一．合成生物學(xué)概述
合成生物學(xué)是一門(mén)在生物學(xué)科中較新的領(lǐng)域，從概念的提出到目前的發(fā)展也不過(guò)十幾年之久，其目的是把工程學(xué)的理念和思想引入到生物學(xué)當(dāng)中來(lái)。作為一門(mén)交叉型學(xué)科，其融合了生物學(xué)，化學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，工程學(xué)，物理學(xué)等多個(gè)學(xué)科，目的是將這些學(xué)科的概念和知識(shí)整合起來(lái)，達(dá)到更高效，更加經(jīng)濟(jì)，更加精確的按照人類的意志創(chuàng)造出對(duì)于有益的產(chǎn)品或者有特殊功能的生物體。
對(duì)于傳統(tǒng)的生物學(xué)都屬于“分析生物學(xué)”，研究主題是理解自然演化出來(lái)的生物，其遵循up to bottom的思想，就是從上到下的思想，舉例來(lái)說(shuō)，就是給研究者們一個(gè)細(xì)胞或者物質(zhì)，這些研究者們根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和方法對(duì)其進(jìn)行剖析研究。而對(duì)于合成生物學(xué)來(lái)說(shuō)，是一種Bottom to up從下到上的思想，從創(chuàng)造或者改造最基本的細(xì)胞組件開(kāi)始，再對(duì)其進(jìn)行組裝或者組合，最終目的是使其成為一種對(duì)人類有使用價(jià)值的一個(gè)生物整體。而這個(gè)“價(jià)值”是可以隨著人類的意志和需求改變的，定向的創(chuàng)造出我們確切需要的產(chǎn)品。隨著合成生物學(xué)概念的出現(xiàn)到現(xiàn)在的飛速發(fā)展，很多領(lǐng)域都可以利用到合成生物學(xué)，例如工業(yè)，醫(yī)學(xué)，能源，環(huán)境，建筑等。
二．合成生物學(xué)定義
合成生物學(xué)定義可以分為兩個(gè)概念：
(1) 對(duì)自然界中不存在的生物原件或者生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和組裝。
(2) 對(duì)于現(xiàn)有生物系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)或者建造。
貫穿合成生物學(xué)的三個(gè)核心的詞匯: part (部件)，device (裝置) and system (系統(tǒng))
將電腦中的hierarchy來(lái)類比合成生物學(xué)中part，device和system的概念。
?首先對(duì)于電腦來(lái)說(shuō), 一些簡(jiǎn)單的二極管電阻等是組成電腦部件的最低級(jí)單位，在生物學(xué)中DNA和一些蛋白質(zhì)就是組成part的單位。
?這些part在往上就會(huì)組成device, 在電腦中就是一些電路板, 在生物學(xué)中可能就是某種細(xì)胞代謝通路, 這些device的功能都是由最基本的parts支撐的。
?最終由devices就可以組成一個(gè)systems(系統(tǒng)), 這個(gè)系統(tǒng)可以行使人類所特別設(shè)定的功能, 在電腦科學(xué)里面來(lái)說(shuō)就是一個(gè)電腦, 在生物學(xué)中來(lái)說(shuō)就是一個(gè)細(xì)胞或更高等的單位。
當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)被組成后, 這個(gè)系統(tǒng)就可以行使功能。
在parts, devices和systems的創(chuàng)建過(guò)程當(dāng)中要基于工程學(xué)的思想。合成生物學(xué)的奠基人之一Drew Endy 在2005年的paper:
