(5) 在合成微生物共同体中实现遗传振荡
合成生物学的一个挑战是，创造一个可以展现群体水平行为的协同微生物系统。今年科学杂志上报道了美国大学研究人员Chen Y和Bennett MR等开发了一套这样的系统，利用细胞之间的信号传导机制来调节多种细胞的基因表达。他们构建了了两种经过不同改造的大肠杆菌，一种称为“激活”菌株，另一种称为“抑制”菌株，只有当这两株菌共同培养时，会产生稳定的同步振荡荧光信号。该系统中的两种菌株分别通过酶催化产生两种不同信号分子并均可对其产生转录响应。“激活”菌株可以产生C4-高丝氨酸内酯（C4–homoserine lactone ，C4-HSL），可以诱导相应启动子激活两个菌株中靶基因的转录。而“抑制”菌株产生的3-OHC14-HSL通过LacI的作用抑制靶基因的转录。通过两株菌中受不同信号激活和抑制的启动子调控的信号分子合成酶以及降解酶的表达，研究者实现了双信号的偶联的正、负反馈循环，并且仅在双菌共培养时表现出群体水平的荧光信号振荡。

（1） 工程化真菌用于青蒿素前体人工合成
美国Amyris公司在2013年4月成功开发出能生成青蒿素化学前体的人工酵母。该药是新兴的合成生物学领域取得的第一项成果，青蒿素能够成为发展中国家中每年数亿疟疾感染者的救命药物。法国制药业巨头Sanofi宣布开始应用Amyris生物技术公司开发的青蒿素生产工艺工业化生产青蒿素。2014年产出35吨青蒿素原料药，可供7000万治疗人份用药。该公司预测，未来生产出的青蒿素原料药，可以提供给1.0—1.5亿治疗人份用药。
（2） 工程化细菌用于诊断早期癌症与糖尿病
美国MIT的生物医学工程师Sangeeta Bhatia与来自UCSD的Jeff Hasty团队通过遗传改造向大肠杆菌植入LacZ报告基因，这一基因能够在细菌接触到肿瘤细胞时开始表达，从而表达大量的LacZ酶。接着，研究者们向小鼠注射交联的化学发光底物，这一底物在LacZ存在的情况下会被切割从而释放化学发光，汇集到小鼠尿液中。具有这一信号的尿液样品将会由原本的黄色变为红色。另外，Bhatia等人还发现这一手段比常规显微镜更加灵敏，对于直径小于一厘米的肿瘤也能够明显检测到。在另外一项独立的研究中，来自法国Montpellier大学的结构生物学家Jerome Bonnet等人利用相似的技术成功检测到了糖尿病的症状，主要标志为尿液中的糖类成分。

（3） 人工合成细胞感应分子“Notch”用于杀死肿瘤细胞
加利福尼亚大学的Wendell Lim团队在老鼠的细胞中创造了新的人造Notch分子，新的外部传感部件和新基因活化的部分。研究表明，这种分子可能改造、转换一个细胞，让其在体内能够识别任何分子和打开任何基因的响应。例如细胞会感应分子的损伤和打开刺激修复的基因，或者它们可能会感应到“癌症”的相关分子，并激活基因，让免疫系统杀死肿瘤细胞。它们甚至可能感应微小的人造支架的蛋白质，填充膀胱、肝脏或其他专门的细胞生成替代器官。
（4） 工程化酵母菌生产阿片类药物
美国加州斯坦福大学（Stanford University）的 Smolke等研究人员将植物，细菌和啮齿动物基因混合导入酵母菌中。改造过的酵母菌成功地将糖转化为蒂巴因（thebaine）—吗啡等强大止痛药物的前体。该研究团队还发现，进一步调整过的酵母可以产生氢可酮，一种广泛使用的，由蒂巴因化学合成的止痛药。
（5） 人工设计、合成了一种可以取代胰岛β细胞的人造细胞（HEK-β）
瑞士苏黎世联邦理工大学（ETH Zürich）合成生物学大师Martin Fussenegger教授实验室利用人类的肾脏细胞（HEK-293细胞），利用最简单、最直接的方法设计获得了具有正常β细胞功能的人工HEK-β细胞。这个细胞可以直接感受血液中葡萄糖，当血糖浓度超过一定阈值后，其可以分泌足够的胰岛素用来降血糖。

