合成生物学大全
第25卷 第10期2013年10月V ol. 25, No. 10
Oct., 2013
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2013)10-0943-09
合成生物学在微生物细胞工厂构建中的应用
戴住波，朱欣娜，张学礼*
(中国科学院天津工业生物技术研究所，天津 300308)
摘 要：通过微生物发酵的方法生产大宗化学品和天然产物能够部分替代石油化工炼制和植物提取。合成生物学技术的发展极大地提高了构建微生物细胞工厂生产大宗化学品和天然产物的能力。一方面综述了合成生物学在构建细胞工厂时的关键技术，包括最优合成途径的设计、合成途径的创建与优化、细胞性能的优化；另一方面，介绍了应用这些技术构建细胞工厂生产燃料化学品、大宗化学品和天然产物的典型案例。关键词：合成生物学；细胞工厂；生物燃料；大宗化学品；天然产物
中图分类号：Q81；Q939.97 文献标志码：
A Synthetic biology for construction of microbial cell factories
DAI Zhu-Bo, ZHU Xin-Na, ZHANG Xue-Li*
(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Tianjin 300308, China)
Abstract: Production of bulk chemicals and natural products through microbial fermentation is an excellent alternative to petrochemical-based production and extraction from plant sources. Development of synthetic biology tools has facilitated construction of microbial cell factories for production of these compounds. This work reviews the key tools of synthetic biology to construct microbial cell factories, including design of the optimal synthetic pathway, construction and optimization of synthetic pathway and optimization of cellular properties. Successful examples of using these tools for production of fuel chemicals, bulk chemicals and natural products are also described.
Key words: synthetic biology; cell factories; biofuels; bulk chemicals; natural products
收稿日期：2013-08-27
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”项目)(2011CBA00806)
*通信作者：E-mail: zhang_xl@https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,
石油是液体运输燃料和化工产业的基础。然而石油资源是不可再生的，以其为基础的化工炼制是一个高能耗、高污染的过程。另一方面，很多天然产物具有抗肿瘤、抗寄生虫、消炎、抗氧化、防衰老等功效，一直是新药的重要来源。目前天然产物主要从药用植物中直接提取分离，然而植物生长周期长、产物含量低，导致这种生产方式对野生植
物资源造成很大的破坏[1]
。
如何以一种可持续、绿色清洁的方式生产燃料、大宗化学品和天然产物对于维持社会经济的可持续发展至关重要。生物质是一种可再生的清洁资源。通过生物制造技术，生物质可以被转化为燃料、大宗化学品和天然产物，从而部分替代石油化工炼制和植物提取。生物制造的核心技术是构建高效的微生物细胞工厂，将生物质原材料
转化为各种终端产品。
然而，自然微生物能生产的化学品种类很少，远不能满足生产能源、化工、材料和药物领域各种化学品的需求。另一方面，自然微生物即使能生产某些化学品，其产量也很低，不具备经济可行性。如何拓展微生物生产化学品的种类以及如何提高微生物的生产效率是限制细胞工厂产业化的两个关键因素[1]。合成生物学技术的发展极大地提升了细胞工厂的构建能力。本综述将介绍使用合成生物学技术构建微生物细胞工厂的技术路线，及其在生产燃
? 专题：人造细胞工厂 ?
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料化学品、大宗化学品和天然产物方面的应用。
1 使用合成生物学技术构建微生物细胞工厂的技术路线
通过以下几个方面的改造(图1)，可以快速构建出生产各种化学品的高效细胞工厂。
1.1 最优合成途径的设计
生产目标化学品的合成途径可能不存在于单一生物中，通过计算机模拟设计，可以将不同的生化反应组装到一个细胞中，形成一条完整的合成途径[2]。在此基础上，根据基因组代谢网络和调控网络模型，设计出目标化学品的最优合成途径，使其合成过程中能量供给充足，氧化还原平衡，碳代谢流最大程度地流入产品合成[3]。另一方面，自然界中可能不存在某步关键的生化反应，导致合成途径不能被打通。通过计算机模拟设计，可以人工合成出一个全新的蛋白，使其催化该步生化反应，从而进一步拓展化学品的合成种类[4]。
1.2 合成途径的创建
目标产品合成途径由一系列生化反应及相关的编码基因组成，其中某些基因是外源生物的。传统的PCR扩增方法周期长，而且很多外源基因在宿主细胞中的表达及翻译效率很低。DNA合成技术的发展很好地解决了这一问题。基于芯片的高通量、高保真DNA合成技术显著降低了合成时间、合成成本和错误率[5-6]；单个酶的大量合成和高通量筛选相结合，能有效解决外源基因的表达和翻译问题；另外，标准化的结构元件和调控元件文库，如启动子、核糖体结合位点和信使RNA稳定区文库，为合成途径的创建提供了坚实的物质基础[7-8]。
合成途径组装技术也日趋成熟，许多新方法和策略构建的外源途径不仅高效而且遗传更稳定。如Koma等[9]开发了高效的原核生物大肠杆菌遗传操作系统；另外，基于酿酒酵母体内高效的同源重组能力，科学家们也开发出快速高效的DNA组装技术，能够短时间内将若干个短DNA片段组装成几十甚至上百个碱基长的DNA片段[10-11]。
1.3 合成途径的优化
合成途径创建之后，通常效率都很低，远远达不到产业化生产的要求，因此需要对合成途径进行优化，提高其效率。高效的合成途径很多时候不仅仅受限于某个单一的限速反应步骤, 而是需要多个酶的协同平衡。基于标准化调控元件文库，可以对合成途径各个基因的表达进行精确调控，从而获得多个基因协调表达的状态[12]。多重基因组自动改造技术可以同时对染色体上的多个基因进行改造，结合高通量筛选技术，可以快速高效地鉴定出最优的调控组合[13]。通过人工合成的蛋白质骨架，既可以使合成途径相邻的两个酶聚集在物理空间比较近的区域，提高两个生化反应的速率，也可以获得这些酶的最优组合比例[14]，小分子RNA技术能大规模调控目标基因的表达，实现合成途径的精确调控来提高产量[15]。另外，根据基因转录因子与代谢关键中间物质的相互作用，开发出动态感应调控系统(d ynamic sensor-regulator system，DSRS)调控基因表达，也能显著提高目标产品的合成能力[16-17]。1.4 细胞生产性能的优化
合成途径优化完之后，可以获得一个初步的人工细胞。需要进一步提高人工细胞的生理性能和生产环境适应能力，才能将其转变为实际生产可用的细胞工厂。进化代谢和全局扰动等技术的发展可以有效地提高细胞的生产性能[18-23]。在此基础上，使用各种高通量组学分析技术可以解析细胞性能提升的遗传机制，并可用于新一轮细胞工厂的构建[24-26]。
使用上述的合成生物学技术，科学家成功构建了一系列高效的细胞工厂生产燃料化学品、大宗化学品和天然产物。
2 燃料化学品细胞工厂
传统的燃料化学品主要是乙醇和丁醇。随着合成生物学技术的发展，许多新型燃料化学品被开发出来[27-28]，主要包括长链醇(丙醇、正丁醇、异丁醇、异戊醇)、脂肪酸酯、脂肪醇、烷烃和烯烃。
2.1 依赖2-酮基酸和Ehrlich途径的长链醇细胞工厂
2-酮基酸是分支氨基酸(
缬氨酸、亮氨酸、异图1构建微生物细胞工厂的技术路线
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亮氨酸)生物合成前体，在大肠杆菌中引入外源的2-酮基酸脱羧酶(2-keto-acid decarboxylase, KDC) 和醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase, ADH)，即可将不同氨基酸合成途径的2-酮基丁酸、2-酮基戊酸、2-酮基异戊酸、2-酮基-3-甲基戊酸、2-酮基-4-甲基戊酸和苯基丙酮酸中间产物转化为相应的长链醇：丙醇、正丁醇、异丁醇、2-甲基丁醇、3-甲基丁醇(异戊醇)和苯乙醇等[29-30](图2)。
Liao研究小组利用2-酮基酸和Ehrlich途径构建和优化了异丁醇合成途径。首先，在大肠杆菌中引入乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)的酮酸脱羧酶基因(KivD)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的醇脱氢酶基因(adh)，创建出异丁醇合成途径；在此基础上，过表达芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的乙酰乳酸合成酶基因(alsS)、大肠杆菌自身的乙酰羟酸还原异构酶基因(ilvC)和二羟酸脱水酶基因(ilvD)，并敲除竞争途径相关基因醇脱氢酶基因(adhE)、乳酸脱氢酶基因(ldhA)、富马酸还原酶基因(frd)、磷酸乙酰转移酶基因(pta)、丙酮酸甲酸裂解酶基因(pflB)和转录调控因子(fnr)，来提高异丁醇合成途径的效率。最终获得的细胞工厂在微氧条件下，112 h 异丁醇产量达到22 g/L的水平；采用1 L发酵罐，应用Gas Striping原位提取技术，72 h 异丁醇产量达50 g/L [31]。
