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2010 年 5 月 20 日，《科学》杂志在线版包含关于布朗运动和引力波、小 RNA 和药物输送的文章——感兴趣的项目缩小切片研究界。不过，一篇文章立即引起了全世界的关注。这份题为\"由化学合成基因组控制的细菌细胞的创造”的报告详细介绍了世界上第一个\"合成细胞”，并立即受到赞扬和批评。监管机构和美国总统巴拉克奥巴马也参与其中。得益于 DNA 合成和基因组操作的进步，该研究仅仅是一个原理验证：丝状支原体 JCVI-syn1.0 没有实际的科学或商业价值。然而，它的钴蓝色菌落代表了一个全新的、以前无法想象的生物学分支的活生生的体现。欢迎光临o 合成基因组学时代。作者：Jeffrey M. Perkel

\"合成基因组学”，麻省理工学院 J. Craig VenterInstitute (JCVI) 的一份报告，介绍了合成基因组学：治理的选择技术，以及战略与国际研究中心，\"将 DNA 的化学合成方法与计算技术相结合来设计它。”这听起来与标准分子生物学研究人员几十年来一直在做的事情并没有什么不同，在某些方面，事实并非如此；不同之处在于设计和工程敏感性的结合——更不用说科学的规模了。 \"这些方法使科学家能够构建使用更传统的生物技术方法生产不可能或不切实际的遗传物质。” （请参阅报告，www.jcvi.org/cms/research/projects/syngen-options/overview/）

研究人员一直在提出不同的观点多年以来，一直在研究基因、克隆基因和设计新型生物电路。他们甚至可以移植生物通路，使用波士顿大学合成生物学家和霍华德休斯医学研究所研究员詹姆斯柯林斯所说的\"类固醇基因工程”。（正如 JCVI 的报告所指出的，\"在合成基因组学和更传统的生物技术方法之间没有明确和明确的界限。”）但这可能是一个漫长、费力的过程；据 J. Craig Venter 估计，杜邦公司开发的微生物可以将葡萄糖转化为丙二醇，丙二醇是该公司 Sorona 合成聚合物的前体，需要\"10 年时间和超过 1 亿美元”。那只是一种途径；从头开始重写生物操作系统是完全不同的事情。

进入合成基因组学。在基因构建、宏基因组学和生物电路设计进步的推动下，研究人员正在诱导微生物做事这在以前是不可能的——尽管还没有达到基因组规模。但这很快就会改变；柯林斯说，在不远的将来，设计一个功能最少的基因组、折叠新的或所需的生化电路、合成 DNA，然后进行是可能的。文特尔成立了一家公司来做这件事； Synthetic Genomics 正在利用这项技术开发能够更快、更便宜、更好的生物燃料和农产品的藻类，并于 2009 年与埃克森美孚研究与工程公司达成了一项价值 3 亿美元的交易以推进这一目标。但他们还没有。 \"在我看来，”文特尔说，他的同名研究所进行了合成细胞工作，\"这是对照实验。我们现在处于第一阶段。”

The Synthetic Cell

Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 是 Venter、Clyde Hutchison、Hamilton Smith 和大约两打人耗时约 15 年、耗资 4000 万美元努力的产物JCVI 的其他人。该团队首先测序，然后化学合成了丝状分枝杆菌的基因组，然后将其插入到相关生物体山羊支原体中。用合成生物学的说法，山羊支原体充当\"底盘”——微生物的外壳。加载了其近亲的基因操作系统，然后\"重新启动”以产生活的合成细胞。

生物伦理学家亚瑟·卡普兰 (Arthur Caplan) 在《自然》杂志上撰文，称这项工作是\"人类历史上最重要的科学成就之一”。其他人则更为慎重；《纽约时报》科普作家尼古拉斯·韦德称这项研究是\"规模问题，而不是科学突破”。英国的《每日邮报》在标题的细微差别中（同时援引了威尔·史密斯电影《我是传奇》中的全球大流行的幽灵）宣称：\"科学家被指控在通过制造设计师微生物创造人造生命后扮演上帝从头开始——但是 c它会消灭人类吗？”

这个问题的答案无疑是否定的；文特尔的团队只是概括了丝状支原体的基因组（添加了一些\"水印”和其他小的基因调整）并将其移植到近亲的功能膜和细胞质中。如果 M. mycoides 不能消灭人类，它的实验室培育的表亲也不能。

为了构建基因组，Venter 和他的团队求助于 BlueHeron（2010 年被 OriGene Technologies 收购）。大多数寡核苷酸合成公司专门生产成千上万的聚合酶链反应引物，Blue Heron（以及其他基因合成公司，包括 GENEART、Gene Oracle 和 DNA 2.0）已经掌握了合成相对较长、完全准确的序列并将它们串在一起的技术以数百到数千个碱基的数量级创建基因大小的片段。 Venter 的小组订购了 1,078 个 1-kb 的\"盒式磁带”，这是e 丝状支原体基因组。

