合成生物学简介以及BioBrick的相关介绍

什么是合成生物学？

合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个正在迅速发展的分支学科，并结合了工程学，化学，计算机以及分子生物学等多种学科。合成生物学按照一定的规律和已有的知识：①设计和建造新的生物部件、装置和系统；②重新设计已有的天然生物系统为人类的特殊目的服务。

合成生物学家试图创造出一种以脱氧核糖核酸（DNA ）编写的语言。为了达此目的，需要设计DNA 片段，而这些DNA 片段已获标准化处理，能与其他片段轻易连结。每个片段代表着个别指示，而将它们组合起来，便成为一个程式，能够指示细胞进行一系列的工作。这个过程类似编写电脑程式又或是制造机器人，不同之处是其制成品是具有生命及繁殖力的活细胞。他们尝试着利用基因的序列信息和人工合成DNA ，去改装细胞的新陈代谢路径从而使得细胞具有全新的功能，例如生产化学物质和药品。他们的最终目标是尝试从无到有地构建基因——以及新的生命形式。而那些用以铸造新系统的生物因子就被称为“生物砖石”（BioBricks ）。

2.1BioBricks 简介

什么是BioBricks ？

BioBricks 是为了实现能够在活细胞体内搭建上面描述的相应的生物系统而建立的标准，使得部件之间能够更好的组合。

右图就是在质粒上的BioBrickpart BBa_B0034，它两侧的是前缀prefix (P)和后缀suffix (S).

什么是前缀prefix 和后缀suffix ？

前缀prefix 和后缀suffix 都是在目地基因周围的一段基因序列。BioBrick 具有相同的前缀和后缀。

每一个前缀都扩EcoRI 和XbaI 两个酶切位点，如果其后面的编码基因等组件（part）以“ATG”开头，则前缀为gaattcgcggccgcttctag。否则就是gaattcgcggccgcttctagag

后缀中包括SpeI 和PstI 两个酶切位点。序列为tactagtagcggccgctgcag

而中间的基因经过特殊的遗传工程手段处理，使得真正的编码序列不含这四个酶切位点。

2.2合成生物学设计的三个关键的工程化概念

标准化（standardization）

为了实现元件“即插即用”的性能，需要定义不同组件之间的标准化连接。，并开发各种基本生物功能（如启动子活性）、实验测量（如蛋白质浓度）、系统操作（如遗传背景、发酵液、生长速度、环境条件等）等的标准。只有这些标准被广泛采用，才能保证不同研究人员设计和构建的单元能够相互匹配。

解耦（decoupling）

讲一个复杂问题分解成许多相对简单的、可以独立处理的问题（如把复杂的“生物系统”解耦成许多套相互独立的装置（如标准化的细胞、标准化的核苷酸序列等）），便于用已有的标准化部件来加速开发过程，最终合成具有特定功能的统一整体的过程。

抽提（abstraction）

生物工程中主要涉及一下两种抽提方式：

利用抽象的层次模型，以不同水平的复杂程度描述生物功能的信息。2对于合成生物系统的部件和装置进行重新设计和构建，使其适当简化以方便模拟和组合，如转录启动子、核糖体结合位点和开放读码架的重新设计和崭新组合等。

2. 3拼接方法

下面简单介绍一下biobrick 的拼接方式：

这如前面所说，每一段part 的基因前后都有前缀和后缀，他们含有相应的酶切位点，例如图中，我们将两个质粒分别用EcoRI 和SpeI 以及EcoRI 和XbaI 酶切开，得到B00334以及仍旧连在质粒上的C0010部件，通过凝胶电泳将两部分提纯，在通过相关的DNA 连接酶将两部分连接起来。注：

当两部分连接起来的时候，连接处S 与X 就会形成类似于伤疤似地东西（BioBrick Scar ）。如果第二部分以“AT ”起始，则为

t actag ；

其他情况则为tactagag ，这两个都不是酶切位点。

2.4partsregistry 简介

如果你想要构建一个生物体，或者以新的方式制造它，你可以去那些卖木料或者工业用管子的地方。DNA 的组成部分——启动子，核糖体附着点，质粒的主干，还有其他成千上万的部分——被编成目录，给出解释，开放讨论。这是一种针对未来生命形式的理论型维基百科，并且还提供附加的好处，即构建它们的原材料。“生物砖石”的档案室是一个实体存在的存放处，但它也有网上目录。一个例子就是http://partsregistry.org/main_page

这里有关于已经注册的biobrick 的全部资料，包括标准化的biobrick 、质粒的基本概念、详细构成、操作方法、功能描述以及使用者论坛。每年参加iGEM 的竞赛队伍在赛前都会在该网站上注册自己队伍开发的biobrick ，组委会定期对已经注册的组件进行整理和验证，并将标准免费提供给参赛队伍。

2.5.合成生物学有哪些应用范围？

生物能源

进行细胞工程，将糖、淀粉质、纤维素（农业废物）及二氧化碳中的碳，转化为具效益的产物，包括交通工具所需燃料。利用可再生原料进行碳中和化合作用，有助减少温室气体的排放。

绿色制造

传统塑胶及纺织制造业牵涉的制作过程，往往需用上高温和有害溶剂，更会产生污染物。就上述步骤进行细胞工程将可以引伸出一系列程序，其中一些更可以在室温的环境下进行，最后不会产生有害的副产品。

农业

现时，合成生物学获应用于植物工程学，将有助科学家设计一系列能带来更丰硕收成、具抗病能力，及能抵抗极端或恶劣环境的农作植物品种。

制药业

可重新改造细菌及酵母，达致低成本制药的目的，例如采用经基因重组的细菌生产抗疟疾及降胆固醇药物。上述过程将有效大幅降低生产成本，从而将药物推广于发展中国家的庞大市场。

医疗

重整人类细胞，与人体组织及器官作更佳结合；而细菌及人类免疫细胞则可获转用于发展多项针对不健全细胞及组织的疗法，有助对抗癌病及一些遗传病。

参考资料：

《合成生物学导论》宋凯编著黄熙泰主审

科学出版社