Liao研究小组构建的异丁醇细胞工厂，代谢途径相关基因的表达为诱导型，在实际的应用中还存在一定的局限性。Zhang研究小组基于实验室构建的组成型表达的人工调控元件[7]，通过无痕基因表达调控技术，对异丁醇合成途径进行了精确调控，构建出了组成型稳定生产异丁醇的工程菌。在此基础上，使用人工调控元件对转氢酶基因pntAB和NAD激酶基因yfjB的表达进行组合调控，实现NADH到NADPH的高效转化。厌氧条件下，异丁醇产量提高了80%，产率提高了39%，达到0.92 mol/mol，接近理论最大值。好氧条件下，异丁醇产量提高了28%，产率提高了22%；发酵24 h可以生产10.8 g/L异丁醇，产率为0.62 mol/mol[32]。
利用该途径的其他长链醇的合成尽管已有不少研究，但是得到的细胞工厂长链醇的产量还很低[30, 33]，主要原因是合成途径中负责2-酮基酸碳原子数延长的2-异丙基苹果酸合成酶和负责2-酮基酸脱羧的酮酸脱羧酶对相应底物的亲和力比较低。对这两个关键酶分子进行改造将有助于提高相应长链醇的产量。
2.2 正丁醇及依赖CoA途径长链醇细胞工厂
自然界中的梭菌(Clostridium)能通过辅酶A (CoA)介导的途径产生正丁醇。两分子的酰基CoA 经过缩合、还原、脱水和再还原形成正丁醇[34]。由于梭菌为混合醇发酵，为了得到单一产品，Liao研究小组通过在大肠杆菌中过表达梭菌的3-羟基丁酰CoA脱氢酶基因(hbd)、巴豆酸酶基因(crt)和醛醇脱氢酶基因(adhE2)，大肠杆菌自身的酰基CoA 酰基转移酶基因(atoB)，以及齿垢密螺旋体(Trepo-nema denticola)的反式-烯酰CoA还原酶基因(ter)
，图2依赖2-酮基酸和Ehrlich途径的长链醇合成途径
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创建了正丁醇合成途径。在此基础上，敲除了竞争途径基因(ldhA 、adhE 、frdBC 和pta )来提高丁醇产量，并过表达甲基营养酵母(Candida biodinii )的甲酸脱氢酶基因(fdh )提高还原力供给。最终获得的细胞工厂，在1 L 发酵罐厌氧发酵7 d ，采用Gas Striping 原位提取技术，产量达30 g/L, 转化率达0.28 g/g ，产率为0.18 g/L/h [35](图3)。
利用该技术思路也可合成其他长链醇。正丁醇途径中产生的丁酰CoA 和酰基CoA 经过再一轮的缩合(反向β-氧化)、还原、脱水和再还原形成正
己醇，如此反复，以+2方式形成各种长链醇[36-37]
(图3)。
2.3 烷烃和脂肪酸酯(生物柴油)细胞工厂
由5至9个碳原子组成的烷烃是很好的内燃机燃料，而由10至16个碳原子组成的烷烃更适
合作为柴油和航空燃料
[28,38]
。最近，Schirmer 等[39]通过在大肠杆菌中共表达来自细长聚球藻(Syne-chococcus elongates PCC 7942)的烷烃生物合成基因orf1594和orf1593 (分别编码酰基载体蛋白还原酶和醛脱羧酶)，构建了产烷烃的细胞工厂，发酵产
物为烷烃的混合物(约0.3 g/L)，包括十三烷、十五烯、十五烷和十七碳烯，比例约为10:10:40:40。
Keasling 研究小组在大肠杆菌中构建了脂肪酸
酯的合成途径[39]。利用脂肪酸生物合成途径和运动假单胞菌产乙醇途径，通过酰基CoA 酰基转移酶催化脂酰基CoA 和乙醇生成脂肪酸酯。在此基础上，敲除fadE 基因提高前体游离脂肪酸和酰基CoA 的供给，过表达植物来源的硫酯酶(TES)和鲍曼不动杆菌(Acinetobacter baylyi )的酰基CoA 连接酶(ACL)，提高脂酰基CoA 代谢流量。最终获得的细胞工厂，脂肪酸乙基酯(生物柴油)产量达674 mg/L ，相当于理论产率的9.4% [40]。
2.4 类异戊二烯类细胞工厂
自然界中甲羟戊酸(MV A)和1-脱氧木酮糖-5-磷酸(MEP)两个合成途径均能合成类异戊二烯类化
合物的C 5通用前体：
异戊烯基焦磷酸(IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)。通过异戊烯基转移酶，
IPP 的5碳转移至DMAPP ，产生香叶基焦磷酸(GPP ，C 10)，或继续转移形成法尼基焦磷酸(FPP ，C 15)等具有挥发性的精油类化合物的前体[41-42]。根据不同的酶，这些类异戊二烯可以直接转换为两种不同的燃料化学品。通过萜烯合成酶，转换类异戊二烯生产环烯烃和支链烷烃；通过焦磷酸酶和其他类型的酶，水解类异戊二烯生产醇。这些代谢产物包括环烯烃(没药烯)、支链烯烃(法呢烯)和醇(金合欢醇)，是重要的生物燃料，可以作为汽油的替代品，而长
图3 正丁醇及依赖CoA
途径的长链醇
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碳链更适合于柴油和喷气燃料的替代品[43-44]。
基于法尼基焦磷酸来源的C15类异戊二烯在生物燃料方面表现出的良好潜力，最近吸引了众多研究者关注。Lee研究组在C15没药烯(bisabolene)研究中，开发了大肠杆菌和酿酒酵母两种生产C15生物燃料的微生物平台，目前产量均能达到900 mg/L以上，并且建立了将没药烯化学催化为没药烷(bisabolane)的方法体系，为生物方法生产环化C15燃料奠定了基础[41]。在C15 金合欢醇研究中，Wang等[45]通过在大肠杆菌中引入外源的甲羟戊酸(MV A)途径构建了可以产生135.5 mg/L的金合欢醇工程菌。Kim 研究组在大肠杆菌中引入密码子优化的α-法呢烯(α-farnesene)合成酶，将法尼基焦磷酸转化为α-法呢烯，产量已经达到380.0 mg/L[46]。同时，美国Amyris公司已经开始在甘蔗产区巴西建立了酵母工程菌发酵生产生物法呢烯(biofene, trans-β-farnesene)的示范工厂[44]。
3 大宗化学品
过去的20年间，随着代谢工程的发展，科学家已经成功开发出一系列生产C3 (乳酸、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、3-羟基丙酸、丙烯酸、丙氨酸)、C4 (丁二酸、苹果酸、富马酸、异丁烯、丁二烯)、C5 (异戊二烯、戊二胺、戊醇、木糖醇)和C6 (己二酸、葡萄糖酸、甘露醇)等化学品的细胞工厂，其中很多已实现产业化生产，并被进一步用于塑料、纤维、尼龙、橡胶等一系列终端产品的生产。近几年来，随着合成生物学技术的发展，科学家又成功创建出很多以前不能创建的大宗化学品合成途径，比较有代表性的有以下两种。
3.1 聚乳酸
催化生化反应的酶是合成途径中的关键元件。通过随机突变、定向进化等实验方法与计算机模拟相结合，可以改造自然界中已有的酶去执行新的功能，甚至可以人工合成一个新酶去执行全新的功能。
聚乳酸(polyactic acid, PLA)是一种潜力很大的生物可降解性塑料。自然微生物中不存在从乳酸到聚乳酸的合成途径，目前只能通过化学合成的方式获得。通过对酶反应的底物和化学反应类型的分析发现，丙酸梭菌(Clostridium propionicum)的丙酸CoA转移酶(Pct)可催化乳酸形成乳酰CoA，假单胞菌(Pseudomonas sp. MBEL 6-19)的聚羟基脂肪酸酯合成酶(PhaC1)可能催化乳酰CoA聚合形成PLA，但他们均不能很好地将催化底物乳酸或乳酰CoA转换为相应的产物。对Pct用易错PCR进行随机突变，且对PhaC1进行定点突变及饱和突变，筛选得到最佳改造的两个关键酶，在大肠杆菌中创建出PLA合成途径并进一步优化后，葡萄糖发酵产PLA达到11 wt% [47-48]。
对于某个自然界不存在的酶反应，若不能找到一个可以改造的天然酶，就要采用从头设计的方法。通过计算机辅助设计，模拟活性中心的结构，分析底物和催化中心的变构状态，然后置于酶分子骨架上。目前通过这种方法已经成功构建了以4-羟基-4-6-甲基-2-萘基-2-丁酮为底物，催化逆醛醇缩合反应的酶retro-aldolase[4]。
3.2 1,4-丁二醇
通过代谢网络模型和计算机模拟分析，理论上可以设计出目标化学品各种可能的合成途径 [3, 49]。1,4-丁二醇(1,4-BDO)是工业上用于制造聚酯和氨纶的重要原料，而自然微生物中不存在1,4-BDO的生物合成途径。Genomatica公司根据已知化合物官能团的转换，从中央代谢物如乙酰基-CoA、α-酮戊二酸、谷氨酸和琥珀酰-CoA出发，设计出10 000种可能的1,4-BDO合成途径。基于能量供给、还原力供给、细胞生长等约束条件，最后评价出两种最优的1,4-BDO合成途径。在此基础上，将不同生物来源的各个基因在大肠杆菌中进行组装，创建出1,4-BDO的合成途径，最终产量达18 g/L [50]。
4 天然产物
4.1 萜类
目前自然界发现的萜类超过5万多种，其中大部分是植物用来生物防御和信号转导的次生代谢产物，被人类广泛应用于医疗健康和化妆品领域[42]，如抗疟疾药物青蒿素(倍半萜，C15)、抗癌药物紫杉醇(二萜，C20)、心脑血管治疗和保健作用显著的人参皂苷 (三萜，C30)及抗衰老作用的胡萝卜素类(四萜，C40)等。这些从药用植物中提取的天然产物有巨大的应用潜力和市场前景，特别是二萜类化合物中丹参酮ⅡA、雷公藤内酯和紫杉醇，以及三萜中的人参皂苷Rh2和人参皂苷Rg3等具有抗癌活性的成分[51]。
4.1.1 倍半萜
由3个IPP (DMAPP)单元组成的法尼烯焦磷酸(FPP，C15)是这类化合物的基本前体。倍半萜类代表性化合物青蒿素(artemisinin)属于倍半萜内酯，最初Keasling研究小组通过提高酿酒酵母麦角固醇
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合成途径中上游的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)和萜类调控因子蛋白UPC2的基因表达来提高前体FPP供给，同时抑制鲨烯合酶基因(ERG9)的表达减少分支途径底物竞争的方案，构建了一个高效生产青蒿素前体青蒿酸的酿酒酵母人工细胞，产量达100 mg/L[52]。基于近年在青蒿素生物合成方面的研究突破，2012年Amyris公司通过进一步的菌株改造和发酵工艺的优化，获得能生产青蒿素前体紫穗槐二烯(amorpha-4,11-diene)>40g/L 的技术，并且开发出将紫穗槐二烯化学方法转化为二氢青蒿酸的高效方法[53]。目前发酵法生产青蒿素前体青蒿酸(artemisinic acid)的能力已经达到25 g/L的产业化水平[54]。