（1） 利用转基因细菌合成高能生物燃料
佐治亚理工学院与联合生物能源研究院科学家通过转基因工程改造细菌，让它们能合成蒎烯，有望替代JP-10 用在导弹发射及其他航空领域。从石油中提炼JP-10 供给有限，将来生物燃料有望补其不足，甚至促进新一代发动机的开发。
（2） 利用经遗传改造的细菌将生物质能直接转化为乙醇
佐治亚大学研究人员对能降解木质纤维素的细菌嗜热木聚糖酶进行遗传改造后，其直接将以柳枝稷为原料的生物质能转化成了乙醇燃料。该研究未来有望实现工业化生产，生产出物美价廉的燃料。
（3） 利用经遗传改造的细菌将细菌合成生物柴油的效率倍增
美国能源部联合生物能源研究所的研究人员构建出一个动态传感器调节系统，可以在脂肪酸燃料或化学品生产过程中控制相关基因的表达，调节微生物体内的代谢变化，使葡萄糖生产生物柴油的产量提高3倍。

基因电路？活体里的电子学科吗？难不成是研究人类机器人？且慢，别急着思考伦理问题，这种提法其实是生物学家强大的想象，指的是利用合成生物学的精巧设计，控制细胞里的通路，让人们能“开关”细胞的行动。近日，《细胞》杂志刊登美国麻省理工学院卢冠达团队的研究成果，他们设计了基于合成RNA的免疫调节基因电路、可用于癌症的免疫治疗
。
这款“精妙”的基因电路如何工作？它又如何制服狡猾、善变的癌细胞呢？科技日报记者日前专访了两位“千人计划”专家，分别解答该研究中两个科学领域的问题。

造个“特洛伊木马”
帮“信号兵”潜进癌细胞的城池

弄清科学家的精妙设计，还要从它的攻击对象——癌细胞说起。
众所周知，癌细胞无限繁殖，这个特点只有它“扎堆”的时候才能显现出来。机体要杀灭单个细胞，如何区分癌细胞和正常细胞呢？





“癌细胞内部是特异性表达，”“青年千人计划”学者、四川大学生物治疗国家重点实验室罗云孜说，“癌基因、原癌基因等会在癌细胞中被激活，使正常细胞发生癌变。这个研究中用的是cMYC、E2F1（基因名）两个转录因子基因。”

也就是说这两个基因在癌细胞中异常活跃，而正常细胞中它们相对平静。卢冠达团队将它们看成癌细胞自带的“钥匙”，根据钥匙设计了一套“锁”。锁的特点是，只有两个钥匙同时开锁，才会被打开。

罗云孜解释，第一把钥匙打开的反应不会进行到底，“第一个启动子启动转录，生成的mRNA（信使RNA）会在尾部有个特别的结构，能和细胞内的微小RNA结合（miR1），不会继续进行蛋白翻译的步骤。只有当第二个启动子启动的转录生成了另一段序列，走过来把miR1带走，蛋白翻译才会继续进行。”

这种两把钥匙合作开一把锁的模式，在集成电路中被称为“与门”结构。卢冠达表示，是受“与门”的启发，想到设计这个结构的。




把合成的基因电路“安插”进癌细胞中，团队利用了慢病毒载体。“病毒侵染，可以让病毒的每一代都有特异表达”，“千人计划”创业人才、上海比昂生物创始人杨光华说，总的来说，这套装置就像特洛伊木马，将信号兵带进癌细胞的城池，而只有两把钥匙共同打开木马上的锁，信号兵才会出来发信号。

“这个设计虽然使用已知基因元件，但并不简单，需要进行严格的筛选。导入基因必须和正常细胞内的系统没有关联性，确保只启动癌细胞中的‘电路’，不会对正常细胞产生影响。”罗云孜说，研究团队经过了大量的优化实验，才完成基因序列的最终合成。

基因电路最难做到的是“准确”。卢冠达团队合成的精巧的控制器，为“攻击手”辨认癌细胞设置了一个“双保险”的开关。罗云孜说：“它起的是精确制导的靶子的作用，这项研究大大降低对正常细胞的误伤率。”

在癌细胞里安插了准确的“信号兵”，下一步就可以进行“攻城拔寨”的战斗了。也就是接入功能基因，开启对癌细胞的“征讨”。

烟雾弹、信号弹、照明弹
远程长短炮……火力齐发

一旦信号兵放倒“消息树”，身体内的免疫系统将会被调动起来。接下来的实战，是一场堪比《权利与游戏》的抗癌“心机戏”——
一头，研究用基因电路的方法设计了能准确放倒“消息树”的“信号兵”，另一头，合成了完备的全功能攻击战斗团。
为啥这个战斗团前要加上这么多修饰词呢？因为目前很少有研究将多个不同角色的肿瘤对抗基因联合起来编队。

