumor, anti-virus and immunosuppressive agents for clinical use. Present challenges in microbial pharmaceutical development are the discovery of novel secondary metabolites with significant biological activities, improving the fermentation titers of industrial microbial strains, and production of natural product drugs by re-establishing their biosynthetic pathways in suitable microbial hosts. Synthetic biology, which is developed from systematic biology and metabolic engineering, provides a significant driving force for microbial pharmaceutical development. The review describes the major applications of synthetic biology in novel microbial secondary metabolite discovery, improved production of known secondary metabolites and the production of some natural drugs in genetically modified or reconstructed model microorganisms. Key words: microbial pharmaceuticals; synthetic biology; secondary metabolites; biosynthesis 来源于微生物的药物称为微生物药物(microbial medicine, microbial pharmaceuticals), 主要包括来源于微生物(特别是放线菌和真菌) 次级代谢产物的药物。 收稿日期: 2012-09-25; 修回日期: 2012-11-01. 基金项目: 国家“重大新药创制”科技重大专项资助项目(2012ZX09301002-001-016); 国家自然科学基金资助项目 (31170042, 81172964). *通讯作者 Tel: 86-10-63028003, E-mail: binhong69@https://www.wendangku.net/doc/0f7924278.html,, hongbin@https://www.wendangku.net/doc/0f7924278.html, 微生物药物例如抗生素, 在控制感染、免疫调节和治疗癌症等方面发挥了重要作用。目前, 已经从放线菌和真菌中发现了2万多种具有生物活性的次级代谢产物, 其中百余种成为微生物药物。随着对放线菌和真菌的持续开发利用, 直接从放线菌和真菌研制微生物新药难度越来越大, 主要原因在于: ①化合物排重难度很大(从微生物已经发现了25 000多种化合物); ②新微生物资源的分离培养工作没有突破性进展, 获得大量的、具有产生新次级代谢产物能 ·专题报道·