4.1.2 二萜
紫杉醇、丹参酮、银杏内酯和香紫苏醇等化合物均为由4个IPP (DMAPP)单元组成的牻牛儿牻牛儿基焦磷酸(GGPP，C40)在各种酶的作用下生成的二萜类化合物。在抗癌药物紫杉醇的研究案例中，最初Croteau领导的研究组系列报道了他们克隆和鉴定紫杉醇生物合成途径中关键基因的工作进展[55]。在此基础上，目前较为突出的工作是Step-hanopoulos研究小组在大肠杆菌中引入紫杉二烯合成途径，并对其合成途径的两个功能模块进行精确调控，降低了中间产物的毒性，最终获得高产紫杉二烯的大肠杆菌人工细胞，产量达1 000 mg/L[12]。丹参酮是药用植物丹参中的药效成分，广泛应用于心脑血管疾病防治领域。Huang研究组最初利用在大肠杆菌中建立次丹参酮二烯合成途径的方法，克隆鉴定了丹参酮合成途径的关键中间化合物次丹参酮二烯(miltiradiene)合成所需的功能基因SmCPS 和SmKSL [56]。在此基础上，Zhao研究组和Zhang 研究组分别在酿酒酵母中引入次丹参酮二烯合成途径，并对合成途径进行了系统优化，最终次丹参酮二烯的产量分别达到386 mg/L[57]和486 mg/L[58]。另外，Prather研究小组结合途径改造和酶定向进化，在大肠杆菌中构建并优化了银杏内酯类前体左旋海松二烯(levopimaradiene)的合成途径，最终产量达700 mg/L[59]。在生物二萜类香料研究中，Schalk等[60]先从南欧丹参植物中克隆到合成香紫苏醇的功能基因SsLPS和ScScS，并且在大肠杆菌中构建生产香紫苏醇产量超过1.5 g/L的工程菌，为微生物方法生产香料降龙涎香醚提供了新的途径。
4.1.3 四萜
八氢番茄红素合成酶(PSY)能催化两个GGPP 分子得到类胡萝卜素等天然四萜类(C40)有色化合物的基本前体八氢番茄红素。八氢番茄红素能被各种生物酶继续催化为包括番茄红素(lycopene)、β-胡萝卜素(β-carotene)、虾青素(astaxanthin)、玉米黄素(zeaxanthin)和角黄素(cathaxanthin)等系列强抗氧化和提高免疫力的功能性四萜化合物。在细胞工厂构建方面，Yoon等[61]在大肠杆菌中引入外源MV A途径，并调控表达大肠杆菌自身 MEP 途径的dxs和idi 基因，β-胡萝卜素产量达503 mg/L。Zhang研究组对大肠杆菌的MEP、β-胡萝卜素合成、ATP合成、磷酸戊糖途径、TCA这5个功能模块进行组合调控，将β-胡萝卜素产量提高了74倍，最终获得细胞工厂β-胡萝卜素产量达2.1 g/L[62]；W ang 等[13]开发了MAGE (multiplexed automated genome engineering) 方法应用于基因组的大规模修饰编译及宿主表型的优化。他们通过MAGE对大肠杆菌中生产萜类的MEP途径进行优化，以每天产生43亿基因组突变体的速度，仅用3 d就筛选到番茄红素产量提高5倍的目标菌株。Scaife等[63]以高产β-胡萝卜素的大肠杆菌为出发细胞，对比分析了12个β-胡萝卜素酮基化酶基因和4个β-胡萝卜素羟基化酶基因，选取了最优组合，使得类总胡萝卜素化合物的单位产量达1.99 mg/g细胞干重，且虾青素比例大于90%。另外，番茄红素的颜色指示作用已被开发作为GGPP合成酶定向进化高通量筛选的标记[59]。
4.2 生物碱类
生物碱(alkaloids)在生物体内是以鸟氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和色氨酸等氨基酸为底物进行生物合成得到的一类含氮的碱性有机化合物。其生物活性强，是临床药物的重要来源，如吗啡(morphine)、麻黄素(ephedrine)、长春新碱(vincristine)、可待因(codeine)和黄连素(berberine)等药物在临床上已经广泛使用[51]。目前其相关的生物工程菌研究较少，主要集中在苄基异喹啉类生物碱的研究[64]。早期，Smolke研究小组利用在植物中克隆的外源基因在酵母中成功构建了将去甲基罂粟(norlau-danosoline)转化为苄基异喹啉生物碱前体牛心果碱[(S)-reticuline]的工程菌[65]。在进一步的工作中，牛心果碱被转化为血根碱(sanguinarine)，黄连素和吗啡等药物的中间体生物合成途径中相关关键酶反应被鉴定[65]。Nakagawa等[66]为避免加入昂贵的代谢中间物作为底物生成牛心果碱，在大肠杆菌工程菌中通过提高L-酪氨酸上游途径的基因表达，构
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建和优化牛心果碱生物合成的外源途径策略，开发出能利用简单碳源甘油合成(S)-reticuline的细胞工厂，产量达46 mg/L。
4.3 苯丙素类
苯丙素类是天然存在的一类苯环与三个直链碳连接(C6-C3基团)构成的化合物。在生物合成上，这类化合物多数通过苯丙氨酸和酪氨酸等芳香氨基酸，经脱氨、羟基化和聚合等一系列反应形成，主要包括：抗氧化作用显著的白藜芦醇(resveratrol)、具心血管保健作用的柚皮素(naringenin)、抗病毒和凝血作用显著的咖啡酸(caffeic acid)等等[51]。以白藜芦醇为代表的这类化合物的人工细胞工厂构建有较长的研究历史，在酿酒酵母和大肠杆菌中均构建了工程菌，如最近Lim等[67]利用高拷贝质粒将来源于葡萄的白藜芦醇合酶(STS)基因和来源于拟南芥的4-香豆酸:辅酶A连接酶(4CL)基因共同引入大肠杆菌中，并通过抑制工程菌中脂肪酸代谢，提高白藜芦醇合成底物丙酰辅酶A的供应，以及整合araE基因促进白藜芦醇的胞外转移，构建了以对羟基肉桂酸为底物生产白藜芦醇的大肠杆菌细胞工厂，产量达2.3 g/L。由于这类高产的工程菌基本上都需要加入成本较高的中间体(如对羟基肉桂酸)，Stephanopoulos研究组通过优化大肠杆菌L-酪氨酸的合成和引入从酪氨酸到柚皮素的外源功能模块，最终在大肠杆菌中构建了能以廉价碳源葡萄糖为原料生产柚皮素的细胞工厂，产量达29 mg/L[68]；另外，Lin和Yan[69]构建的大肠杆菌细胞工厂能将酪氨基酸转化为咖啡酸，产量达50.2 mg/L；最近Wu等[70]在大肠杆菌中转入多个外源基因模块，构建出能以葡萄糖为碳源发酵生产生松黄烷酮(pinocembrin)的细胞工厂，产量达40.02 mg/L。
5 结语和展望
随着石油资源匮乏、价格飞速增长以及全球气候变暖、环境恶化等问题的日益严重，各国政府、企业和科学界均在大力推动传统石油化工和天然产物制造行业的产业升级。构建高效的微生物细胞工厂，能够极大地提升目前工业微生物的发酵能力，提高其生理性能；既可以降低微生物发酵的生产成本，又能拓展发酵产品的多样性，使其能够逐步在与传统石油化工和天然产物制造技术的竞争中占据上风。随着合成生物学技术的不断发展，微生物细胞工厂的构建技术也将越发完善，其必将极大地推动传统石油化工制造和药物生产的产业升级，为人类社会的可持续发展做出巨大的贡献。
注：本文部分内容引自：(1)《2012工业生物技术发展报告》“天然产物的人工细胞工厂合成”；(2)《中国科学报》 (2013-01-02，第6版，生物)“合成生物学促进微生物细胞工厂构建”。
[参 考 文 献]
[1] 张学礼. 合成生物学促进微生物细胞工厂构建[N]. 中国
科学报, 2013-01-02
[2] Cho A, Yun H, Park JH, et al. Prediction of novel synthetic
pathways for the production of desired chemicals. BMC Syst Biol, 2010, 4: 35
[3] McShan DC, Rao S, Shah I. PathMiner: predicting
metabolic pathways by heuristic search. Bioinformatics, 2003, 19(13): 1692-8
[4] Jiang L, Althoff EA, Clemente FR, et al. De novo
computational design of retro-aldol enzymes. Science, 2008, 319(5868): 1387-91
[5] Tian J, Gong H, Sheng N, et al. Accurate multiplex gene
synthesis from programmable DNA microchips. Nature, 2004, 432(7020): 1050-4
[6] Quan J, Saaem I, Tang N, et al. Parallel on-chip gene
synthesis and application to optimization of protein expression. Nat Biotechnol, 2011, 29(5): 449-52
[7] Lu J, Tang J, Liu Y, et al. Combinatorial modulation of
galP and glk gene expression for improved alternative glucose utilization. Appl Microbiol Biotechnol, 2012, 93(6): 2455-62
[8] Shetty RP, Endy D, Knight TF Jr. Engineering BioBrick
vectors from BioBrick parts. J Biol Eng, 2008, 2: 5 [9] Koma D, Yamanaka H, Moriyoshi K, et al. A convenient
method for multiple insertions of desired genes into target loci on the Escherichia coli chromosome. Appl Microbiol Biotechnol, 2012, 93(2): 815-29
[10] Shao Z, Zhao H. DNA assembler, an in vivo genetic
method for rapid construction of biochemical pathways.
