合成生物学

在群体感应系统中，细菌产生并向环境中释放一种被称为自诱导剂的化学信号分子，其浓度随细胞密度的增加而增加。细菌能够感受不同浓度自诱导剂信号分子的刺激而改变基因表达模式。

合成生物学

• 第一章 合成生物学概述
  • 合成生物学起源与发展
    • 定义
      • 合成生物学是以生物学，化学工程，电子工程，信息学，计算科学等相关学科发展为基础的一门新兴多学科交叉的工程学科。是以工程化的设计理念，采用标准化的生物元件和基因线路，在理性设计原则指导下组装并合成新的具有特定功能的生物系统。
    • 研究策略
      • 自下而上（bottom-up）
    • 原则
      • 标准化
      • 正交化
      • 模块化
  • 合成生物学的工程学特质
    • 工程化特质
      • 标准化
      • 模块化
      • 系统化
    • 研究范畴
      • 生物基因组的合成
      • 基因组的最小化
      • 基因线路的设计与构建
      • 合成代谢网络生产药物与生物基产品或材料
      • 人工合成生态系统（多细胞体系）
• 第二章 合成生物学原理
  • 解析思路
    • 解耦
      • 解耦是一种解决问题的思路，旨在将一个复杂的问题拆分成许多相对简单并且能够独立处理的问题
    • 抽提
      • 抽提是利用抽象的层次模型，通过不同水平的复杂程度描述生物功能的信息，在每一个水平的工作不需要考虑其他水平的细节
    • 标准化
  • 标准化及定量化
    • 生物积块
      • 生物积块是指经过标准化处理，具有标准的酶切位点的生物模块
    • 连接方法
      • GGA（ggtctcn）
  • 层级化
    • 生物元件
    • 生物装置
    • 生物系统
      • 传感——传导——执行
    • 多细胞交互与群体感应
      • 群体感应
        • 定义：基于细胞群密度波动的基因表达调控
      • 在群体感应系统中，细菌产生并向环境中释放一种被称为自诱导剂的化学信号分子，其浓度随细胞密度的增加而增加。细菌能够感受不同浓度自诱导剂信号分子的刺激而改变基因表达模式。
  • 逻辑结构
    • 基本逻辑结构
      • 串联结构与并联结构
      • 单输入结构
      • 多输入结构
      • 前馈结构
        • 一致前馈
        • 不一致前馈
      • 反馈结构
    • 组合逻辑结构
      • 前馈——反馈结构
      • 多层反馈结构
      • 反馈——单输入结构
  • 设计原理
    • 模块化设计的三个特征因素
      • 信息隐藏
        • 信息隐藏是指在设计和确定模块时，一个模块中包含的信息，对其他不需要这些信息的模块来说是屏蔽的，相互独立的模块彼此间只交换为了完成系统功能所必需的信息
        • 信息隐藏的目的是为了避免某个模块的行为干扰到同一系统中其他模块
      • 内聚——耦合
        • 强内聚是指模块内部组分之间的依赖性强
        • 弱耦合是指模块与模块之间的依赖和相互作用弱
      • 封闭性——开放性
        • 封闭性是指一个模块可以作为一个独立体来应用
        • 开放性是指一个模块可以被扩充
    • 合成基因网络的工程化设计原理
      • 设计——构建——评估——优化
• 第三章 合成生物系统的基因线路
  • 基因线路调控元件
    • 启动子
      • 组成型
        • 一直启动转录
      • 调控型
        • 激活
          • pBAD
          • pLux
        • 抑制
          • pLac
          • pTet
      • 定义
        • 启动子是指一段可与RNAP特异性识别并结合的DNA序列，启动词本身并不控制基因活动，而是通过与RNAP及调节蛋白的相互作用实现基因转录的开启或关闭
    • 终止子
      • 定义
        • 终止子指是位于基因编码区下游，能够给予RNAP终止转录信号的特殊DNA序列
      • 分类
        • 内在终止子
        • 依赖ρ因子的终止子
    • 弱化子
      • 定义
        • 弱化子是指原核生物操纵子中能显著减弱甚至终止转录作用的一段核苷酸序列
    • 增强子
      • 定义
        • 增强子是指位于结构基因附近，能够明显增强该基因转录活性的一段DNA序列
    • 阻遏子
      • 定义
        • 阻遏子是一种调控蛋白质，在原核生物中具有抑制特定基因产生特征蛋白质的作用
    • 绝缘子
      • 定义
        • 绝缘子是在基因组内建立独立的转入活性结构域的边界DNA序列
    • 核糖体结合位点（RBS）
      • 定义
        • 核糖体结合位点是mRNA上的起始密码子AUG上游的一段非翻译区，核糖体可以识别并结合这一序列来启动翻译过程。
    • 转录因子（TF）
      • 定义
        • 转录因子是指可以结合到特定DNA序列进而调控遗传信息从DNA到mRNA的蛋白质。
      • 转录因子分为激活型和抑制型，阻遏蛋白属于转录因子中的一种
  • 基因线路
    • 逻辑门
      • 与门（AND）
        • 输入信号两个为真，输出为真
      • 或门(OR)
        • 输入信号有一个为真，输出为真。
      • 非门(NOT)
        • 输出相反信号，通常为抑制型启动子