第十六章基因表达的调节控制以及现代生物学技术

第十六章基因表达的调节控制以及现代生物学技术 一：填空题 1.正调控和负调控是基因表达的两种最基本的调节形式，其中原核细胞常用________________调控，而真核细胞常用________________调控模式。 2.操纵子由________________、________________和________________三种成分组成。 3.与阻遏蛋白结合的DNA序列通常被称为________________。 4.β-半乳糖甘酶基因的表达受到________________和________________两种机制的调节。 5.葡萄糖效应是指________________。 6.ticRNA是指________________；micRNA是指________________。 7.大肠杆菌细胞内参与His合成有关酶的基因表达受到________________和________________两种机制的调节。 8.________________或________________可诱导原核细胞出现严谨反应。 9.________________和________________被称为魔斑分子，它作为________________酶的别构效应物调节此酶的活性。 10.鼠伤寒沙门氏菌两种鞭毛蛋白表达之间的转换是通过________________机制实现的。 11.哺乳动物细胞对氨基蝶呤产生抗性，是因为细胞内的DHFR基因经历了________________。 12.在胚系细胞之中，抗体重链的基因可分为________________、________________、________________和 ________________四个区域。 13.在基因表达的调控之中，________________和________________与________________和________________之间的相互作用十分重要。 14.女性两条X染色体只有一条X染色体具有转录的活性是因为________________和________________。 15.乳糖操纵子的天然诱导物是________________，实验室里常用________________作为乳糖操纵子的安慰诱导物诱导β-半乳糖苷酶的产生。 16.基因扩增或基因放大是指________________，它是通过局部DNA的来实现，________________扩增可导致细胞癌变。 17.SPO1噬菌体通过________________级联调节早、中和晚期基因在不同时间内的表达。 18.存在于反式作用因子上负责激活基因转录的结构花色通常有________________、________________和 ________________三种形式。 19.真核细胞核基质的主要成分是________________。 20.组蛋白可经历________________、________________和________________修饰而调节基因的表达。 21.原核细胞DNA的甲基化位点主要是在________________序列上，真核细胞核DNA的甲基化位点则主要是在________________序列上。 22.反式作用因子通常通过________________、________________和________________键与相应的顺式作用因子结合。 23.PCR即是________________。 24.人类基因组计划的主要内容是________________。 25.Southern blotting、Northern blotting和Western blotting分别被用来检测________________、________________和________________。 26.________________是应用于蛋白质工程中的最主要的手段。 27.RFLP即是________________。 28.噬菌体展示(Phage display)技术中常用的噬菌体是________________。 29.基因工程需要的最常用的工具酶包括________________、________________和________________等。 30.基因克隆的载体通常是由________________、________________和________________改造而来。 31.可使用________________和________________方法获得原核细胞的启动子序列。 32.体外转录通常需要使用________________、________________或________________RNA聚合酶。 33.脉冲场凝胶电泳(Pulsed field gel electrophoresis)被用来分离________________。 34.第一个使用体细胞克隆出来的哺乳动物是________________。 35.一种基因的启动子序列与启动子的一致序列越相近，该基因的转录效率就越________________。 36.基因敲除(Gene knockout)即是________________，它是研究________________的好方法。 二：是非题 1.[ ]原核细胞与真核细胞的基因表达调节的主要发生在转录水平上。 2.[ ]衰减子这种调控模式不可能出现在真核细胞。 3.[ ]操纵子结构是原核细胞特有的。 4.[ ]某些蛋白质既可以作为阻遏蛋白又可以作为激活蛋白参与基因表达的调控。 5.[ ]转录因子都具有负责与DNA结合的结构花色。 6.[ ]某些反式作用因子通过亮氨酸拉链这种结构花色与DNA结合。 7.[ ]真核细胞的基因转录也具有抗终止作用。 8.[ ]真核细胞核的三类基因的转录都受到增强子的调节。 9.[ ]某一个基因的转录活性越强，则该基因所处的DNA序列对Ⅰ就越敏感。

《微生物学》学习指南

《微生物学》学习指南 一、课程的基本情况 本课程总学时：104 学时，其中理论教学：40学时，实验教学40学时，实习周教学1周（24学时），一个学期内完成全部授课内容。 《微生物学》课程是我校微生物技术及应用、生物技术及应用、食品加工技术、饲料与动物营养、食品安全与质量管理等9个专业的必修课程。《微生物学》是建立在学生学完《化学应用技术》、《生物化学》等课程之后开设的课程，是一门实践性较强的专业基础课。是微生物技术及应用专业、生物技术及应用专业和酿酒技术专业的核心主干课程。 本课程的主要内容：微生物形态观察、微生物培养、微生物生长测定、微生物分离纯化及鉴定、微生物检测、微生物育种和微生物的保藏。本课程的主要任务是使学生掌握微生物的形态构造、营养代谢、生长控制、遗传变异等方面的基本理论知识，掌握无菌操作技术、微生物的分离和培养技术、微生物鉴定技术、工业微生物菌种选育及保藏技术等关键技能，学习无菌操作室、微生物菌种室的建设，并掌握微生物技术常用仪器和设备的运行与维护，并培养学生之间的团结协作及沟通能力。学完该课程，为学生今后的学习及工作奠定坚实的基础。二、基本学习方法 《微生物学》课程理论、实践性均强，内容丰富，知识点琐碎，技能训练要求严格，许多学生反映该学科难学。因此，如何教与学好这门学科是很值得探讨的问题。这需要师生共同努力，教与学相辅相承。 1.明确目的是前提 要学好一门课程，首先要充分认识学科的性质及其重要性，才会有学习的动力，由“要我学”变为“我要学”，这样，你才能认真地、刻苦地去钻研它。这就要求你要听好第一堂即“认识微生物和微生物学”的讲解，明确学习的目的，激发学习的兴趣。明确微生物学与人们的生产生活联系非常紧密，与多学科联系紧密，有“桥梁”学科之称。如后续的发酵工艺课中的酶制剂、微生态制剂、酒