Nucleic Acids Res, 2009, 37(2): e16
[11] Gibson DG, Benders GA, Axelrod KC, et al. One-step
assembly in yeast of 25 overlapping DNA fragments to form a complete synthetic Mycoplasma genitalium genome. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(51): 20404-
9
[12] Ajikumar PK, Xiao WH, Tyo KE, et al. Isoprenoid
pathway optimization for Taxol precursor overproduction in Escherichia coli. Science, 2010, 330(6000): 70-4 [13] Wang HH, Isaacs FJ, Carr PA, et al. Programming cells by
multiplex genome engineering and accelerated evolution.
Nature, 2009, 460(7257): 894-8
[14] Dueber JE, Wu GC, Malmirchegini GR, et al. Synthetic
protein scaffolds provide modular control over metabolic flux. Nat Biotechnol, 2009, 27(8): 753-9
[15] Na D, Yoo SM, Chung H, et al. Metabolic engineering of
Escherichia coli using synthetic small regulatory RNAs.
Nat Biotechnol, 2013, 31(2): 170-4
生命科学第25卷950
[16] Zhang F, Carothers JM, Keasling JD. Design of a dynamic
sensor-regulator system for production of chemicals and fuels derived from fatty acids. Nat Biotechnol, 2012, 30(4): 354-9
[17] Carothers JM, Goler JA, Juminaga D, et al. Model-driven
engineering of RNA devices to quantitatively program gene expression. Science, 2011, 334(6063): 1716-9 [18] Badarinarayana V, Estep PW, Shendure J, et al. Selection
analyses of insertional mutants using subgenic-resolution arrays. Nat Biotechnol, 2001, 19(11): 1060-5
[19] Alper H, Moxley J, Nevoigt E, et al. Engineering yeast
transcription machinery for improved ethanol tolerance and production. Science, 2006, 314(5805): 1565-8 [20] Jantama K, Haupt MJ, Svoronos SA, et al. Combining
metabolic engineering and metabolic evolution to develop nonrecombinant strains of Escherichia coli C that produce succinate and malate. Biotechnol Bioeng, 2008, 99(5): 1140-53
[21] Jarboe LR, Zhang X, Wang X, et al. Metabolic engineering
for production of biorenewable fuels and chemicals: contributions of synthetic biology. J Biomed Biotechnol, 2010, 2010: 761042
[22] Lynch MD, Warnecke T, Gill RT. SCALEs: multiscale
analysis of library enrichment. Nat Methods, 2007, 4(1): 87-93
[23] Zhang X, Jantama K, Moore JC, et al. Production of L
-alanine by metabolically engineered Escherichia coli.
Appl Microbiol Biotechnol, 2007, 77(2): 355-66 [24] Bro C, Nielsen J. Impact of 'ome' analyses on inverse
metabolic engineering. Metab Eng, 2004, 6(3): 204-11 [25] Lee SY, Lee DY, Kim TY. Systems biotechnology for
strain improvement. Trends Biotechnol, 2005, 23(7): 349-
58
[26] Hermann T. Using functional genomics to improve
productivity in the manufacture of industrial biochemicals.
Curr Opin Biotechnol, 2004, 15(5): 444-8
[27] Connor MR, Atsumi S. Synthetic biology guides biofuel
production. J Biomed Biotechnol, 2010, 2010: 541698 [28] Peralta-Yahya PP, Keasling JD. Advanced biofuel
production in microbes. Biotechnol J, 2010, 5(2): 147-62 [29] Atsumi S, Hanai T, Liao JC. Non-fermentative pathways
for synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels. Nature, 2008, 451(7174): 86-9
[30] Zhang K, Sawaya MR, Eisenberg DS, et al. Expanding
metabolism for biosynthesis of nonnatural alcohols. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(52): 20653-8
[31] Baez A, Cho KM, Liao JC. High-flux isobutanol
production using engineered Escherichia coli: a bioreactor study with in situ product removal. Appl Microbiol Biotechnol, 2011, 90(5): 1681-90
[32] Shi A, Zhu X, Lu J, et al. Activating transhydrogenase and
NAD kinase in combination for improving isobutanol production. Metab Eng, 2012, 16C: 1-10
[33] Marcheschi RJ, Li H, Zhang K, et al. A synthetic recursive
"+1" pathway for carbon chain elongation. ACS Chem Biol, 2012, 7(4): 689-97
[34] Atsumi S, Cann AF, Connor MR, et al. Metabolic
engineering of Escherichia coli for 1-butanol production.
Metab Eng, 2008a, 10(6): 305-11
[35] Shen CR, Lan EI, Dekishima Y, et al. Driving forces
enable high-titer anaerobic 1-butanol synthesis in Escherichia coli. Appl Environ Microbiol, 2011, 77(9): 2905-15
[36] Dekishima Y, Lan EI, Shen CR, et al. Extending carbon
chain length of 1-butanol pathway for 1-hexanol synthesis from glucose by engineered Escherichia coli. J Am Chem Soc, 2011, 133(30): 11399-401
[37] Machado HB, Dekishima Y, Luo H, et al. A selection
platform for carbon chain elongation using the CoA-
dependent pathway to produce linear higher alcohols.
Metab Eng, 2012, 14(5): 504-11
[38]王艺璇, 刘天罡. 脂肪酸合成系统潜能的挖掘与释放.
生命科学, 2013, 25(10): 966-77
[39] Schirmer A, Rude MA, Li X, et al. Microbial biosynthesis
of alkanes. Science, 2010, 329(5991): 559-62
[40] Steen EJ, Kang Y, Bokinsky G, et al. Microbial production
of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass. Nature, 2010, 463(7280): 559-62
[41] Peralta-Yahya PP, M Ouellet, Chan R, et al. Identification
and microbial production of a terpene-based advanced biofuel. Nat Commun, 2011, 2: 483
[42] Chang MC, Keasling JD. Production of isoprenoid
pharmaceuticals by engineered microbes. Nat Chem Biol, 2006, 2(12): 674-81
[43] Zhang F, Rodriguez S, Keasling JD. Metabolic
engineering of microbial pathways for advanced biofuels production. Curr Opin Biotechnol, 2011, 22(6): 775-83
[44] Brennan TC, Turner CD, Kromer JO, et al. Alleviating
monoterpene toxicity using a two-phase extractive fermentation for the bioproduction of jet fuel mixtures in Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol Bioeng, 2012,
109(10): 2513-22
[45] Wang C, Yoon SH, Shah AA, et al. Farnesol production
from Escherichia coli by harnessing the exogenous
mevalonate pathway. Biotechnol Bioeng, 2010, 107(3): 421-9
[46] Wang C, Yoon SH, Jang HJ, et al. Metabolic engineering
of Escherichia coli for α-farnesene production. Metab Eng, 2011, 13(6): 648-55
[47] Yang TH, Kim TW, Kang HO, et al. Biosynthesis of
polylactic acid and its copolymers using evolved propionate CoA transferase and PHA synthase. Biotechnol Bioeng, 2010, 105(1): 150-60
[48] Jung YK, Kim TY, Park SJ, et al. Metabolic engineering
of Escherichia coli for the production of polylactic acid and its copolymers. Biotechnol Bioeng, 2010, 105(1): 161-71
[49] Feldman HJ, Dumontier M, Ling S, et al. CO: A chemical
ontology for identification of functional groups and semantic comparison of small molecules. FEBS Lett, 2005, 579(21): 4685-91
[50] Yim H, Haselbeck R, Niu W, et al. Metabolic engineering
of Escherichia coli for direct production of 1,4-butanediol.
Nat Chem Biol, 2011, 7(7): 445-52
戴住波，等：合成生物学在微生物细胞工厂构建中的应用
第10期951
[51] 戴住波, 张学礼. 天然产物的人工细胞工厂合成[M].
2012工业生物技术发展报告. 北京: 科学出版社, 2012 [52] Ro DK, Paradise EM, Ouellet M, et al. Production of the
antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast. Nature, 2006, 440(7086): 940-3
[53] Westfall PJ, Pitera DJ, Lenihan JR, et al. Production of
amorphadiene in yeast, and its conversion to dihydroar-
temisinic acid, precursor to the antimalarial agent artemisinin. Proc Natl Acad Sci USA, 2012, 109(3): E111-8 [54] Paddon CJ, Westfall PJ, Pitera DJ, et al. High-level semi-
synthetic production of the potent antimalarial artemisinin.
Nature, 2013, 496: 528-32
[55] Guerra-Bubb J, Croteau R, Williams RM. The early stages
of taxol biosynthesis: an interim report on the synthesis and identification of early pathway metabolites. Nat Prod Rep, 2012, 29(6): 683-96
[56] Gao W, Hillwig ML, Huang L, et al. A functional
genomics approach to tanshinone biosynthesis provides stereochemical insights. Org Lett, 2009, 11(22): 5170-3 [57] Zhou YJ, Gao W, Rong Q, et al. Modular pathway
engineering of diterpenoid synthases and the mevalonic acid pathway for miltiradiene production. J Am Chem Soc, 2012, 134(6): 3234-41
[58] Dai Z, Liu Y, Huang L, et al. Production of miltiradiene
by metabolically engineered Saccharomyces cerevisiae.