      • 与非门(NAND)
        • 先进行与门计算，再进行非门计算
      • 或非门(NOR)
        • 两者为真，输出为假，两者为假，输出为真，一真一假，输出为假
    • 开关
      • 转换开关
        • 类似非门，输入为低，输出为高
      • 双相开关
        • 基因本身转录既有正调控作用又有负调控作用，例如在蛋白浓度低时，促进基因的转录，蛋白浓度高时，抑制基因转录表达。（属于双相的启动子）P60
      • 核糖开关
        • 利用RNA的构象的改变来实现开关的功能，与适配体结合改变自身结构，在转录或翻译水平上行使基因调控的功能
      • RNA开关
      • 双稳态开关
        • 双稳态开关，由两个启动子组成，每个启动子的开和关状态之间具有明显的界限，只有通过瞬时的诱导因素变化才能切换基因拨动开关至其中一个稳态，且在移除其输入刺激后能维持原来的状态。P62
  • 基因线路调控方式
    • 基因线路纠错
    • 基因线路放大
  • 基因线路实例
    • 振荡器P63
    • 细胞记忆基因线路
    • 光控开关与生物成像
• 第七章 合成生物学建模与计算机辅助工具
  • 建模目的
    • 解决研究问题
    • 假设
    • 简化和改进
    • 参数测量
  • 分析方法
    • 机理法（推理法）
    • 统计法
    • 类比法
  • 成功模型的优点
    • 准确（accaracy）
    • 可预测性（predictability）
    • 重复可用性（reusability）
    • 简化（simplicity）
• 第六章 无细胞合成生物系统
  • 理念与设计原理
    • 无细胞合成生物学是在体外实现生物学中心法则的工程科学
    • 直接体系控制
      • 基因调控
      • 底物调节
    • 原位检测和产品获取
    • 加速DBTL周期
    • 毒性物质忍耐性
    • 扩展生命化学
    • 经济性
    • 效率
    • 高通量
  • 分类
    • 基于细胞提取物体系(cell extract)
    • 纯化体系（PURE system）
    • 多酶体系（Enzyme system）
  • 工程改造
    • 系统优化
      • 产品得率
        • 延长反应体系活性维持时间：可从高密度发酵中获取活性提取物
        • 提高蛋白质合成稳定性：敲除基因组上不利于蛋白质合成的基因
        • 通过连续补料操作模式提高最终产量
      • 生产成本
        • 利用更便宜的化合物用于能量的生成
      • 工业放大化
    • 基因模板
    • 蛋白质合成
    • 小分子合成
    • 人工细胞
• 第五章 合成生物系统的调控与优化
  • 单点调控与优化
    • DNA水平
    • RNA水平
      • 通过修饰启动子来调控转录效率（转录调控）
        • 启动子类型
        • Inducers(诱导剂)
        • 泄露
        • 强度
        • 启动子工程→产生更多启动子（不同强度）
        • 复合型启动子
        • 终止效率
        • 转录背景
          • 转录方向问题
      • 通过优化RBS与UTR来调节转录效率
        • UTR即非翻译区，是mRNA分子两端的非编码序列
      • 通过核糖开关（Riboswitch）来调节转录效率（翻译调控）
        • 改造RBS
        • tRNA密码子优化（密码子使用频率）
        • Riboswitch
          • 基于大分子/小分子适配体（aptamer）
        • Riboregulators——Toehold switches
          • 基于一小段设计好的DNA触发开关的打开（trigger）
• 第四章 合成生物系统的设计与组装
  • 设计
    • 底盘细胞选择
      • 遗传可操作性和稳定性
      • 需要有特征明确且可控的代谢工程模块，从而可以实现对表型有目标的调控
      • 还要尽可能具备以下特性：1.能够在含有廉价碳源的基础培养基中生长。 2.生长周期短，能够短时间内实现生物个体的快速增殖和目标产物的生产 3.代谢率高 4.发酵过程简单 5.具有强大的环境适应性 6.对高浓度底物和产物具有耐受性
    • 所需元件和途径挖掘
      • 天然宿主的高通量测序技术
      • 天然宿主的转录组测序/蛋白质组学分析
      • 天然宿主的代谢途径的分析
      • 其他技术手段的辅助
    • 计算机辅助设计
  • 组装与构建
    • 转录单元的合成组装
    • 多基因代谢途径的构建
      • 选择质粒载体时，需要考虑以下三个方面的因素： 1.质粒拷贝数 2.筛选标记 3.多克隆位点
    • 染色体和基因组的组装
    • 合成生物系统的构建
  • 优化
    • 单一基因
      • 可以利用不同的调控元件实现基因表达水平的优化，包括启动子，RBS，终止子和适配体等
    • 多基因途径
    • 基因组优化
  • 分析与筛选
    • 分析技术
      • 高效液相色谱——串联质谱法
      • 测序
      • 流式细胞仪
    • 筛选技术
      • 计算机分析（in silico）
      • 体外（in vitro）
      • 体内（in vivo）
  • 设计——构建——测试——学习（DBTL）