合成生物学的研究进展

第!期中!国!科!学!基!金"# !! !学科进展与展望! 合成生物学研究的进展 !!"中国科学院院士$ 本文于!%%&年’!月!"日收到$张春霆" !天津大学生命科学与工程研究院"天津(%%%)!# "摘!要#!本文简要介绍了合成生物学发展的历史背景与定义"它的主要研究内容"包括基因线路$合成基因组$合成药物与生物基产品或材料等%探讨了合成生物学与基因工程的异同"介绍了合成生物学在中国的发展情况"讨论了伦理道德与安全问题"最后展望了合成生物学的发展前景% "关键词#!合成生物学!基因线路!合成基因组!合成药物!合成生物基产品或材料!合成*+,序列 !!合成生物学的历史背景与定义 ’--%年人类基因组计划启动!随后模式生物基因组计划也快速实施!产生了大量的基因组*+,序列信息"由于新技术的出现!又促进了转录组学#蛋白质组学和代谢组学等的产生和发展"这一切又催生了一系列新兴交叉学科!如生物信息学和系统生物学等"基础研究的成果最终要转化为生产力!而合成生物学在!’世纪初的出现则是上述学科发展的一个合乎逻辑的结果"那么什么是合成生物学呢$合成生物学网站是这样介绍的%合成生物学包括两重意义%&’’新的生物零件&./01’#组件&234563’和系统的设计与构建(&!’对现有的#天然存在的生物系统的重新设计!以造福人类社会&711.%))89:; 173156<5=>=?9$=0?)’"维基百科全书是这样描述的%合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统!使其能够处理信息#操作化合物#制造材料#生产能源#提供食物#保持和增强人类的健康和改善我们的环境&711.%))3:$@5A5.325/$=0?)@5A5)B9173156*<5=>=; ?9’" "!合成生物学的主要研究内容 "#!!基因线路$$%&%’())(*)+(’% 说起基因线路或基因回路!最早可追溯到C/6=<和D=:=2关于半乳糖操纵子模型的经典工作" !"#$%&杂志在!%%%年发表了基因振荡和基因双稳态两个基因线路!被认为是奠基性的工作"现在则 已发表了大量的有关基因线路的工作!本文不拟详加介绍"一个典型的基因线路是基因双稳态线路+’,!由两个蛋白质编码基因与两个相对应的启动子组成"线路是这样设计的%蛋白质’的表达抑制了蛋白质!的表达!系统只有蛋白质’存在(反之!蛋白质!的表达抑制了蛋白质’的表达!系统只有蛋白质!存在"可在双稳态线路中加入诱导物!促使系统在两个稳定状态之间任意翻转"基因线路有广泛的应用!因篇幅所限不能展开介绍!下面只介绍(个应用例子" &’’大肠杆菌照相术+!, 首先从集胞兰细菌基因组中克隆两个基因并转入大肠杆菌!使之能生成对光敏感的藻青素!简称E F G"接着利用大肠杆菌中双组份信号转导系统’()*+,-./!将与E F G共价结合的脱辅基蛋白与’()*的组氨酸激酶结构域融合构成一个嵌合体!成为一个光敏部件"同时!将0-.1基因与2"3*基因融合!通过在2"3*基因上游引入0-.1启动子使其表达依赖于,-./"通过这一基因线路!2"3*基因的表达就会受光调控"当有红光照射时&相当于被摄物体的光亮部分’!’()*的自磷酸化被抑制!从而,-./不能被磷酸化激活!2"3*基因关闭!由涂抹在琼脂基片上的菌苔形成的底片保持原色"当没有红光照射时&相当于被摄物体的黑暗部分’!过程正好相反!’()*的自磷酸化被激活!从而使2"3*基因被磷酸化的,-./激活而表达!其产物为半乳糖苷酶!催化菌苔中的B;?/>&一种化合物’反应生成