Biotechnol Bioeng, 2012, 109(11): 2845-53
[59] Leonard E, Ajikumar PK, Thayer K, et al. Combining
metabolic and protein engineering of a terpenoid biosynthetic pathway for overproduction and selectivity control. Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107(31): 13654-9 [60] Schalk M, Pastore L, Mirata MA, et al. Toward a
biosynthetic route to sclareol and amber odorants. J Am Chem Soc, 2012, 134(46): 18900-3[61] Yoon SH, Park HM, Kim JE, et al. Increased β-carotene
production in recombinant Escherichia coli harboring an engineered isoprenoid precursor pathway with mevalonate addition. Biotechnol Prog, 2007, 23(3): 599-605 [62] Zhao J, Li Q, Sun T, et al. Engineering central metabolic
modules of Escherichia coli for improving β-carotene production. Metab Eng, 2013, 17: 42-50
[63] Scaife MA, Burja AM, Wright PC. Characterization of
cyanobacterial β-carotene ketolase and hydroxylase genes in Escherichia coli, and their application for astaxanthin biosynthesis. Biotechnol Bioeng, 2009, 103(5): 944-55 [64] Leonard E, Runguphan W, O'Connor S, et al. Opportunities
in metabolic engineering to facilitate scalable alkaloid production. Nat Chem Biol, 2009, 5(5): 292-300 [65] Hawkins KM, Smolke CD. Production of benzyliso-
quinoline alkaloids in Saccharomyces cerevisiae. Nat Chem Biol, 2008, 4(9): 564-73
[66] Nakagawa A, Minami H, Kim JS, et al. A bacterial
platform for fermentative production of plant alkaloids.
Nat Commun, 2011, 2: 326
[67] Lim CG, Fowler ZL, Hueller T, et al. High-yield
resveratrol production in engineered Escherichia coli.
Appl Environ Microbiol, 2011, 77(10): 3451-60
[68] Santos CN, Koffas M, Stephanopoulos G. Optimization of
a heterologous pathway for the production of flavonoids
from glucose. Metab Eng, 2011, 13(4): 392-400
[69] Lin Y, Yan Y. Biosynthesis of caffeic acid in Escherichia
coli using its endogenous hydroxylase complex. Microb Cell Fact, 2012, 11: 42
[70] Wu J, Du G, Zhou J, et al. Metabolic engineering of
Escherichia coli for (2S)-pinocembrin production from glucose by a modular metabolic strategy. Metab Eng, 2012, 16C: 48-55
共享中学生物学教学网站资源
共享中学生物学教学网站资源钱留华 (江苏省泰兴中学 225400) 中小学教育信息化建设步伐在迅速加快,许多中学生物学教师对上网技能学习的热情特别高。但是, Internet上大量的垃圾信息浪费了教师的宝贵时间,要在浩如烟海的网站中快速寻找到那少得可怜的中学生物学教学网站,令许多生物学教师颇为头痛,本文对网上中学生物学教学网站资源作一简介,帮助教师迅速寻找到自己想要的教学资料。 1 综合资源 1.1 K12生物教学(http://WWW.k1 https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/ teacher/subedu/biology) 这是中国中小学教育教学网的一部分,分为教学资源、教改实验、实验实习、考试专栏、漫话生物、教师书屋、网上投稿等栏目。教学资源中有学科教案、教研论文和试题3个库;考试专栏中有高考、中考、有关竞赛和会考4个栏目;漫话生物中有科学常识和生物趣闻2个专题。 1.2 中基网—生物(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/sub2 ject/biology) 该站是中国基础教育网生物部分,设有教学参考、教学习题、教学研究、动物世界、植物世界、镜下世界、课件展示等栏目,目前有文章654篇,图片1636幅,课件24个。 2 课件资源 2.1 生物苑(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/jx.htm) 提供用Authorware、Flash、Powerpoint、Direct等软件制作的初、高中生物课件46个。 2.2 中学生物CAI(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,)提供用Au2 thorware、PowerPoint、Flash等软件所做的高中生物课件28个。 3 试题资源 3.1 生物学教学探讨(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,) 许多省市已进行3+X高考改革,该网站提供理科综合试题10套,供师生下载使用。另外,该站还设有3+X专题讲座,既可浏览也可下载,下载的专题不仅有内容,而且还有许多跨学科综合试题,让考生进行高考前的演练。 3.2 中学生物教学资源网(http://go https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/～swjx/test.htm) 提供1981～2000年生物学高考试题和广东省1993～2000年会考试题以及1996～1999年福建省生物会考试题的下载。 3.3 中学生物教学与研究(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/～zxswjxyyj) 提供1981～2000年生物高考试题和广东省1993～2000会考试题的下载。 3.4 生物新世纪(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/～duhd) 提供初中植物、动物、生理卫生试题。 4 图片资源 4.1 现代生物图片库(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,) 包含丰富的生物图片,你如果嫌图片浏览速度太慢的话,还可下载压缩文件。 4.2 生物苑(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/jx/pkj. htm) 有植物、动物、人体、微生物、细胞等学科的大量精彩图片。 4.3 中学生物课件下载(http://gol.163com/～zhonghuan/midb2.htm) 图片库中提供初一上册、初一下册、初二和高中4部分丰富图片。 4.4 中学生物教育网(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,) 生物天地栏目中有许多图片。 4.5 中学生物教学资源网(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/～swjx/bmp.htm) 提供36种动物图片。 4.6 中学生物教学园地(http://biology.easthome. net.cai/ind.htm) CAI素材库中有植物学、动物学、生理卫生、微生物等方面制作课件的图片。 5 论文资源 5.1 生物学教学探讨(http://swxjx.home.sohu. com//lwxz.htm) 该网站的生物学论文写作指导栏目从确定专题、检索资料、精心写作、投稿发表等方面详细介绍论文的写作过程。另外,该站提供了《生物学教学》、 《生物学通报》等5家杂志的投稿地址、邮政编码、电子信箱,征稿启事等内容,为生物学教师投稿提供方便。 5.2 中学生物教学资源网(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/～swjx/jylw.htm) 有教研论文13篇、教学资料12篇。6 竞赛资源 6.1 生物学教学探讨(http://swxjx.home.sohu. com//swos.htm) 有生物学奥赛大纲、全国生物学竞赛大纲、IBO(国际生物学奥林匹克竞赛)的试题、全国生物学竞赛试题、竞赛经验介绍和试题分析等。 6.2 我的生物天地(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,/i2 bol.htm) 这是一个曾参加生物学奥赛的学生制作的网页,其内容包括IBO的试题及分析。 7 资料资源 7.1 生物苑(https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html,) 介绍
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/a31777433.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/a31777433.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
