“生工小课堂”|合成生物学原理

来源：南京工业大学生物与制药工程学院

合成生物学以系统化设计和工程化构建为原理，解析思路分为“自上而下”的逆向工程和“自下而上”的正向工程。前者目的是为了获得工程化的标准模块，后者是为了得到具有预期功能的生物系统。

但是在研究的过程中肯定会有一些问题，解决这些问题的思路我们叫做解耦，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。天然存在的生物系统是相当复杂的，一般性法则以外的情况的特殊情况不断发生，面对这种情况，我们采用“抽提”这种有效技术，能保证具有很多生物工程组件的生物系统能够达到预期的表现。生物中也讲究标准化，但是标准化的概念比较宽广，在不同领域有不同概念。现代生物学围绕着“中心法则”这一个大多数天然生物系统运行的核心规律，发展出了许多被广泛采用并认可的标准。

生物积块

生物积块即标准化生物模块，就像建筑行业的砖块和IT行业的零件一样，生物积块有大有小。小的生物积块通常是具有一定功能的DNA片段，比如一个启动子或者一个终止子；大一点的可以是由几个生物元件组成的基因调控路线，就是生物装置；更大的甚至是生物系统。生物积块的构建是为了实现在活体细胞内标准化组合，搭建具有相应功能的生物模块从而构建生物系统。总而言之，只要是经过标准化处理，具有标准的酶切位点的生物模块，都可以称为生物积块。

生物积块的连接

每一个生物积块都具有相同的前缀和后缀，前缀中包括EcoRl和Xbal两个酶切位点，后缀中包括Spel和Pstl两个酶切位点。有了上述4个酶切位点，需要组装的部分分为插入片段和载体两部分。

生物元件

生物元件是合成生物系统中最简单，最基本的生物积块，能够通过标准化的组装方法组装成更复杂的生物模块。按照功能又分为启动子，终止子，核糖的结合位点以及操纵子。在合成生物系统的设计中，可以通过组合具有生物学功能的基本设计单元生物元件设计更复杂的生物装置。生物系统是具有互连功能的可执行复杂任务的一组生物装置。在细胞群体中，即使是完全相同的非通信单元的行为也不会相同，更不用说协调一致。而在多个细胞之间构造人造细胞的通信系统，实验多细胞的交互，可以提高生物系统的功能性，并且克服单一个体的可靠性的缺陷。

反馈

前馈结构也叫预先结构或提前结构，在偏差出现之前就采取控制措施，反馈又称回馈，指系统的信号输出反过来影响系统的输入，并进一步影响自身的一种控制机制。输出对输入有影响可能会导致最终输出的降低，称为负反馈。输出对输入的影响导致最终输出增加时，为正反馈。以基因调节为例，正反馈调节的作用是增强目的基因的表达，负反馈的作用是减弱目的基因的表达。前馈--反馈调节可以在一个基因线路中同时使用，用于中间产物的调节或基因线路噪声的降低。但在生物系统中的基因调控往往是多层正反馈，多层负反馈或者正，负反馈交叉耦合的。

合成生物学的一个重要目的是通过合理设计基因线路来揭示天然生物系统的设计原则。基因线路的信号输入可以分为单输入结构和多输入结构。

在单输入结构中，只有一个主模块作为下一模块的输入。

多输入结构也称为密集交盖调节网，不同于单输入结构的在于一组调控因子共同控制一组基因。

合成生物学的一般流程先是系统的设计与构建，然后到新的标准化的生物元件，装置和系统，最后在应用到不同的领域。合成生物学的两种模型的框架类型，一个是确定性数学模型，还有一个是随机数学模型。需要注意的是任何模型都包含几个不代表系统状态的变量，但它们的值控制模型中方程的动力学。这些变量包括反应速率常数，平衡常数，扩散性和其他物理性质，这些被称为模型的“参数”，而不是“状态变量”，例如表示系统状态的物种浓度。。

合成生物学经常被定义为工程设计原理在生物学中的应用，它强调“设计”与“重设计”，设计，模拟和实验是合成生物学的基础。合成生物系统的设计包括生物模块的设计及基因组的设计，合成与组装，其中又包括生物元件标准化及生物模块的设计与构建，基因组的设计，合成与组装。

本期合成生物学小课堂就到这里啦！

我们下次再见！

编辑| 杨会玲

图文|生工学院学生会新闻传媒部

校稿|施有禄

审核| 吴杰