生物科学研究进展

未来生物科学技术的发展趋势 从1665年，英国的物理学家胡克用自己设计并制造的显微镜观察栎树软木塞切片时发现其中有许多小室，状如蜂窝，称为"cell"，这是人类第一次发现细胞，到可用基因编辑生命个体的时代，才过去350余年，生物科学的发展日新月异，任何现存的可能性随时都会被颠覆。孤雌生殖、基因编辑、干细胞全能性的诱导等日益发展成熟的技术，将会在未来的某一点汇聚到一起，作用于前所未有的一项工程——生物智能技术，这将可能是第四次科技革命的交点。 有人认为，孤雌生殖虽然简单、高效，但是后代的基因变异极小，当生存环境改变时，后代可能因无法适应新环境而灭绝。而有性生殖却可以产生具有丰富变异的后代。在环境有所变化时，多样性的后代中只要有一小部分能够适应和生存下来，整个物种就不会灭绝。 近年来，群体遗传学家研究指出，数百万年以来，人类男性Y染色体一直在丢失基因和退化，数万年后，男性将消失殆尽，倒真有“女儿国”的隐忧了。布莱恩·塞克斯的科幻小说《亚当的诅咒：一个没有男人的未来》也反映了这种隐忧。其实，人类的未来远没有这么悲观。经过数千万年的演化，灵长类中源自X 染色体的Y 染色体才“丢盔弃甲”地演变成现在这种形状。不排除Y 染色体会继续丢失个别基因，但Y 染色体已趋于演化上的稳定状态，这与精子的特殊功能是一致的。也许，数万年后，科技发达，女性或可以靠孤雌生殖和克隆技术繁殖后代。借助孤雌生殖这个窗口，人类不仅可以窥探到大自然演化的奥妙，而且能够自信地走向未来！ 干细胞是一类具有自我更新和多分化潜能特性的细胞．可以作为治疗性克隆的研究与治疗资源及研究人类疾病的模型，广泛应用于再生医学、细胞替代治疗及药物筛选等研究领域。干细胞的生物学特性决定了其广泛的应用价值。一方面，干细胞可以在体外培养环境中。无限增殖，经过10余年的研究．已建立了一套成熟规范的干细胞体外培养体系；另一方面，干细胞是一种具有多分化潜能的细胞。在体外培养环境中给予一定的诱导条件．就可以将干细胞定向分化成为特定类型细胞，然后移植到机体相应的病变区替代原本失去功能的病变细胞，以治疗多种疾病，如心血管疾病、糖尿病、恶性肿瘤、骨及软骨缺损、老年性痴呆、帕金森氏病等。由此可见。干细胞具有巨大的研究价值和应用前景。

微生物学复习题和参考答案.doc

微生物学复习题和参考答案（农学类） 涂国全编写 2010年05月 第一章绪论 一、复习题（30题） 1.什么是微生物？简述其3大特点和所属类群。 2.什么是马铃薯晚疫病？试述其在历史上对人类的一次严重危害。 3.如何理解“在近代科学中，对人类福利最大的一门科学要算是微生物学了”？ 4.人类认识微生物世界的主要障碍是什么？在微生物学发展早期，学者们是如何逐一克服的？ 5.微生物学的发展经历了哪5个时期？各期的代表人物是谁？ 6.试简介列文虎克（A.vanLeeuwenhoek，1632～1723），并说明他对微生物学的贡献。 7.巴斯德学派在微生物学发展中有何重大贡献？ 8.科赫学派在微生物学发展中有何重大贡献？ 9.由巴斯德设计的著名曲颈瓶试验，有何重大的理论与实际意义？ 10.巴斯德、科赫等微生物学研究成果的“横向扩散”，产生了哪些分支学科？各学科的代表人物是谁？ 11.微生物学史上的“成熟期”始于何时、何人？试简述本期的特点。 12.在医疗保健事业的发展史中，与微生物学有关的“六大战役”是什么？它们对人类的进步起了什么作用？ 13.在发酵工业和生物工程产业中有哪些关键性的工艺技术？试述青霉素的大规模生产对当代发酵工业和生物工程所产生的巨大影响。 14.什么是生物工程（学）？它由哪5大具体工程组成？它们间的相互关系是怎样的？ 15.简述微生物在生态平衡和环境保护中的作用。 16.微生物学对生物学基础理论的研究有何重大贡献？为什么微生物可以发挥这种作用？ 17.为什么说微生物是基因工程的支柱？