合成生物学与生物燃料
济南大学研究生课程考查试卷 课程编号：QZ283001课程名称：信息与文献检索学时16 学分 1 学号：20172120470 姓名牛浩学科、领域生物工程 学生类别：全日制专业学位成绩：任课教师（签名） 1、考核形式(采用大作业、论文、调研报告、实验报告等)： 课程论文 2、考查（内容、目的等）具体要求： 写一篇与所从事专业相关的综述性论文 字数在3000字左右 书写格式规范，论述清晰，层次分明 3、成绩评定说明（含平时成绩、考核成绩）： 平时成绩主要包括考勤和平时作业，考勤共计10分，平时作业共计20分，占总成绩的30%。 期末课程论文共计70分，占总成绩的70%。 总成绩为平时成绩与课程论文成绩的加和，即100分。
合成生物学在生物燃料领域的研究 摘要：本文简要介绍了合成生物学的概念，生物燃料的研究现状、研究前景以及未来可能会遇到的一些挑战。探讨了合成生物学在生物燃料研究中的应用进展包括提高生物质原料的转化特性、开发绿色高效生物催化剂、构建微生物细胞工厂以及设计合成多种生物燃料产品。最后对合成生物学在生物燃料领域的研究做出了展望。 关键词：合成生物学；生物燃料；研究现状；前景；挑战；应用进展 1 合成生物学概述 合成生物学(synthetic biology) 是综合了科学与工程的一个崭新的生物学研究领域。它既是由分子生物学、基因组学、信息技术和工程学交叉融合而产生的一系列新的工具和方法，又通过按照人为需求( 科研和应用目标)，人工合成有生命功能的生物分子( 元件、模块或器件)、系统乃至细胞，并自系统生物学采用的“自上而下”全面整合分析的研究策略之后，为生物学研究提供了一种采用“自下而上”合成策略的正向工程学方法[1]。它不同于对天然基因克隆改造的基因工程和对代谢途径模拟加工的代谢工程，而是在以基因组解析和生物分子化学合成为核心的现代生物技术基础上，以系统生物学思想和知识为指导，综合生物化学、生物物理和生物信息技术与知识，建立基于基因和基因组、蛋白质和蛋白质组的基本要素( 模块) 及其组合的工程化的资源库和技术平台，旨在设计、改造、重建或制造生物分子、生物部件、生物系统、代谢途径与发育分化过程，以及具有生命活动能力的生物部件、体系以及人造细胞和生物个体。 2 生物燃料研究现状与挑战 2.1 生物燃料的研究现状 生物燃料主要包括纤维素生物燃料(乙醇、丁醇等)、微藻生物燃料(生物柴油、航空生物燃料等)，以及最近两年研究较热的新型优质生物液体燃料(高级醇、脂肪醇、脂肪烃等)和利用新技术路线合成的生物乙醇与生物柴油(蓝藻乙醇、微生物直接利用纤维素水解糖体内合成生物柴油等)等。“可持续性”是生物燃料的核
高中生物学科教学计划
高中生物学科教学计划 (一) 本届生物班学生的整体情况是：许多学生基础不好，学习习惯差，学习缺乏计划性、主动性和系统性。由于只有一个生物班，所以没有更多的教师参与生物备考活动。 1.整体划分为二个阶段： 阶段一：立足教材、夯实基础 时间安排： 复习方式：以教师讲授和学生阅读为主，章节练习为辅。 能力培养：以识记和理解为主。 复习重点：按章节理清知识点，构建系统的知识体系，配合经典例题，将主干知识、重点知识进行适度的拓展和延伸。 2.阶段二：专题复习，培养生物学科内综合能力 时间安排： 复习方式：专题复习，解题方法指导，综合训练 能力培养：以提高对各单元之间的知识联系及综合能力的培养为主。 复习重点：以综合训练为主。 1.重视课本知识的复习。要认真阅读课本，对课本知识融会贯通;不搞“重做题、轻课本”的舍本求末之举;对各章节中易混淆或有联
系的知识点要进行分类、比较和归纳; 2.重视中档题的训练。中档题是指涉及知识点在4—5个，拐弯在3—4个的题。这类题即考基础知识的掌握情况，也考查学生的基本能力，有一定的灵活性和综合性。 3.重视知识的系统总结和归纳。不搞题海战术，与其盲目地做100道题，不如仔细回味10道题，做完每一道题应要进行总结，在此基础上再谈多做题的事。 4.要讲究复习效率，要对复习进行科学的安排。 (1)要保证固定的活动和娱乐时间。尤其要保证课间10分钟的充分休息。娱乐和活动是手段，目的是让大脑“轻装上阵”; (2)要科学安排复习时间。复习要有计划，计划要做到文理搭配，计划一旦制定，要严格执行，要根据复习效果及时对计划进行相应的调整。 5.做好心态调整。高考成绩的决定因素有二：一是实力，二是心态。因此，在复习中要保持饱满的情绪，对外界干扰要有“免疫力”，以保证在考试两天内充分发挥水平。 (二) 以教材,课程标准，考试说明为依据,以加强双基教学为主线,以提高学生能力为重点,全面提高学生的综合素质和应试技巧.。 通过高三三轮复习使学生扎实掌握生物学基础知识和基本原理,形成较熟练的生物学思想,思维,方法和技巧,培养学生较强的应用生物学知识分析问题和解决问题的能力。
合成生物学相关文献(免费共享)
合成生物学相关文献（免费共享） 摘要：通过将组成生物系统的各类单元模块化、标准化，合成生物学希望达成一种新的生物技术发展模式：即从主要开发里欧那个天然生物系统既有功能，变为用人工设计合成的生物系统来完成天然系统不能完成或者完成效率低的功能。合成生物学通过开展生物元件或者器件、生物途径等多个层次的工程化研究来实现上述目标。 ◆综述: 1.Boyle PM,Silver PA.2009. Harnessing nature’s toolbox: regulatory elements for synthetic biology. J R Soc Interface, doi；10.1098.rsif.f8.0521.focus 2.McArthur IV GH，Fong SS.2010. Toward engineering synthetic microbial metabolism. J Biomed Biotechnol,doi:10.1155/2010/459760。 综述了元器件工程（components engineering）、和途径工程（pathway engineering）的进展。 3.Andrianantoandro E,Basu S,Karig D,et al.2006.Synthetic biology:new engineering rules for an emerging discipline. Mol Syst Biol,2:14-27。 ◆合成生物学元器件工程： 利用不同调控机制的人工调控器件: 4.Boyle PM,Silver PA.2009. Harnessing nature’s toolbox: regulatory elements for synthetic biology. J R Soc Interface, doi；10.1098.rsif.f8.0521.focus。 系统的综述了国际上相关工作研究:细胞中的转录调控、RNA调控、蛋白质信号转导等生物调控机制都已经被成功的用于构建合成生物调控元件。 转录调控
中学生物学教学设计与案例分析
《酶的作用和本质》 一、教材分析 细胞是一个开放的系统，时刻与周围环境进行着物质和能量的交换。上一章重点介绍了有关细胞对物质的输入和输出等内容，本章顺理成章的介绍能量是如何输入细胞以及细胞是怎样利用这些能量的。知识点承上启下，符合认知规律。 本章第1节主要涵盖3个知识点，分别介绍了酶在细胞代谢中的作用、酶的本质、酶的三个特性。 本节课的教学将围绕前两个知识点展开，设计为1课时，同时也遵照了教材本身的安排。 根据《高中生物新课程标准》“说明酶在代谢中的作用”是理解水平的具体内容标准。教材安排学生做实验“比较过氧化氢在不同条件下的分解”速率，引导学生自己得出结论，从而切身体会到酶具有很高的催化效率及其生理意义。 关于酶的化学本质，教材引导学生分析资料“关于酶本质的探索”自行归纳、总结、完善并能阐明和解释酶的定义。 在教材分析过程中，教学设计中我认为主要要解决一下几个问题： 1．教材本身呈现的第一课时教学内容相对较多，如何合理删减和调整部分教学内容，强调并突出重点，提高教学效率？ 2．同学们在初三化学课上对无机催化剂作用的认识是比较成熟和完整的，本课能否以此为切入点引导学生运用旧知，举一反三，理解催化剂共性？ 3．高中新课程标准比较初中新课程标准在课程基本理念的设计上，更加注重生物学知识与现实生活的联系。这一课程理念怎样在本课中体现和养成？ 二、学情分析 学生在初中阶段学习了消化酶，做过探究馒头在口腔中变化的实验，基本掌握了一般实验仪器的操作方法和注意事项； 跨学科而言，学生在初三化学课上比较成熟和完整的认识了无机催化剂的作用； 学生通过初中新课改的训练，已经具备了自主合作探究的基本学习态度、研究精神以及进行探究性学习的相关能力和方法。 三、教学目标 1．学生通过小组合作完成实验“比较过氧化氢在不同条件下的分解”，正确使用相关实验器具，分析相关讨论问题，从而知道酶具有很高的催化效率及其生理意义； 2．学生通过阅读并分析资料“关于酶本质的探索”，归纳、总结、完善并理解酶的定义，体会并养成科学探究在艰难中以及争论中不断继承、创新、实践的科学精神和态度；3．学生通过联系初三化学课知识，从现实生活中举例子等方法，了解活化能的概念，理解酶作为生物催化剂与其他无机催化剂的共同特征和作用，掌握跨学科、跨领域从现实生活中学习的技能。 四教学重难点 教学重点： （1）酶的作用、本质； （2）酶的高效性。 教学难点： （1）酶能降低化学反应的活化能； （2）学生小组实验的教学指导，保证课堂的有序和效率。 五、思想策略 在综合分析教材、学情的基础上，我提出本着面向全体学生，突出学生学习主体地位的
合成生物学的关键技术及应用进展
DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.05.007 · 综述· 合成生物学的关键技术及应用进展 邢玉华，谭俊杰，李玉霞，凌焱，刘刚，陈惠鹏 20 世纪的生物学研究一直着眼于对生物系统的不断分解，解剖至细胞中单个蛋白或基因，研究其结构和功能来解释生命现象。但随着当代分子生物学技术的迅猛发展，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。合成生物学旨在对多种天然的或人工设计的生物学元件进行合理而系统的组合以获得重构的或非天然的“生物系统”，其涵盖的研究内容可以大体分为 3 个层次：一是利用已知功能的天然生物模体（motif）或模块（module）构建成新型调控网络并表现出新功能；二是采用从头合成（de novo synthesis）的方法，人工合成基因组 DNA 并重构生命体；第三个层次则是在前两个研究领域得到充分发展之后，创建完整的全新生物系统乃至人工生命体（artificial life）。合成生物学强调利用工程化的设计理念，实现从元件到模块再到系统的“自下而上”设计。利用生物系统最底层的 DNA、RNA、蛋白质等作为设计的元件，利用转录调控、代谢调控等生物功能将这些底层元件关联起来形成生物模块，再将这些模块连接成系统，实现所需的功能。这是一门涉及微生物学、分子生物学、系统生物学、遗传工程、材料科学以及计算科学等多个领域的综合性交叉学科。它有别于传统的基因工程，其目的在于组装各种生命元件来建立人工生物体系，让它们能像电路一样在生物体内运行，使生物体能按预想的方式完成各种生物学功能。合成生物学的最高境界是灵活设计和改造生命，重塑生命体。 本文就目前合成生物学采用的关键技术和研究应用进展两方面进行综述。 1 基因组的人工合成技术 2010 年 5 月 20 日，Science报道了 Venter 研究组采用化学方法合成了一个 1.08 Mb 的蕈状支原体基因组，并将其移植入一个山羊支原体受体细胞，从而创造了一个仅由合成基因组控制的新的蕈状支原体细胞[1]。这项成果在合成生物学的发展史中具有里程碑的意义。在此之前，也有许多基因组合成的成功报道。2002 年，纽约州立大学 Wimmer 实验室合成了脊髓灰质炎病毒，这是人类历史上第一个人工合成的病毒。多年来，Venter 等一直致力于合成基因组的研究。2003 年，合成了长达 5386 bp 的ΦX174 噬菌体基因组，实现了用寡核苷酸合成的方法精确合成了 5 ~ 6 kb 的 DNA 序列；2008 年，Venter 实验室又合成了生殖支原体基因组，该基因组全长 582970 bp，是已知的生物体中独立生存的最小基因组[2]；2010 年 10 月他们又发明了迄今最简单有效的基因合成技术，并以此合成了实验小鼠的线粒体基因组[3]。Dymond 等[4]的研究更进了一步，他们于 2011 年报道成功设计合成了酿酒酵母的部分染色体，这是酿酒酵母基因组人工合成计划（SC2.0 Project）取得的第一个成果，该项目的最终目标是人工合成构建酿酒酵母基因组。酵母基因组人工合成将是合成生物学发展史上又一重要的里程碑。 DNA 合成是支撑合成生物学发展的核心技术，它不依赖于 DNA 模板，可根据已知的 DNA 序列直接合成，在基因及生物元件的合成、基因回路和生物合成途径的重新设计组装，以及全基因组的人工合成中发挥重大作用。由于化学合成的 DNA 片段长度有限，要合成长的 DNA 片段需要先合成短的寡核苷酸，然后再将寡核苷酸进行拼接。因此，基因组合成的基本思路为：①按照原始基因组序列设计合成寡核苷酸；②利用各种方法将寡核苷酸拼接成较长的 DNA 序列；③以较长的序列为基础，进一步拼接得到更长的DNA 序列，拼接成完整的基因组；④将合成的基因组移植到细胞中，并验证其功能。 1.1 寡核苷酸的合成 目前寡核苷酸一般采用固相亚磷酰胺三酯法合成。寡核苷酸的长度是一个重要的参数，随着长度的延长，产率下降，纯度也降低，积累的合成错误大大增加。较短的寡核苷酸会有较少的错误，但是需要增加组装所需的重叠序列，使合成成本增加。使用 60-mer 的寡核苷酸，可以最大程度地降低错配率和生产成本[5]。 1.2 由寡核苷酸拼接成较长的 DNA 片段 寡核苷酸可以通过各种方法拼接成几百 bp 到几千 bp 的 DNA 片段。常用的体外拼接方法有以下两种：连接酶链式反应（ligase chain reaction，LCR）和快速聚合酶链式组装法（polymerase chain assembly，PCA）。 LCR 法利用 Taq 连接酶将首尾相连、重叠杂交的寡核苷酸片段连接起来，连接反应在较高温度下进行，因而可以排除 DNA 二级结构的干扰；但是基因合成的成本大大增加。 PCA 法是两条具有部分重叠的寡核苷酸互为引物互为模板进行聚合酶的延伸，延伸得到的序列再通过与其他寡核苷酸退火、延伸，进行多次循环后，最终合成目的序列。PCA 法合成成本较连接酶法大大降低。这种方法逐渐得到广泛使 基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）子课题（2012AA 022001-03D） 作者单位：100071 北京，军事医学科学院生物工程研究所（邢玉华、谭俊杰、李玉霞、凌焱、刘刚、陈惠鹏）；130012 长春，吉林大学生命科学学院（邢玉华） 通讯作者：刘刚，Email：jueliu@https://www.wendangku.net/doc/a31777433.html, 收稿日期：2012-07-16
普通高中2017级生物学科教学指导意见
普通高中2017级生物学科教学指导意见
目录 前言 (5) 一、课程性质与基本理念 (6) （一）课程性质 (6) （二）基本理念 (6) 二、学科核心素养与课程目标 (7) （一）学科核心素养 (7) （二）课程目标 (8) 三、课程内容 (9) （一）必修课程 (9) 模块1 分子与细胞 (9) 内容标准及活动要求 (10) 1.1细胞的分子组成 (10) 1.2 细胞的结构 (10) 1.3 细胞的物质交换 (11) 1.4 细胞的代谢 (11) 1.5 细胞的生命进程 (11) 教学提示 (12) 学业要求 (12) 模块2 遗传与进化 (12) 内容标准及活动要求 (13) 2.1 遗传的细胞基础 (13) 2.2 遗传的分子基础 (13) 2.3 遗传的基本规律 (14) 2.4 生物的变异 (14) 2.5 生物的进化 (14) 教学提示 (15) 学业要求 (15) （二）选修课程 (16)
选修Ⅰ课程 (16) 模块I-1 稳态与调节 (16) 内容标准及活动要求 (17) 1.1 植物的激素调节 (17) 1.2 动物生命活动的调节 (17) 1.3 人体的内环境与稳态 (17) 教学提示 (18) 学业要求 (18) 模块I-2 生物与环境 (18) 内容标准及活动要求 (19) 2.1 种群和群落 (19) 2.2 生态系统 (19) 2.3 生态环境的保护 (19) 教学提示 (190) 学业要求 (200) 模块I-3 生物技术与工程 (200) 内容标准及活动要求 (211) 3.1发酵工程 (21) 3.2 基因工程 (21) 3.3细胞工程 (21) 3.4 胚胎工程 (22) 3.5生物技术的安全性和伦理问题 (22) 教学提示 (22) 学业要求 (22) 选修Ⅱ课程 (23) 现实生活应用 (23) 职业规划前瞻 (23) 学业发展基础 (24) 四、学业质量标准 (24)
合成生物学的前景展望
合成生物学的前景展望 目录： 前言 科学定义 学科特征 发展现状 前景展望 结语 前言 当今方兴未艾的合成生物学，是一门建立在生物信息学、DNA化学合成技术、遗传学和系统生物学之上的交叉学科。近十年来，该学科在病毒全基因组合成、标准化遗传回路和最小基因组研究中取得了巨大的突破，也展现了其在生物科学应用中扮演的重要角色。本文将通过介绍与分析合成生物学的相关信息展望合成生物学的发展前景。 科学定义 目前合成生物学研究涵盖范围广泛，对其定义的表述不尽相同：合成生物学领域知名的网站（http://syntheticbiology. org）这样描述该领域的主要研究内容：“设计和构建新型生物学部件或系统以及对自然界的已有生物系统进行重新设计，并加以应用。”2010年12月，美国13位知名专家共同完成了一份名为《新的方向》的研究报告，专门探讨合成生物学问题，文中将合成生物学的研究目标定位为：“将标准化的工程技术应用于生物学，以此创造出新型或具有特定功能的生命体或生物系统，以满足无尽的需求。”合成生物学组织(Synthetic Biology Community)网站上公布的合成生物学的定义则强调合成生物学的两条技术路线：(1)新的生物零件、组件和系统的设计与建造；(2)对现有的、天然的生物系统的重新设计。 综合起来，合成生物学可被理解为基于系统生物学的遗传工程从基因片段、人工碱基DNA子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域，合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。 学科特征 1.多学科交叉性： 作为一个以多学科为基础的综合性交叉研究领域，对于生物学家，合成生物学打开了一扇探索生命奥秘的大门；工程学家更关注的是该如何将实验流程和各类生物学元件进行模块化、标准化，以及如何有效地控制多个元件的相互协调；而如何将标准化的生物学模块进行数字化、定量化评价，更好地为人造“软件”进行模拟计算从而指导生物系统的构建，则是计算科学在生命科学中应用的突出体现；化学家和药物学家则更愿意将合成生物学看作多种用途的新型工具，用于高效地生产新型燃料和药物。 2.超越传统技术的革新： 合成生物学改变了过去的单基因转移技术，开创综合集成的基因链乃至整个基因蓝图设计，并实现人工生物系统的设计与制造。从分子结构图式、信号传导网络、细胞形态类型到器官组织结构的多基因系统调控研究的系统遗传学，以及纳米生物技术、生物计算、
(完整版)中学生物学教学论
《中学生物学教学论》 1：简答题：举例说明什么是"前科学概念”。 参考答案： 许多学生在进入课堂之前已经思考过一些在生活中所见到的生物学现象，并形成了一些想法来解释身边发生的现象，这就是"前科学概念”。学生的前科学概念有些与科学家的认识接近或相同，但大多数是科学界不能接受的结论，有人也将其称为"错误概念或迷思概念”。例如人们腐肉生蛆的认识。 2：简答题：请你介绍一个中学生物学教育相关的网站，并对其进行评价。 参考答案： 提供一个中学生物学教育相关的网站的网址；主要栏目、特色；简单评价。 3：简述概念图在教学中的用途。 参考答案： （1）作为教的工具，主要是用于组织课程内容； （2）作为学的工具； （3）作为评价工具。 4：简答题：你是如何理解教学目标与评价之间的关系的。 参考答案：教学目标是制定评价标准的基础；评价是围绕着目标展开，否则就是无效的评价。 5：简答题：简要介绍导入的基本结构。 参考答案：引起注意；激起动机；组织引导；建立联系。 6：简答题：举例说明建构主义学习观的某些合理性。
参考答案： （1）强调学习者的经验（举例证明该观点的合理性）； （2）注重以学习者为中心（举例证明该观点的合理性）； （3）创造冲突的真实的学习情境（举例证明该观点的合理性）； （4）注重互动的学习方式（举例证明该观点的合理性）。 7：简答题：简述初中生物学新课程倡导的课程理念。 参考答案：面向全体学生；提高生物科学素养；倡导探究性学习。 8：简答题：简述中学生物学实验的类型。 参考答案： （1）从生物学学科特点看，生物学实验可分为：形态学实验、解剖学实验、生理学实验和分类学实验等。 （2）从教学活动的特点看，可以将生物学实验分为：观察实验、验证性实验、探究性实验及设计和制作实验等。 9：[多选题]教态的变化包括（） A：声音的变化B：停顿C：目光接触D：面部表情变化E：身体移动F：头手的动作变化 参考答案：ABCDEF 10：[单选题]讲授"光合作用”这部分内容时，按布鲁姆的教育目标分类，属于理解水平的问题是（）。 A：叶绿体中含有哪两类色素B：光反应的场所C：光合作用的实质D：作物栽培要合理密植参考答案：C 11：[多选题]下列属于"模型”的特点的是（）。
分子与合成生物学知识点总结
