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          學術分享——來自于技術部的小白對合成生物學的認知
          發布時間:2023年06月06日 瀏覽次數:1321

          一.合成生物學概述

          合成生物學是一門在生物學科中較新的領域,從概念的提出到目前的發展也不過十幾年之久,其目的是把工程學的理念和思想引入到生物學當中來。作為一門交叉型學科,其融合了生物學,化學,計算機科學,工程學,物理學等多個學科,目的是將這些學科的概念和知識整合起來,達到更高效,更加經濟,更加精確的按照人類的意志創造出對于有益的產品或者有特殊功能的生物體。

          對于傳統的生物學都屬于分析生物學,研究主題是理解自然演化出來的生物,其遵循up to bottom的思想,就是從上到下的思想,舉例來說,就是給研究者們一個細胞或者物質,這些研究者們根據已有的經驗和方法對其進行剖析研究。而對于合成生物學來說,是一種Bottom to up從下到上的思想,從創造或者改造最基本的細胞組件開始,再對其進行組裝或者組合,最終目的是使其成為一種對人類有使用價值的一個生物整體。而這個價值是可以隨著人類的意志和需求改變的,定向的創造出我們確切需要的產品。隨著合成生物學概念的出現到現在的飛速發展,很多領域都可以利用到合成生物學,例如工業,醫學,能源,環境,建筑等。

          二.合成生物學定義

          合成生物學定義可以分為兩個概念:

          (1) 對自然界中不存在的生物原件或者生物系統的設計和組裝。

          (2) 對于現有生物系統的重新設計或者建造。

          貫穿合成生物學的三個核心的詞匯part (部件),device (裝置) and system (系統)

          將電腦中的hierarchy來類比合成生物學中part,devicesystem的概念。

           ?首先對于電腦來說一些簡單的二極管電阻等是組成電腦部件的最低級單位,在生物學中DNA和一些蛋白質就是組成part的單位。

          ?這些part在往上就會組成device, 在電腦中就是一些電路板在生物學中可能就是某種細胞代謝通路這些device的功能都是由最基本的parts支撐的。

          ?最終由devices就可以組成一個systems(系統), 這個系統可以行使人類所特別設定的功能在電腦科學里面來說就是一個電腦在生物學中來說就是一個細胞或更高等的單位。

          當一個系統被組成后這個系統就可以行使功能。

          parts, devicessystems的創建過程當中要基于工程學的思想。合成生物學的奠基人之一Drew Endy 2005年的paper: 的核心詞匯: Standardization(標準化),decoupling(去耦合),和abstraction(精簡化精辟的總結了合成生物學如何把工程學的理念和知識引用進來,從而促進合成生物學的快速發展。

          ?首先標準化(在一些文章中也用Modularization來闡述相似的概念指在創造或者改造相應的生物學部件時,一定要進行對于部件的標準化設置,這樣一個人創造出來的部件通過標準化設置就可以被所有研究者重復使用最基本的part的標準化可以大大提升上面devicesystem的兼容性和標準性。舉個例子來說在合成生物學中最盛大的全球賽事iGEM比賽當中所有參賽隊伍被要求提交標準化之后的parts, 簡而言之就是在parts的兩邊加上統一的prefixsuffix,其中包含了統一的酶切位點這樣一個part就可以被反復使用大大提升了研究的效率。Fig.4 則顯示了提交標準化的part, 當一個part被創造或者重新設計出來后就可以提交在這個網站上其他人就可以使用了。

          ?其次,所謂的decoupling(去耦合就是把一個復雜的事物進行拆分從而得到其中簡單的片段進行逐一分析大大的增加了處理復雜問題的效率。

          ?最后一點就是abstraction(精簡化), 與上一點的目的是一樣的都是為了將復雜的生物系統進行簡單化abstraction則強調了解決復雜問題應該使用 hierarchies (分級制度), 在這個理念中從事研究工作的人應該只關注在一個等級的研究而原則上忽略其他等級的研究,而且只進行有限的穿越等級的交流。這種觀念可以讓研究者在的研究集中在一個層級從而使問題簡單化并提升效率。

          總的來說,合成生物學里可以總結為三個名詞底盤”“元件”“模塊。

          ?被改造的生物被稱作底盤。

          ?被改造的一個個硬件,比如DNA、蛋白質等叫做元件(元件最好做到標準化,即插即用)。

          ?多個元件就像設計電路一樣去設計生物,做到模塊化設計。

          所以,合成生物學就是——通過頂層設計,使用標準化的元件或基因線路去拼裝,構建出新的生物系統,從而解決健康,資源,環境領域的重大問題。

          三.合成生物學的工具

          (1) DNA的二代測序 (Next generation sequencing, NGS)和三代測序 (Third generation sequencing, TGS)的技術

          在合成生物學中基因的操作是最為基礎和關鍵的一部分,所以基因的合成和基因的測序技術對于合成生物學來說是至關重要的。二代和三代測序技術相比于一代的Sanger測序技術來說更加的快捷便宜和準確。

          (2) DNA 組裝方法 (DNA Assembly)

           傳統的基因工程操作就是用限制性內切酶通過基因上的酶切位點把DNA片段切開并用連接酶把目的基因片段插進被切開的基因片段。但是傳統的這種方法耗時耗力一次只能操作一個基因片段效率低且容易產生frame shift等問題。在現階段的合成生物學操作中多種更為簡潔方便高效的DNA assembly的方法被創造出來其中最為常用的有Gibson, Golden Gate, GatewayLong-overlap-based assembly等。這些方法或在連接時設計出特定的overhang, 

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