18.在经典遗传学发展为分子遗传学的过程中，微生物起了什么作用？为什么能起这种作用？ 19.微生物学有哪6类分科？试简述分类依据并各举数例。 20.试列举10项起源微生物学研究的特有操作技术。 21.试列举微生物学中3项最重要的独特技术，并分别说出其创始人、基本原理及其对发展微生物学的贡献。 22.何谓科赫法则（Koch￠s Postulates）？ 23.微生物的“生长旺、繁殖快”特性对发酵生产有何实际意义？试举例说明之。 24.为什么说在微生物的5大共性中，“体积小、面积大”这一条是最根本的？ 25.微生物的“生长旺、繁殖快”特性对生物学基础理论的研究有何意义？试举例说明之。 26.微生物界有哪几项特点可称得上是“生物界之最”？（应答10项） 27.当前人类正面临哪5大危机？解决危机的关键是什么？为什么说在解决这些危机中微生物可以发挥其不可替代的作用？ 28简述现代微生物学发展的6大趋势。 29.为什么说“21世纪是生物学世纪”？ 30.简述微生物学在那几方面的突出贡献使人类的平均寿命延长了几十年。为什么？ 二、参考答案（54小题） 1.答案定义：一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称。 特点：个体微小（<0.1 mm）；构造简单；进化地位低。 类群：原核类：细菌，放线菌，蓝细菌；立克次氏体，支原体，衣原体。 真核类：真菌（酵母菌，霉菌），原生动物，显微藻类。 非细胞类：病毒，类病毒，朊病毒。（注：也可用表解法解答） 2.答案一种由病原性真菌引起的严重植物病害。19世纪中叶，在欧洲发生了一场马铃薯晚疫病大流行，毁灭了5/6的马铃薯，个别地方甚至颗粒无收，并引起爱尔兰等地大量居民饿死或逃往北美。 起因：当地过分强调种植单一高产粮食作物～马铃薯；当时连年气候异常，长期阴雨，温湿度过高，十分有利于病原真菌的生长繁殖和传播。 3.答案不同的人群或个人有其不同的幸福观或福利观。 一般都集中在追求钱、权、利、名、业、健（健康长寿）等几个方面。 健康在幸福观上应居首位；在近代多门科学中，对人类健康的关系最为密切、已作出了重要贡献并将进一步作出更大贡献的科学就是微生物学。 4.答案主要障碍有以下几点： 个体微小：列文虎克利用其自制的显微镜，克服了肉眼的局限性，首次观察到多种微生物的个体形态； 外貌不显：主要由科赫学派克服的，他们创立了许多显微镜技术，染色技术、悬滴培养技术和显微摄影技术，使人们对细菌等的外貌能清楚地观察到了；

