1、基因合成及工業(yè)酶分子改造中的應(yīng)用第1頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二第2頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二第3頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Theory of evolution第4頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二 WHAT I CANNOT CREATE, I DO NOT UNDERSTAND R. FEYNMAN第5頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二第6頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二WHAT IS SYNTHETIC BIOLOGY?

2、什么是合成生物學(xué)Synthesis:The combination of separate elements to form a coherent wholeSynthetic biology:The design and construction of new biological parts, devices, and systemsThe re-design of existing, natural biological systems for useful purposes.第7頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Parts Devices Systems第8頁，

3、共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Synthetic biology seeks to understand and design biological systems and their components to address a host of problems that cannot be solved using naturally-occurring entities.Enormous potential benefits to medicine, environmental remediation and renewable energy.Need the

4、ability to write a blueprint第9頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二第10頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二SYNTHESIS OF PEPTIDESolid-phase peptide synthesis (SPPS)Merrifield RB. JACS 1963, 85: 21492154.R.B.MerrifieldNobel Prize, 1984第11頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二SYNTHESIS OF THE CRYSTALLINE BOVINE INSULIN1953, du

5、 Vigneaud, Oxyton (催產(chǎn)素, eignt peptide). 1955, Noble Price, 1958，A part of Corticotropin (促腎上腺皮質(zhì)激素)1965, Synthesis of Bovine insulin 第12頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二 The DNA PIONEERS第13頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二The Historic Weekend of Feb 15-16, 2001第14頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二GENE SYNTHESIS:T

6、HE METHOD AND STRATEGY基因合成的方法和策略第15頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二OLIGONUCLEOTIDE SYNTHESIS Solid-phase synthesis Step 1: De-blockingStep 2: CouplingStep 3: CappingStep 4: OxidationAt the end of the chain assembly, the oligonucleotide is released from the solid support and eluted from the column第16頁，共

7、60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二TGTGAACGTATGCTTCAGCTGCTAAGCTGAGACTGAGCTGA (60 bp)Genome size = 4,600,000 bp Strategy第17頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二GENE SYNTHESIS STRATEGYLigation - incredibly tedious and inefficientDual asymmetic PCRAssembly PCRTwo-step PCRKary B. Mullis, Michael SmithThe Nobel Prize, 19

8、93第18頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二A yeast alanine transfer RNA (77 bp)(a) The chemical synthesis of 15 polydeoxynueleotide segments ranging in length from 5 to 20 nucleotide units(b) Ligase-catalyzed covalent joining of several segments to form three parts of the duplex, (c) Joining of the three par

9、ts to construct the entire duplex. Agarwal KL. et al. Total synthesis of the gene for an alanine transfer ribonucleic acid from yeast. Nature 1970, 227: 27-34.LIGATION- incredibly tedious and inefficient第19頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二ASSEMBLY PCR第20頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二The methods to synthe

10、sis the DNA with size around 2 kb are mature第21頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二What is the next ?Goal: build a working cell that uses a synthetic genome 第22頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Now we have 14 “perfect” 750-mersWe need to assemble the 750-mers into one 10 kb pieceWe need them to go together in e

11、xactly the right order and orientationWe need an “Assembly reaction”1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1410 kilobases第23頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二On a limo to Milano,Solo gigolos dont nod.Dont nod, solo gigolos,On a limo to MilanoTo understand this next part you need to understand aboutpalindromic poe

12、m.第24頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二A typical “palindromic overhang” is generated by most restriction enzymesEcoRI cuts the DNA sequence 123GAATTC456 123CTTAAG456123G123CTTAAPPAATTC456 G456into.第25頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二View of the assembly reaction+ Joining enzyme第26頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期

13、二Chemical synthesis the poliovirus, 2002RNA virus Genome size = 7.5 kb第27頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Flowchart indicate the synthesis of poliovirus第28頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Gibson et al. Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome. Science. 2008( 600,

14、000 bp in yeast)Chemical Synthesis of Mycoplasma genitalium Genome(支原體)第29頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二第30頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二And extending the principles of design and construction to whole organismsMycoplasma mycoides JCVI-sym1.0 (Genome = 1.08 Mb )第31頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Figure 1

15、Science (2010) 329: 521.0WTDigests of genome plugs第32頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二ConclusionsAccording to Jim Collins (BU):“This is an important advance in our ability to re-engineer organisms, not make new life from scratchAlthough some of us in synthetic biology have delusions of grandeur, our goa

16、ls are much more modest. 第33頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二第34頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二第35頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Applications of Synthetic Biology合成生物學(xué)的應(yīng)用第36頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Biological workspaceMicrobesMammalian cellsPlants.Broader applicationsTherapeutics (Pharmaceuticals, Biolo

17、gics)Energy (esp. Fuels)ChemicalsAgriculture.第37頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Achievements in Synthetic BiologyTherapeutics青蒿酸第38頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二青蒿酸第39頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Achievements in Synthetic BiologyFuels第40頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Achievements in Synthetic BiologyFuels

18、with the power of synthetic biology.第41頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二The work we have done and what we are doing我們所做的工作 Industrial enzymes, enzyme engineering, molecular modification and applications工業(yè)酶，酶工程，分子改造以及應(yīng)用工藝研究第42頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Optimization on processMolecular modificationEnzym

19、e engineeringImprove expression level,Enhance the tolerant to temperature and alcoholImmobilization, chemical modificationEnhance reaction efficiency Aims:第43頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Enzyme immobilization酶固定化Cao X, Yang J*, et al. Process Biochem 2009, 44, 177182Yang J, Liu L, Cao X. Enzyme Micr

20、obial Technology 2009, 46 (3): 257-261.sol-gel； B. sol-gel/Bioimprinting; C. porous resin; D/E. Sodium alginate; F. sol-gel/Sodium alginate第44頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Protein ExpressionProtein/Structure Independent Factors: promoters and upstream elements translational initiation and termination

21、 mRNA stability codon biasProtein/Structure Dependent Factors: folding and aggregation proteolysis and degradation secretion and localization舒正玉, 王愛玲, 楊江科, 等. 工業(yè)微生物, 2007, 37(3):1-6第45頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Codon BiasE.coliP.pastoris第46頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二Continuous mutation technologyOverlap extension PCRGCATATATXu L*, Jiang X*, Yang J*, et al. Biotechnol Lett. 2010, 32(2):269-276.第47頁，共60頁，2022年，5月20日，22點19分，星期二De novo gene design and synthesisCodon optimization；mRNA secondary structure and complexityRe-design the active sites and the conformation第48頁，共60頁