该团队已经证明他们可以组装完整的基因组，并成功构建了一个完整的功能病毒（5-kb phiX174）和一个细菌基因组（583-kb M. genitalium）。他们还表明，他们可以将天然（即非合成）染色体从一个细胞移植到另一个细胞。下一步，合成基因组并移植它，应该很简单。然而，根据文特尔的说法，这个过程涉及\"发明一个接一个地发明做事的新方法”——从合成和重组到处理细菌限制系统的一切。甚至 DNA 操作也被证明是有问题的。 \"如果没有移液撕裂 DNA 的剪切力，你不能移液整个染色体，”他说；因此，该团队开始将其 DNA 转移到琼脂糖栓周围。

该团队使用 Blue Heron 的合成盒，通过酵母中的逐步同源重组组装基因组，首先构建 10-kb 片段，然后构建 100-kb，最后构建完整的 1,077,947-bp 染色体。突出准确 DNA 合成的重要性，dnaA 编码序列中的一个错误使团队推迟了三个月。

最后，单个亮蓝色菌落标志着成功。收到项目负责人丹·吉布森 (Dan Gibson) 的消息后，文特尔说她感到\"兴奋和欣慰……实际上有成千上万的障碍需要克服。”

生物学的问题

文特尔将由此产生的有机体称为\"合成细胞”，而用于制造它的技术应用涵盖了从生物工程到基础生物学的各个领域。 New England Biolabs 的首席科学官 RichardRoberts 提供支持合成生物学的试剂，他提出了一种可能的用途：设计一种生物体，其中 64 个三联体中的一个被重新分配给一些新的非天然氨基酸。这将需要一个完整的基因组重写，以及插入一个其他机器，例如新的氨酰-tRNA 合成酶。 \"这不是你可以通过诱变或任何简单的基因工程方法来做的事情，”他说。

不过，首先，研究人员必须加强他们的生物学研究。基因组测序和宏基因组学的努力已经使数据库填满，以至于溢出具有新基因，但研究人员根本不知道它们中的许多是做什么的。甚至连控制这些活动的调控层都没有很好的理解。基因组调控中心 - 欧洲分子生物学实验室 (CGR-EMBL) 的博士后研究员 Raik Grünberg 说，Venter 的研究开发合成生物电路的巴塞罗那系统生物学部门不仅强调了技术发展，还强调了研究人员的生物学无知。\"这表明我们现在可以编写基因组。但与此同时，每个人都意识到……我们真的不知道该做什么写。”

另一个问题是我在纸上画一条直截了当的路径是一回事；让它在实践中发挥作用是另一回事。与那些图纸所基于的电路不同，生物学根本不是二元的，而是随机的。例如，启动子不是 100% 打开或关闭，而且运算符序列也不完全相同。 \"设计一个看起来像原理图的合成基因电路可能只需要几天或几周的时间，”柯林斯说，\"但可能需要几个月的时间才能真正构建它，使其发挥预期的作用。”接下来不可避免的是柯林斯称之为\"事后调整”的时期。

\"这是我们大多数人花费大部分时间的地方，”他说。

努力可以然而，随着微生物的生物工程可以合成青蒿酸（抗疟药青蒿素的前体），它会带来巨大的回报。青蒿素是一种萜类化合物，通常从艾草中提取，是一种长和昂贵的过程。加州大学伯克利分校教授 Jay Keasling 领导了这项工作，该工作花费了十年的大部分时间，以提供一种快速、可靠和低成本的药物来源。他说，微生物衍生的青蒿素最终可能只花费十分之一原生材料。 \"我们每年可以拯救 50 万儿童，”基斯林说。

Keasling 的团队首先将酵母甲羟戊酸类异戊二烯途径和合成（密码子优化的）吗啡二烯合酶基因移植到大肠杆菌中，创造出一种能够将糖转化为青蒿酸前体吗啡二烯的菌株。下一个生物合成步骤是一系列氧化反应，所有这些反应都需要细胞色素 P450。该团队遇到了绊脚石，因为该酶的身份未知。但幸运的是，通过一些比较基因组学，该团队克隆了必要的基因并将其转移到酵母中，产生了一种可以产生青蒿酸的菌株。决赛步骤是将整个途径迁移回大肠杆菌。

