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合成生物学何以美丽?定量生物学专刊聚焦合成生物学最新动态

最近多个合成生物学方向成为刷爆朋友圈的火爆话题,来自Zhang Feng和James Collins合作开发的基于Cas13a实现单分子检测核酸检测 [1],来自天津大学、清华大学、深圳华大基因研究院完成4条真核生物酿酒酵母染色体的人工合成[2],实现了合成生物学新的突破,那么究竟合成生物学是什么?合成生物学区别于其他学科的关键点在哪里?合成生物学主要涉及哪些方向?由北京大学汤超与清华大学张奇伟教授作为主编的《Quantitative Biology》杂志,聚焦合成生物学领域,推出合成生物学专刊。正如专刊特别编辑Cheemeng Tan在前言中指出[3],合成生物学区别于其他领域,最重要的两点便是,首先,如何合理和定量的控制生物系统从而不受环境(environmental context)的干扰?其次如何自上而下的设计和编程新的生物系统?

简而言之,合成生物学便是基于这两点思路,然后在包括开发新型生物治疗细胞、疾病的诊断、代谢工程的开发等多方面大放异彩。

专刊从四个方面分别对合成生物学进行了介绍,具体内容详见《Quantitative Biology》2017年3月发表的专辑:

https://link.springer.com/journal/40484/5/1/page/1或http://journal.hep.com.cn/qb/EN/2095-4689/current.shtml。

噬菌体改造

噬菌体是病毒的一种,特别之处在于以细菌为宿主,曾经在验证遗传物质究竟是蛋白质还是DNA上扮演重要的角色。而如今,在合成生物学领域,噬菌体越来越多的扮演了重要的角色。越来越多的目光被投入到噬菌体上,通过合成生物学的手段合理的改造,从而实现抗感染治疗。

改造噬菌体实现更广泛的宿主[4]

Brown等人综述了合成生物学如何推动噬菌体治疗的工作,重点讨论了噬菌体宿主范围扩大、减少噬菌体治疗副作用和利用噬菌体对细菌进行修饰等多方面的进展。同时基于单细胞显微镜技术,Guan等人使用CRISPR/Cas系统实现了对噬菌体降解的定量。[5]

在细菌中CRISPR/Cas系统明显降解了入侵的噬菌体DNA

基因表达控制与DNA纳米技术

除了承载遗传信息之外,DNA由于特异的碱基互补配对的特性,从而可以实现有效的不同结构的自组装,基于自组装从而可以进行复杂的逻辑运算。通过金属离子、短肽甚至蛋白的帮助,从而可以设计蛋白实现复杂的纳米结构和纳米机器,早在十几年前,Yurke等人便提出了toehold介导链置换反应的概念,从而实现了动力DNA纳米技术。

甚至于设计的toehold RNA可以用于控制基因的转录表达:

通过引入taRNA,当taRNA不存在的情况下,RBS由于被自身序列形成二级结构从而无法与核糖体结合,而当引入taRNA,taRNA含有与RBS互补序列配对的序列,从而释放RBS,实现基因的表达。

Choudhary等人则综述了RNA结构谱方面的最新进展,包括如何利用NGS数据预测RNA二级结构。

细胞的非线性动力学

合成生物学里面的一个关键问题便是基因线路的设计,利用人为设计的基因元件从而实现定量控制,并且可以揭示潜藏的生物现象背后的机制。

Sadeghpour等人在专刊中讲述了一个很有趣的故事,通过引入合成生物学基因线路从而实现双稳态互移植的微生物群体。[6]

CRISPR大放异彩的发现以及酵母染色体合成的新突破等多个领域的工作已经成为了合成生物学的缩影,可以想象,我们目前正处在类似于从物理知识储备到电气化发展的关键节点,目前随着人类对生命现象的逐步了解,越来越多的技术将逐步走进千家万户,真正的大幕才刚刚拉起!

参考文献:

1. Gootenberg, J. S. et al. Nucleic acid detection withCRISPR-Cas13a/C2c2. Science(2017). doi:10.1126/science.aam9321

2.  Dai,J., Cai, Y., Yuan, Y., Yang, H. & Boeke, J. Whole genome synthesis: frompoliovirus to synthetic yeast. Quantitative Biology 5, 105–109(2017).

3.  Tan,C. Special collection of synthetic biology, aiming for quantitative control ofcellular systems. Quantitative Biology 5, 1–2 (2017).

4.  Brown,R., Lengeling, A. & Wang, B. Phage engineering: how advances in molecularbiology and synthetic biology are being utilized to enhance the therapeuticpotential of bacteriophages. Quantitative Biology 5, 42–54(2016).

5.  Guan,J., Shi, X., Burgos, R. & Zeng, L. Visualization of phage DNA degradationby a type I CRISPR-Cas system at the single-cell level. Quantitative Biology5, 67–75 (2017).

6.  Sadeghpour,M., Veliz-Cuba, A., Orosz, G., Josić, K. & Bennett, M.Bistability and oscillations in co-repressive synthetic microbial consortia.QuantitativeBiology 5, 55–66 (2017).

来源:生物极客

撰文:马大程(清华大学合成与系统生物学研究中心 在读博士生)

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本文由 测序中国 作者:王迪 发表,转载请注明来源!

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