1.(生命的起源)三界的分类：古细菌、细菌、真核生物 2.小分子：氨基酸、糖类、核苷酸 77% 3.大分子：核酸、蛋白质、脂质 23% 4.古细菌更类似于真核细胞，原核细菌是真正的细菌 5.合成生物学的定义：设计和构建自然界中没有发现的生物功能和生物系统。构造生物零件装置和能量，药物以及科技系统中应用工程原则和数学模型。 组装各领域专业知识的研究领域为了理解，构建，修饰生物系统。 合成生物学的目标：①操纵基因元件，将基础生物分子整合到基因线路上，来创造新性状，表达复杂的生物功能。②从稳定、标准、已经改良好的基因模块来构建生物体系。 合成生物学的目的：改造系统、系统化构建 .合成生物学与其他学科的不同：抽象性、模块性、标准化、设计和模型 6.根据进化树，古细菌和真核生物都来自细菌。 7.生物膜的作用：隔离、储存能量、物质传递、信号传导、阻断毒性 8.内共生学说：古细菌的真核细胞吞噬异样细菌，成为它的线粒体。 吞噬自养细菌，成为它的叶绿体。 9.基因的概念：基因是生物有机体遗传的分子单元 基因在染色体上 是有机体中可以编码多肽和RNA的DNA序列 10.DNA的结构和功能： 遗传信息在DNA链的核苷酸序列中 遗传信息指导合成蛋白质 基因两条链碱基配对以氢键链接 一条链模板、半保留复制5-3、3端游离羟基、糖在外，碱基在内 11.染色体结构与基因表达： 染色质的基本组成单位是核小体 核小体是组蛋白八聚体2H2A 2H2B 2H3 2H4 H1与核小体间DNA链接 染色质改造：连接DNA长度可变，结合DNA结构可变 12.三个重要的DNA序列：端粒、复制起始区、着丝点 13.核小体的N端修饰（共价修饰）： DNA甲基化和组蛋白去乙酰化协同作用共同参与转录阻遏。 磷酸化使生物学过程发生 14.转录抑制与异染色质有关 15.第三章总结：间期染色质解旋很难看见 基因表达loop结构处 常染色质结构疏松表达活跃，能编码蛋白质。 异染色质粘稠不编码。如端粒、中心粒、着丝粒 有丝分裂染色体是压缩的，有序的，染色体在细胞核中的存放时空间有序的 16.分子机器：调节DNA的蛋白质 DNA：连接酶、解旋酶（95℃）、拓扑异构酶 钳蛋白、结合蛋白
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
2019年《生物学科知识与教学能力》(高级中学)
《生物学科知识与教学能力》（高级中学） 一、考试目标 1. 生物学科知识与能力 掌握生物学科的基本事实、概念、原理和规律等基础知识，具备生物学科的基本研究方法和实验技能；了解生物学科发展的历史和现状，关注生物学科的最新进展；能举例说出这些知识与现实生活的联系。 2．生物学教学知识与能力 掌握生物学课程与教学的基本理论，准确理解《普通高中生物课程标准（实验）》，并能用其指导高中生物学教学。 3.生物学教学设计能力 根据生物学科的特点，针对高中学生的认知特征、知识水平及学习需要选择教学内容，依据课程标准和教材确定恰当可行的教学目标，确定教学重点和难点，选择合适的教学策略和方法，合理利用课程资源，设计多样化的学习活动，形成完整的教学方案。了解生物学教学评价的基本类型和方法。 二、考试内容模块与要求 （一）学科知识 1.掌握与普通高中生物学课程相关的植物学、动物学、植物生理学、动物生 理学、微生物学、遗传学、生态学、生物化学和分子生物学、细胞生物学和生物进化等领域的基础知识和基本原理及相关的生物技术；了解生物学科发展的历史和现状，关注生物学科的最新进展。 2.掌握生物科学研究的一般方法，如观察法、调查法、实验法等，运用生物 学基本原理和基本研究方法，分析生活、生产、科学技术发展以及环境保护等方面的问题。 （二）教学知识 理解高中生物学课程的性质、基本理念、设计思路和课程目标；熟悉高中生物学课程3个必修模块的内容标准；知道课程资源的类型及其适用范围。 2.了解高中生物学教材的编写理念、编排特点及内容呈现形式。 3.了解生物学教学理念、教学策略、教学设计、教学技能、教学评价、教 学研究等一般知识与技能。 4.了解生物学科理论教学、实验教学、实践活动的基本要求和过程。 5.掌握高中生物学核心概念的一般教学策略。 （三）教学设计
合成生物学中那些不得不说的技术
生物技术132 孟庆猛1309011066 合成生物学中那些不得不说的技术 20 世纪的生物学研究一直着眼于对生物系统的不断分解，解剖至细胞中单个蛋白或基因，研究其结构和功能来解释生命现象。但随着当代分子生物学技术的迅猛发展，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。合成生物学旨在对多种天然的或人工设计的生物学元件进行合理而系统的组合以获得重构的或非天然的“生物系统”，其涵盖的研究内容可以大体分为 3 个层次：一是利用已知功能的天然生物模体（motif）或模块（module）构建成新型调控网络并表现出新功能；二是采用从头合成（de novo synthesis）的方法，人工合成基因组DNA 并重构生命体；第三个层次则是在前两个研究领域得到充分发展之后，创建完整的全新生物系统乃至人工生命体（artificial life）。合成生物学强调利用工程化的设计理念，实现从元件到模块再到系统的“自下而上”设计。利用生物系统最底层的DNA、RNA、蛋白质等作为设计的元件，利用转录调控、代谢调控等生物功能将这些底层元件关联起来形成生物模块，再将这些模块连接成系统，实现所需的功能。这是一门涉及微生物学、分子生物学、系统生物学、遗传工程、材料科学以及计算科学等多个领域的综合性交叉学科。它有别于传统的基因工程，其目的在于组装各种生命元件来建立人工生物体系，让它们能像电路一样在生物体内运行，使生物体能按预想的方式完成各种生物学功能。合成生物学的最高境界是灵活设计和改造生命，重塑生命体。本文就目前合成生物学采用的关键技术和研究应用进展两方面进行综述。 基因组的人工合成技术2010 年5 月20 日，Science 报道了Venter 研究组采用化学方法合成了一个 1.08 Mb 的蕈状支原体基因组，并将其移植入一个山羊支原体受体细胞，从而创造了一个仅由合成基因组控制的新的蕈状支原体细胞。这项成果在合成生物学的发展史中具有里程碑的意义。在此之前，也有许多基因组合成的成功报道。2002 年，纽约州立大学Wimmer 实验室合成了脊髓灰质炎病毒，这是人类历史上第一个人工合成的病毒。多年来，Venter 等一直致力于合成基因组的研究。2003 年，合成了长达5386 bp 的ΦX174 噬菌体基因组，实现了用寡核苷酸合成的方法精确合成了 5 ~ 6 kb 的DNA 序列；2008 年，Venter 实验室又合成了生殖支原体基因组，该基因组全长582970 bp，是已知的生物体中独立生存的最小基因组；2010 年10 月他们又发明了迄今最简单有效的基因合成技术，并以此合成了实验小鼠的线粒体基因组。Dymond 等的研究更进了一步，他们于2011 年报道成功设计合成了酿酒酵母的部分染色体，这是酿酒酵母基因组人工合成计划（SC2.0 Project）取得的第一个成果，该项目的最终目标是人工合成构建酿酒酵母基因组。酵母基因组人工合成将是合成生物学发展史上又一重要的里程碑。DNA 合成是支撑合成生物学发展的核心技术，它不依赖于DNA 模板，可根据已知的DNA 序列直接合成，在基因及生物元件的合成、基因回路和生物合成途径的重新设计组装，以及全基因组的人工合成中发挥重大作用。由于化学合成的DNA 片段长度有限，要合成长的DNA 片段需要先合成短的寡核苷酸，然后再将寡核苷酸进行拼接。因此，基因组合成的基本思路为：①按照原始基因组序列设计合成寡核苷酸；②利用各种方法将寡核苷酸拼接成较长的DNA 序列；③以较长的序列为基础，进一步拼接得到更长的DNA 序列，拼接成完整的基因组；④将合成的基因组移植到细胞中，并验证其功能。
合成生物学的未来展望
合成生物学的未来展望 合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科，近年来合成生物物质的研究进展很快。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。 传统的生物学是通过解剖来了解生命体以及其内部构造的，而合成生物学恰恰相反，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。重塑生命是合成生物学的核心思想。该学科致力于从零开始建立微生物基因组，从而分解、改变并扩展自然界在35亿年前建立的基因密码。此外，还可以通过人工方式迫使某一细菌合成氨基酸。合成生物学是基因工程中一个刚刚出现的分支学科，它吸引了大批的生物学家和信息工程师致力于此项研究。 一些专家提出应该制造一个配备有生物芯片的细胞机器人，让它在我们的动脉中游荡，检测并消除导致血栓的动脉粥样硬化。还有一些研究人员认为，运用合成生物学还可以制成各种各样的细菌，用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等。恩迪还提出，可制造一种生物机器用来探测化学和生物武器，发出爆炸物警告，甚至可以从太阳中获取能量，用来制造清洁燃料。但是也有一些谨慎的研究人员认为，合成生物学存在某些潜在危险，它会颠覆纳米技术和传统基因工程学的概念。如果合成生物学提出的创建新生命体的设想得以实现，科学家们就必须有效防止这一技术的滥用，防止生物伦理冲突以及一些现在还无法预知的灾难。 合成生物学将催生下一次生物技术革命。目前，科学家们已经不局限于非常辛苦地进行基因剪接，而是开始构建遗传密码，以期利用合成的遗传因子构建新的生物体。合成生物学在未来几年有望取得迅速进展。据估计，合成生物学在很多领域将具有极好的应用前景，这些领域包括更有效的疫苗的生产、新药和改进的药物、以生物学为基础的制造、利用可再生能源生产可持续能源、环境污染的生物治理、可以检测有毒化学物质的生物传感器等。 合生生物学的商业化应用是必然趋势，但多数还要等到几年之后才能实现。即便如此，研究人员已经在利用合成生物体来研制下一代清洁的可再生生物燃料以及某些稀缺的药物。第一代合成微生物是合成生物学的简单应用，它们可能与目前利用DNA重组的微生物类似，其风险评估或许不成问题，因此，对立法者的挑战较少。但随着合成生物学技术不断走向成熟，又可能研制出复杂的有机体，其基因组可能由各种基因序列（包括实验室设计和研制的人工基因序列）重组而成。尽管其风险和风险评估问题与经过基因修饰的生物体引发的问题类似，但对于这类复杂的合成微生物来说，找到上述问题的答案要困难得多。 今后几年，合成生物学将在以下几个方面取得重要进展。 一是更多的合成生物学零件及模块会得到表征及标准化；更复杂、更精细的合成基因线路会在原核生物及真核生物中得以应用。 DNA合成技术是支撑合成生物学发展的重要技术之一，其在基因及调控元件的合成、基因线路和生物合成途径的重新设计组装，以及基因组的人工合成等方面都具有重要的应用。近几年来，DNA合成技术发展很快，成本越来越低。目前,DNA芯片发展有两大趋势:其一是以Affymetrix公司为代表的向高密度基因芯片发展,争取把人类所有基因探针都固定在一块芯片上,其发展将对生物学的基础研究起到革命性的推动,并有可能在将来引发新 的革命;另一种发展是以Nanogen公司为代表的过程集成化趋势,由于在实际临床诊断及军事、司法应用中,大多数情况下并不需要高密度的DNA芯片,而是要求便携式、灵活、速度快和成本低,因此,发展这种高集成、中低密度的DNA芯片可以在近几年进入市场并发挥社会效益。