现代生物学技术课程总结

现代生物学技术课程总结 1、生物统计学模块 统计学作为一项重要的数学工具，在我们初中阶段就已经接触并使用。而生物统计学是统计学与生物学的结合，是生物研究者数据分析的好帮手，则是在大学本科阶段才有涉及。最初学习生物统计学课程时，我们尚未参与科研，很多统计学理论在生物科学研究中的实际应用方式并不明确，且时间过久印象模糊。在现代生物学课堂上生物统计学模块中，老师将生物统计学理论与实验室数据分析的实例相结合，让我们重新温习生物统计学的理论的同时，也了解到在日常生物学实验中生物统计学理论的应用。经过一段时间的学习，我逐步学会如何运用生物统计学的知识解决实验室科研数据分析问题。首先需要把特定的生物学问题转化成数理统计问题，然后根据所提出的数理统计问题提出一个生物学的原假设及备择假设，并由此提出相应的统计学原假设及备择假设，确定和问题相关的变量及每个变量的类型，再根据变量的数目、类型、合适的参数估计以及待检测的假设，选择最合适的统计学检验。最重要的一步是进行生物学实验，收集实验数据检测其是否满足所选的统计学检验的假设，若不适合则须重新选择检验方法。最终运用所选择的检验方法得到有效的统计学结果并分析之。 经过两年多的科研训练，我在不断掌握实验技术的同时，也越来越觉得数据统计分析的重要性。一味地做实验得结果却不能科学地分析数据，在科研中是致命的短板。所以在接下来的研究生生涯中，我要不断地补足短板，争取行动与思想同进步。

2、分子影像和单分子技术模块 显微镜在生物学中的应用在初中阶段我们就有用到。随着对生物学研究的深入，我们所使用的显微镜已经从最初的光学显微镜不断升级。罗老师的课程让我了解到了很多更为先进的显微镜技术——光纤荧光成像技术、双光子共聚焦显微镜、高分辨率的纳米显微镜如：STED, PALM, STORM、钙成像技术、荧光共振能量转移技术、荧光漂白恢复技术、内源信号光学成像技术、荧光探针技术等。罗老师不仅仅是简单介绍这些显微镜技术，而是从显微镜基础原理开始讲起，由简入繁，让我们印象深刻。这些高端的显微镜技术在日常实验中虽然利用不多，但这些先进技术却能得到更加严谨精确的数据，为科研工作做出突出贡献。 3、分子影像和单分子技术模块 在这一模块中，孙老师主要给我们介绍了分子影像与单分子技术。和罗老师一样，孙老师不仅将分子影像和单分子技术着重介绍，更是从基础出发，将单分子技术的原理和应用技术（单分子荧光和超高分辨率荧光显微技术）给同学们讲解得非常透彻。从课上我了解到单分子技术在分子生物学和细胞生物学这连个领域发挥着巨大的作用。利用单分子技术实时观测体内的单分子及生物大分子的运动，有助于生物学家在分子水平上理解和解释细胞生理活动。单分子技术已经日渐成熟，在生物学实验中的运用也越来越多。力学操纵技术，如光摄技术、扫描探针显微技术；荧光超分辨显微技术，如STORM、PALM、STED、SIM；光谱技术，如SRS、FCS等都是应用广泛的单分子技术，且在目前的分子生物学和细胞