?首先, 標(biāo)準(zhǔn)化(在一些文章中也用Modularization來(lái)闡述相似的概念) 指在創(chuàng)造或者改造相應(yīng)的生物學(xué)部件時(shí)，一定要進(jìn)行對(duì)于部件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置，這樣一個(gè)人創(chuàng)造出來(lái)的部件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置就可以被所有研究者重復(fù)使用, 最基本的part的標(biāo)準(zhǔn)化可以大大提升上面device和system的兼容性和標(biāo)準(zhǔn)性。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō), 在合成生物學(xué)中最盛大的全球賽事iGEM比賽當(dāng)中, 所有參賽隊(duì)伍被要求提交標(biāo)準(zhǔn)化之后的parts, 簡(jiǎn)而言之, 就是在parts的兩邊加上統(tǒng)一的prefix和suffix，其中包含了統(tǒng)一的酶切位點(diǎn), 這樣一個(gè)part就可以被反復(fù)使用, 大大提升了研究的效率。Fig.4 則顯示了提交標(biāo)準(zhǔn)化的part, 當(dāng)一個(gè)part被創(chuàng)造或者重新設(shè)計(jì)出來(lái)后, 就可以提交在這個(gè)網(wǎng)站上, 其他人就可以使用了。
?其次，所謂的decoupling(去耦合) 就是把一個(gè)復(fù)雜的事物進(jìn)行拆分, 從而得到其中簡(jiǎn)單的片段進(jìn)行逐一分析, 大大的增加了處理復(fù)雜問(wèn)題的效率。
?最后一點(diǎn)就是abstraction(精簡(jiǎn)化), 與上一點(diǎn)的目的是一樣的, 都是為了將復(fù)雜的生物系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單化, 而abstraction則強(qiáng)調(diào)了解決復(fù)雜問(wèn)題應(yīng)該使用 hierarchies (分級(jí)制度), 在這個(gè)理念中, 從事研究工作的人應(yīng)該只關(guān)注在一個(gè)等級(jí)的研究, 而原則上忽略其他等級(jí)的研究，而且只進(jìn)行有限的穿越等級(jí)的交流。這種觀念可以讓研究者在的研究集中在一個(gè)層級(jí), 從而使問(wèn)題簡(jiǎn)單化并提升效率。
總的來(lái)說(shuō)，合成生物學(xué)里可以總結(jié)為三個(gè)名詞“底盤(pán)”“元件”“模塊”。
?被改造的生物被稱作底盤(pán)。
?被改造的一個(gè)個(gè)硬件，比如DNA、蛋白質(zhì)等叫做元件（元件最好做到標(biāo)準(zhǔn)化，即插即用）。
?多個(gè)元件就像設(shè)計(jì)電路一樣去設(shè)計(jì)生物，做到“模塊化”設(shè)計(jì)。
所以，合成生物學(xué)就是——通過(guò)頂層設(shè)計(jì)，使用標(biāo)準(zhǔn)化的元件或基因線路去拼裝，構(gòu)建出新的生物系統(tǒng)，從而解決健康，資源，環(huán)境領(lǐng)域的重大問(wèn)題。
三．合成生物學(xué)的工具
(1) DNA的二代測(cè)序 (Next generation sequencing, NGS)和三代測(cè)序 (Third generation sequencing, TGS)的技術(shù)
在合成生物學(xué)中, 基因的操作是最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的一部分，所以基因的合成和基因的測(cè)序技術(shù)對(duì)于合成生物學(xué)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。二代和三代測(cè)序技術(shù)相比于一代的Sanger測(cè)序技術(shù)來(lái)說(shuō), 更加的快捷, 便宜和準(zhǔn)確。
(2) DNA 組裝方法 (DNA Assembly)
傳統(tǒng)的基因工程操作就是用限制性內(nèi)切酶通過(guò)基因上的酶切位點(diǎn)把DNA片段切開(kāi), 并用連接酶把目的基因片段插進(jìn)被切開(kāi)的基因片段。但是傳統(tǒng)的這種方法耗時(shí)耗力, 一次只能操作一個(gè)基因片段, 效率低且容易產(chǎn)生frame shift等問(wèn)題。在現(xiàn)階段的合成生物學(xué)操作中, 多種更為簡(jiǎn)潔方便高效的DNA assembly的方法被創(chuàng)造出來(lái), 其中最為常用的有Gibson, Golden Gate, Gateway和Long-overlap-based assembly等。這些方法或在連接時(shí)設(shè)計(jì)出特定的overhang,
