合成生物学
-
2023年3月16日发(作者：二年级仿写句子)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:
M,singnature’stoolbox:regulatoryelementsfor
nterface,doi；
urIVGH，engineeringsyntheticmicrobial
dBiotechnol,doi:10.1155/2010/459760。
综述了元器件工程（componentsengineering）、和途径工程（pathway
engineering）的进展。
nantoandroE,BasuS,KarigD,ticbiology:newengineering
tBiol,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:
M,singnature’stoolbox:regulatoryelementsfor
nterface,doi；。
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
zMB，eticoscillatorynetworkoftranscriptional
,403:335。
基于转录调控的合成调控器件：基因振荡器
erJ,CooksonS,BennettMR,,robustandtunable
456：
基因振荡器
-FranklinCM,DrubinDA,EskinJA,aldesignofmemoryin
ev,21:2271-2276。
对输入信号具有永久“记忆”功能的转录调节单元。
landAE,ticgenenetworksthatcount.
Science,324:1199-1202。
计数器
RNA的调控：
FJ,DwyerDJ,
biotechnol,24:545-554。
位于5‘非翻译区（UTR）的Riboswitch可作为小分子感受器，用于小分子
信号调控蛋白质的翻译。
,-ordercellularinformationprocessingwith
e322:456-460。
Riboswitch区域还可以和核酶相连，通过小分子控制核酶的催化功能。
S,mmableligandcontrolledriboregulatorsof
technol,23:337。
利用Riboswitch可设计感受单种小分子信号的“翻译开关”，在特定小分子
存在时候实现（或解除）对特定mRNA的翻译机制，还可以实现用多种小分
子信号的组合输入来调控蛋白质表达水平。
oK，BlerisL，MaddamsettiR，rsalRNAi-basedlogic
technol,25。
设计验证了小干扰RNA（siRNA）的组合逻辑调控能力，同一阻遏蛋白由两
种具有不同UTR区的mRNA编码，只有当良好总相应的siRNA同时存在时候，
其下游基因的抑制才能被解除。
rneIA,MiguezDG,LandgrafD,lengthincreases
ev,22；2342。
在高等真核生物中，内含子也可以是mRNA层次调节的重要途径。内含子可
能调控的机制之一，是增长mRNA的成熟时间，延长蛋白质表达。Swinburne
等用一个内含子和自抑制回路的人工基因器件验证了该器件能够产生脉冲
式的基因表达，并且脉冲的频率依赖于内含子的长度。
信号转导蛋白调控：
hA,AyersRA，andsignalingmechanismof
ol,358:1433-1444。
Moglich等用感光的LOV结构域（PAS结构域的一个亚家族）替换了一种天然
组氨酸激酶中感受氧分压的LOV结构域，成功合成了一种人造感光信号蛋
白。
tionofnewproteinfunctionsbynonhomologous
in
Biotechnol,20。
综述了近年来通过结构域重排获得新的功能的蛋白质，特别是新的结合蛋
白、分子开关蛋白的研究进展。
元器件的模块化、通用性、多样化:
rJM,PerchukBS,ngthespecificityoftwo-component
,133:1043-
等用细菌双组分系统，展示了仅仅通过两个界面残基的突变，就能改变上游
组氨酸激酶和下游效应分子的连接特异性，从而改变了信号通路。但不破坏
相应的调节、调控或者催化功能。
charyyaRP,RemenyiA,YehBJ,s,motifs,andscaffolds:the
roleofmodularinteractionsintheevolutionandwiringofcellsignalingcircuits.
AnnuRevBiochem,75。
新的相互作用特异性还可以通过在上下游分子中分别引入的“插座”
（adaptor）结构域、能够被adaptor特异性识别的配体结构域实现。Lim等
用这一策略改造了MAPK激酶信号传导通路中脚手架蛋白的adaptor结构域，
实现了真核细胞中信号通路的重连接。
,WangX,ity-based，modelguidedconstructionofsysnthesic
Biotechnol,27。
除了相互作用的特异性以外，相互连接的上下游部件之间的输入输出强度不
匹配，也是部件之间不能协同工作的原因，Ellis等通过构建启动子文库，获
得一系列有不同定量特性（转录活性）的启动子，实现对其定量测试。在后
续设计的调控网络中，依据数学模型，直接选择使用具有所要求的定量特性
的启动子元件。这一工作很好的战士了合成生物学通过序列变化产生有多样
化定量特性的同类功能元件，以及模块化构建复杂生物系统的研究策略。
人工器件的设计与筛选
tionofnewproteinfunctionsbynonhomologous
in
Biotechnol,20。
在相关天然蛋白结构序列数据较为充分的情况下，合理设计有可能把对连接
片段的筛选范围缩小至数十种，对结构域界面的筛选范围缩小到数个氨基酸