我国鹭类的生物学研究进展

我国鹭类的生物学研究进展 摘要:鹭科(Ardeidae)鸟类是湿地生态系统中重要的生物种类之一,也是环境质量评价的一类指示动物?我国鹭类有9属20种,除紫背苇鳽为古北界种类,海南鳽?黑冠鳽2种为东洋界种类外,其余种类为广布种?重点总结了我国鹭类生物学特征及研究进展,为今后的深入研究及保护工作提供参考? 关键词:鹭科(Ardeidae);生物学特征;研究概况 Research Advances on Biological Characteristics of Ardeidae Birds in China Abstract: Ardeidae birds are important in wetland ecosystem, and are regarded as indicators for environmental assessment. There are 20 species in 9 genus of Ardeidae in China. Except for Ixobrychus eurhythnus belonging to Palaearctic realm, and Gorsachius magniticus, G.orsachius melanolophus belonging to Oriental realm, the other six species belong to cosmopolitan. The biological characteristics and research progress of Ardeidae birds in China were summarized to provide reference for further research and protection. Key words: Ardeidae; biological characteristics; research advances 鹭科(Ardeidae)鸟类为大?中型涉禽,常见于河流?湖泊?沼泽?滩涂等湿地,是湿地生态系统中重要的生物类群之一,也是环境质量评价的一类指示动物?中国地处亚洲东部,东临太平洋,地域辽阔,境内河流?湖泊众多,浅海大陆架宽广,岛屿星罗棋布,自然条件复杂多样,为鹭类生存和繁衍提供了极其广阔的生态空间和诸多有利的自然条件? 我国学者从20世纪20年代开始鸟类研究,20世纪60年代初,《宜昌池鹭繁殖习性的初步观察》为新中国成立后第一篇有关鹭类研究的专题论文?此后,朱曦[1]?文祯中?王中裕等人开始进行鹭科鸟类生态生物学研究?郑作新[2]在《中国动物志》鸟纲第一卷中,列鹭科鸟类9属20种4亚种?本研究就中国鹭科鸟类生物学特征与研究进展进行分析研究,为今后的深入研究及保护工作提供参考? 1 白鹭属(Egretta) 1.1 大白鹭(Egretta alba) 国内有2个亚种,指名亚种(E. o.alba)在内蒙古?新疆繁殖,到西藏等地越冬;普通亚种(E. o. modesta)分布在中国东部?目前国内对2个亚种的繁殖生态?寄生虫已进行过研究?2009年3~10月胡宝文等[3]对新疆艾比湖大白鹭的巢?卵及雏鸟的生

微生物学检验常用的技术方法

微生物学检验常用的技术方法 随着现代医学及相关科学技术的发展，各学科相互交叉和渗透，医学微生物学检验技术已深入到细胞、分子和基因水平，许多新技术、新方法已在临床微生物实验室得到广泛应用。医学微生物学实验室的基本任务之一是利用微生物学检验技术，准确、快速检验和鉴定临床标本中的微生物，并对引起感染的微生物进行耐药性监测，为临床对感染性疾病诊断、治疗、流行病学调查及研究等提供科学依据。 微生物形态学检查 细菌形态学检查是细菌检验的重要方法之一，它是细菌分类和鉴定的基础，可根据其形态、结构和染色反应性等，为进一步鉴定提供参考依据。 一、显微镜检查 由于细菌个体微小，肉眼不能看到，必须借助显微镜的放大才能看到。一般形态和结构可用光学显微镜观察，其内部的超微结构则需用电子显微镜才能看清楚。常用显微镜有如下几种。 1.普通光学显微镜 采用自然光或灯光为光源，其波长约为0.4μm。显微镜的分辨率为波长的二分之一，即0.2μm，而肉眼可见的最小形象为0.2mm。故用油(浸)镜放大1 000倍，能将0.2μm的微粒放大成肉眼可见的0.2mm。普通光学显微镜可用于细菌、放线菌和真菌等的观察。 2.暗视野显微镜 常用于观察不染色微生物形态和运动。在普通显微镜安装暗视野聚光器后，光线不能从中间直接透入，视野呈暗色，当标本接受从聚光器边缘斜射光后可发生散射，因此可在暗视野背景下观察到光亮的微生物如细菌或螺旋体等。 3.相差显微镜 相差显微镜利用相差板的光珊作用，改变直射光的光位相和振幅，将光相的差异转换为光强度差。在相差显微镜下，当光线透过不染色标本时，由于标本不同部位的密度不一致而引起光相的差异，可观察到微生物形态、内部结构和运动方式等。 4.荧光显微镜 荧光显微镜与普通光学显微镜基本相同，主要区别在于光源、滤光片和聚光器。目前实验仪器中大多数使用的是落射光装置，常用高压汞灯作为光源，可发出紫外光或蓝紫光。滤光片有激发滤光片和吸收滤光片二种。用蓝光的荧光显微镜除可用一般明视野聚光器外，也