根据 Keasling 的说法，这项工作得到了比尔和梅琳达盖茨基金会 4200 万美元的支持，代表了多年来对启动子和核糖体结合位点、RNA 稳定元件和转录因子操纵基因进行基因修补的成果。他说，一个关键问题是其中一种中间体（羟甲基戊二酰辅酶 A）实际上对大肠杆菌有毒。一旦团队确定了该步骤，他们就会通过抑制生物合成酶和激活利用酶来对其进行调整。他们还构建了一种合成蛋白支架——一种生物装配线——以\"引导”代谢中间体从一种酶到另一种酶，并防止它们积累，从而将产量提高了 75 倍。罗伯茨说，整个过程代表着\"可能……迄今为止最复杂的基因工程壮举。”

Keasling 许可了这项工作-关闭名为 Amyris Biotechnologies 的公司，后者又将其授权给 SanofiAventis。 \"现在，他们正在扩大这个过程，我们应该在今年年底或明年初推出青蒿素，”他说。

RNA 解决方案

生物工程的这些壮举凸显了合成生物学的力量。然而，它们几乎普遍依赖蛋白质介导的调节，也凸显了它的一个缺点。她说，自然生物系统\"有非常复杂的调节策略在起作用。他们将不同的机制分层——不仅仅是转录，还有基于 RNA 的机制和翻译后机制。所以一切都受到非常严格的监管。”

例如，基于 RNA 的监管机构具有不同的动力学，比蛋白质更具可塑性，具有相对简单的折叠规则和一个研究友好的模块化架构。它们对细胞的能量负担也更小。 \"当我们开始考虑基因组设计时，”Smolke 说，\"[例如] 整个系统的能源成本以及运行所有你想真正进入其中的程序需要多少能源，这些问题变得很重要。”

Smolke 的实验室构建了能够合成苄基异喹啉生物碱（另一类具有药理学意义的植物衍生化合物）的微生物，正在开发调节 RNA 模块，以尝试将一些微妙之处纳入其合成电路。在去年 11 月发表在《科学》杂志上的一份报告中，她的团队描述了具有内置 RNA 模块的合成微型基因，这些模块在检测到一种或多种细胞信号蛋白的存在时，会诱导一种选择性剪接事件，从而上调或下调荧光报告基因或促凋亡基因。

根据 Smolke 的说法，监管模块 c包含三个元素——一个传感器、一个执行器和一个连接两者的信息处理器——所有这些都包含在一个编码输出基因的三外显子、两个内含子合成结构中。她说，这种方法是完全可推广的。她的团队使用这种方法使细胞对通过疾病途径发出的信号作出反应，但它可用于例如控制有毒代谢物；研究人员所需要做的就是将一个传感元件换成另一个。甚至执行器也是模块化的； Smolke 的实验室使用了 microRNA、反义 RNA，甚至核酶。

此类监管机构可以帮助研究人员对合成系统进行更精细的控制。但它们也为设计新基因组的人增加了另一层复杂性。进入加州大学旧金山分校的生物学家克里斯托弗·沃格特。 Voigt 一直在从合成 DNA 和大肠杆菌中设计逻辑电路，例如 NOR 和 XOR 门。

然而，电路只代表了编程问题的一半好吧，Voigt 说；另一半是软件。正如计算机程序员宁愿使用 C++ 等高级语言编写代码也不愿使用计算机的 1 和 0 一样，用高级语言指导 DNA 合成器也比使用 As、Cs、Gs、和 Ts——尤其是在编写基因组大小的序列时。

Voigt 现在正与 Life Technologies 合作开发一种\"遗传编译器”和用于对合成基因组进行编程的语言。编译器会将人类可读的指令简化为一系列基本组件，然后可以在计算机中将它们串在一起并在体外合成。 \"Life Technologies 的想法是在你编写遗传代码的地方使用它，比如 C++，[软件] 将它转换成他们为你合成的 DNA 序列，”他说。

至少在短期内，大多数此类工作将继续在单个电路和通路的级别上完成。但是技术在发展，随之而来的是科学ce本身。新的生物远景已经打开。 CRG-EMBLSystems 生物学部门负责人（也是 Grünberg 的顾问）Luis Serrano 说，\"如果你能从头开始制作基因组，现在人们就可以玩了。通过玩耍，您可以学习。通过学习，我们将来能够更好地设计 [基因组]，甚至从头开始设计它们。”

Jeffery M. Perkel 是爱达荷州波卡特洛的自由科学作家。DOI： 10.1126/science.opms.p1100053

特色参与者

Amyris Biotechnologieswww.amyrisbiotech.com

Bill and Melinda GatesFoundationwww.gatesfoundation.org

Blue Heronwww.blueheronbio.com

波士顿大学www.bu.edu

战略与国际研究中心www .csis.org

基因组调控中心pasteur.crg.es/portal/page/portal/Internet

DNA 2.0www.dna20.com< /p>

杜邦www.dupont.com

欧洲分子生物学实验室www.embl.org

ExxonMobil Researchand Engineeringwww.exxonmobil.com