为点突变。
lDJ，er-aideddesignoffunctionalprotein
mBiol,5:797
目前，在蛋白质天然结构框架上从头设计新的相互作用尽管已经取得很大的
进展，但很大程度上还受到理论模型精度不足的限制。对一些蛋白质家族，
如细菌双组份信号转导蛋白、DNA结合结构域等，对其序列、结构、进化信
息的分析有可能让我们判别其像话作用界面剂界面上对像话作用特异性有
决定性影响的残基。对这些位置的序列进行设计或者有限的随机突变可获得
新的相互作用特异性。
人工调控元件用于研究天然调控系统
nnB，CurrieE，CollinsSR，-Mitochondriatethering
e,325。
用人工构建的、包含线粒体膜结合结构与和内质网膜结合结构域的人工蛋白
导入酵母细胞，用遗传互补的方法发现了内源线粒体-内质网系连复合物。
合成生物学途径工程
途径设计
rKLJ,biosyntheticpathways:rationaldesignof
inBiotechnol,19:468。
提出，可用三种不同的策略在一种细胞中引入新的生物合成途径。首先，可
从不同来源物种独立获得途径中的各个部分，置于同一宿主中。例如：
raCE,licengineeringforthemicrobial
productionof1,inBiotechnol,14。
第一种：在大肠杆菌中的1，3-丙二醇合成途径，就是用分别来源于肺炎克
氏杆菌和酿酒酵母的部分代谢途径组装的。又如Keasling等在酵母菌中构建
的青蒿素合成途径，就是利用了青蒿中的部分代谢途径（amorphadiene合
成酶）。
AL,effortsinengineeringmicrobial
inChemBiol,7
第二种：可对宿现有途径中的酶进行修饰改造，改变其底物专一性，让其作
用于新的代谢中间体或者产物。最后一种：上述两种方法结合起来，利用独
立来源的各部分形成新的代谢途径，对其中的酶进行改造甚至涉及新的催化
分子，形成真正的“全新”的生物合成途径。不过目前为止，例子很少，因
为理论上可能生物转化途径很多，但要从自然界中找到适于催化预设的生物
转化过程的酶并不容易，能够针对特定生物转化目标，涉及转化路径并从大
量天然酶中挑选适于催化个步骤的候选酶的工具已经出现。
,ChangWC,ChiuCM,:awebserverformetabolic
dsRes,37。
互联网工具FromMetabolitetoMetabolite(FMM)能够根据用户输入的代谢反
应物和终产物，构建由已知酶催化步骤组成的可能途径。
rKLJ,biosyntheticpathways:rationaldesignof
inBiotechnol,19:468。
Retro-BiosynthesisTool(ReBiT)提供了能够催化不同类型官能团转化的酶促过
程的数据库及相应的检索工具。
途径合成
,AndersonJC,BaderJS,
Biotechnol,27:63-72。
综述了目前的基因合成策略。
C，GruetznerR，KandziaR，gateshuffling:aone-pot
DNAshufflingmethodbasedontypeⅡ
ONE,4:e5553。Goldengateshuffling利用第二类限制性内切酶，可以一步将多
个组件连接到一起。
RP,EndyD,eringBioBrickvectorsfromBioBrick
ng，2:article5。
设计了一种标准的拼接方法，简化了元器件的组装过程：每一个元件DNA
都带有韩特定酶切位点的前缀序列和后缀序列，前后两个元件拼接后形成的
新的组合序列保留原来的前缀序列和后缀序列。标准的3ABioBricks组装方
法可将两条带标准前缀序列和后缀序列的序列连接并插入到质粒，而无需额
外的酶切片段分离等步骤。
,arpolymeraseextensioncloningofcomplexgene
E，4:e6441.
CPEC完全利用质粒和组件之间的重叠片段，完全借助聚合酶链式反应进行拼
装，避免了酶切、连接等步骤。他提供了一种将多包含多个积阴德长片段克
隆到质粒上，或者构建多个组件组合的质粒文库的高效方法。
途经分析与调控:
目的是将细胞内代谢流最大限度的引导到目标生物转化过程，同时尽可能的
减少外源人工途径对细胞的不利影响。
,ParadiseTM,OuelletM,ionoftheantimalarialdrug
,440；940。
Keasling等在酵母中导入amorphadiene合成酶后酵母就可以产生青蒿素，但
产率很低。通过调节法呢基焦磷酸合成途径中多个基因的表达水平，Keasling
等将酵母中青蒿素的合成产率提高了500倍。
,iometricfulxbalancemodelsquantitatively
predictgrowhandmetabolicby-productsecretioninwide-typeEscherichiacoli
vironMicrobiol，60:。
流量平衡分析（FBA）是一种能够在基因组水平研究流量分布于代谢网络结
构关系的模拟工具。
,UK:PortlandPress
代谢控制分析（MCA）是分析代谢网络的另一个工具。MCA需要用到网络中
所有酶的动力学参数，能够用控制系数来代表途径中每个酶对总体流量的控
制力的大小，缺点是缺乏多数酶的动力学参数，无法应用于基因组水平的代
谢分析。
-FranklinCM,DrubinDA,EskinJA,aldesignofmemoryin
ev,21:2271-2276.
GenesDev,21:2271-2276。在FBA的指导下删除某些内源基因，也可达到增大
目标代谢流量的目的。
,JinYS,MoxleyJF,fyinggenetargetsforthemetabolic
Eng,7:155-164。Alper等将这一策略应用于大肠杆菌产生番茄红素。