合成生物学：当之无愧的生命科学利器（上）丨贝研报03 合成生物学的概念最早出现于1910年，由法国物理化学家 Stephaneleda首次提出，在他的认知中合成生物学可以归纳为形态和结构的合成，包括形态发生、功能的合成、技能发育的有机体的组成以及有机合成化学等，受制于当时科技水平发展并未得到真正的发展。
随着重组DNA分子、重组质粒和转基因技术的发展使得DNA重组技术日益成熟，以及基因测序技术的发展，利用生物元件构建逻辑线路被成功实践。2000年，Eric Kool重新定义了“合成生物
学”，是基于系统生物学的遗传工程，标志着这一学科的真正形成。 作者丨贝壳研究院
合成生物学
合成生物学所要达到的目的是通过生物技术手段构建特定的工具细胞，使其具有生产特定产物的能力。这个技术绕开了自然进化过程缓慢的阻碍，通过人工设计与编写基因组，可以依据特定的需求从模块化的角度来构建元器件，再将这些元器件与自然生物体系进行融合改造和优化，产生可控运行的人工生物体系。
合成生物学的发展大体上经历了四个阶段：
根据合成生物学实现难度高低可以划分为三类：
1、利用现有的天然生物模块构建新的调控网络并表现出新功能；
电动液控闸阀2、采用从头合成方法人工合成基因组 DNA；
3、人工创建全新的生物系统乃至生命体。锅巴生产设备
技术的进步对于合成生物学的大规模的应用起到了重要的作用，基因合成、基因编辑、蛋
白质设计、细胞设计、高通量筛选等技术的发展对合成生物学的发展有着重要的支撑和推动作用，基因测序、DNA合成以及基因组编辑技术都是其核心使能技术。
技术路径
第一步，需要根据最终产品设计合适的技术路线。
第二步，选择一个合适的底盘细胞，作为产品生产的宿主细胞。
第三步，运用DNA合成、基因编辑等技术对宿主细胞的代谢路径进行改造。
第四步，对得到的宿主细胞进行筛选、优化，提高其耐受性并优化代谢路径。
第五步，发酵工程。
第六步，产品的回收和纯化。
底层技术
►►►
基因测序技术
基因测序技术已经从第一代发展至第三代，利用这一技术能加速发掘功能基因，可以用于制造合成生物学中使用的生物元器件。
一代测序高压阻尼线
一代测序技术又称Sanger测序，其原理是利用了双脱氧核苷酸会终止PCR的原理，在合成DNA链的反应中掺杂与4种单脱氧核苷酸（dNTP）相对应的双脱氧核苷酸（ddNTP），通过ddNTP与dNTP竞争参与反应而中断DNA合成，使新合成的DNA链终止在不同的碱基位置，生成与模板DNA链序列互补的一系列长度不同的DNA片段。最后将制得的混合物通过电泳分离，经放射性自显影后，根据片段3’端的ddNTP依次阅读合成片段的碱基排列顺序。 二代测序
二代测序技术主要以Roche 公司的 454、Illumina公司的 Solexa和ABI公司的SOLID为代表。三家公司使用的测序技术细节有所不同，但大致步骤上可以划分为下列几步：1、将DNA进行打断，对两端修饰后加上接头序列。2、对DNA片段进行扩增。3、上机测序。
Roche 公司的 454测序时，放置在四个单独的试剂瓶里的四种碱基，依照 T、A、C、G 的顺序依次循环进入 PTP 板，每次只进入一个碱基。如果发生碱基配对，就会释放一个焦磷
酸盐 (inorganic pyrophosphate, PPi) 分子。PPi 在ATP硫酸化酶的催化下与腺苷酰硫酸反应生成 ATP，ATP 与虫萤光素反应发光，光信号的最大波长约为 560 nm，此反应释放出的光信号实时被仪器配置的高灵敏度 CCD 捕获到。有一个碱基和测序模板进行配对，就会捕获到一分子的光信号，由此一一对应，就可以准确、快速地确定待测模板的碱基序列，读长可达到近 500 bp。
Illumina公司Solexa的反应与Sanger法类似，加入用4种不同荧光标记并结合了可逆终止剂的 dNTP。DNA 簇与单链扩增产物的通用序列杂交，由于终止剂的作用，DNA 聚合酶每次循环只延伸一个 dNTP。每次延伸所产生的光信号被标准的微阵列光学检测系统分析测序，下一次循环中把终止剂和荧光标记基团裂解掉，然后继续延伸 dNTP，实现了边合成边测序技术。
ABI公司SOLID在连接测序中，底物是 8 个碱基的八聚体单链荧光探针，在5′末端分别标记了CY5、Teaxs Red、CY3、6-FAM这四种颜的荧光染料。
3′ 端的第1、2位碱基类别排序分别对应着一个固定的荧光染料，第3、4、5位碱基“n”是随机碱基，第6、7、8位碱基“z”是可以和任何碱基配对的特殊碱基。一次测序中包括了五轮
连接反应。每轮连接反应首先是由3个碱基“n”介导，将八聚体连接在引物上，测序仪记录荧光染料信号，然后断裂掉碱基“z”，准备连接下一个八聚体。
一次循环后，将引物重置，进行第二轮连接反应，反应位置比前一轮错开一位，这样引物上的每个碱基都会有两次与第1、2位的相连接，显著减小了测序误差。
丙烯酸羟丁酯三代测序
三代测序技术通过单分子测序的技术，相比二代测序免去了PCR扩增的步骤，减少了错误引入。目前主流的三代测序平台为Helicos公司的HeliScope，Pacific Biosciences公司的SMRT和Oxford Nanopore公司的纳米单孔分子。国内从事三代测序仪研发生产的公司有深圳市真迈生物科技有限公司。
目前国内能够提供的测序业务主要以二代测序为主，企业都是通过购买Roche 、Illumina或Solexa的测序仪来实现的。在测序仪制造方面国内厂商华大智造已经于2019年9月完成首台超高通量基因测序仪的交付商用。
后挂式耳机►►►
DNA合成技术
DNA化学合成法是当前主流的商业化合成方法，经历了从柱式合成到芯片合成的变革发展，并得到了广泛的市场化应用，在合成生物学中将会大量用到高通量DNA合成技术。
夹具体1、柱合成法
柱合成法主要用于生产Oligo即寡核苷酸链，根据功能不同，可以在Oligo上修饰荧光基团、化学基团（如羧基、氨基、巯基等）等，分子实验室常用的PCR引物、NGS捕获探针、qPCR探针和FISH探针等都是Oligo。技术相对成熟，目前亚磷酰胺法是商业化Oligo合成的主流方法。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议