战斗团编队有4个，分别是表面T细胞结合子（STE），一种细胞表面抗原，是癌细胞的特异性识别位点；趋化因子21（CCL21），可以促进T细胞在癌细胞位点聚集；白介素12（IL12），一种可以增强T细胞活性和功能的细胞因子；PD-1抑制，能够降低癌细胞对免疫系统的抑制。“STE，它帮助能杀伤癌细胞的T细胞锁定目标，有照明弹的功能，”杨光华一一解释，“CCL21，像信号弹，所有的T细胞火力将循着身体里的这个信号向癌细胞集结；IL12是真正的炮弹，使得T细胞的火力和功能大大增强，具有高活力的杀伤性。”
其中最斗智的是“PD-1抑制”的设计，它专门针对癌细胞这个“戏精”。“癌细胞会‘扮演’成正常细胞。”杨光华说，“其表面出现PD-L1与T细胞表面的PD-1结合，会骗过T细胞，而PD-1抑制的‘元件’像‘烟雾弹’阻挡假象对T细胞的干扰。”

“癌细胞有应激反应，会越战越精，所以4种不同方法并用，应对狡猾的癌细胞。”罗云孜说，希望能达到肿瘤完全消退的目的。
但是，在实际的临床治疗中，还需要更深入的开发。杨光华认为，研究用的材料是理想状态的肿瘤细胞系，而实际的肿瘤细胞基因非常复杂，并不一定能强劲开启对肿瘤细胞全方位的识别。“研究提出了一个治疗新理念——免疫基因电路平台的概念，能够特异性表达这些免疫基因，达到筛选的目的。”

Cell：开启癌细胞内的基因回路，触发免疫攻击




图片来自Cell期刊，doi:10.1016/j.cell.2017.09.049。
在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种合成基因回路（gene circuit），当该基因回路检测到癌症的迹象时，它激活体内的免疫系统来攻击这种疾病。这种基因回路仅当它检测到两种特异性的癌症标志物时才会激活一种治疗反应。相关研究结果于2017年10月19日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Synthetic RNA-Based Immunomodulatory Gene Circuits for Cancer Immunotherapy”。
人们普遍认为免疫疗法在抵抗一系列癌症中具有相当大的潜力。根据论文通信作者、MIT生物工程与计算机科学副教授Timothy Lu的说法，在最近的几次临床试验中，这种方法已成功地得到证实。
然而，尽管取得了成功，但是免疫疗法的使用仍然局限于肿瘤特异性抗原的缺乏。肿瘤特异性抗原是能够触发对特定癌症产生免疫反应的物质。比如，当作为一种全身疗法给送到全身时，一些免疫疗法的毒性是另一种障碍。
更为重要的是，这种疗法并不是在所有情况下都会取得成功。Lu说，事实上，即便在一些最为成功的试验中，仅30%～40%的患者会对一种给定的疗法作出反应。
基于此，如今就有开发组合疗法的努力：不同的但互补的疗法被用来增强免疫反应。举例来说，如果一种免疫疗法被用破坏癌症产生的一种抑制信号，而肿瘤通过上调第二种信号作出应对的话，那么另一种疗法随后就被用来靶向它。
Lu说，“我们认为有必要开发更加特异性的仅在肿瘤位点局部发挥作用而不是试图进行全身治疗的靶向免疫疗法。其次，我们想要一揽子开发出多种免疫疗法，因此能够以多种不同的方式刺激免疫系统。”
为了做到这一点，Lu、及其包括MIT博士后研究员Lior Nissim和Ming-Ru Wu在内的团队构建出一种编码在DNA中的能够区分癌细胞和非癌细胞的基因回路。
这种基因回路能够经定制对不同的肿瘤作出反应。它是基于电子学中使用的简单的与门（AND gates）构建出的。这种与门仅当两种输入都存在时才会开启。
癌细胞与正常细胞的差异在于它们的基因表达谱。因此，这些研究人员开发出编码在这种基因回路中的合成启动子，即仅启动癌细胞中的基因表达的DNA序列。
利用一种病毒，这种基因回路被运送到体内受影响的区域。肿瘤细胞中有活性的某些蛋白随后结合到这些合成启动子上，从而将它们激活。仅当这两种癌症启动子都被激活时，这种基因回路才会开启。这就允许这种基因回路比现存的疗法更加准确地靶向肿瘤，这是因为在作出反应之前，它需要两种癌症特异性的信号都存在。
一旦受到激活，这种基因回路表达引导免疫系统靶向肿瘤细胞的蛋白，包括T细胞表面衔接蛋白（surface T cell engagers），这些蛋白引导T细胞杀死这些肿细胞。这种基因回路也表达一种解除对T细胞活性的抑制的检查点抑制剂。
当这些研究人员在体外测试这种基因回路时，他们发现它能够从其他的非癌卵巢细胞和其他的细胞类型中检测到卵巢癌细胞。他们随后在接受卵巢癌细胞移植的小鼠体内测试了这种基因回路，并证实它能够触发T细胞来寻找和杀死这些癌细胞，同时不会伤害它们周围的其他细胞。
这些研究人员还证实这种基因回路经调整后能够很轻易地靶向其他的癌细胞。他们鉴定出乳腺癌选择性的启动子，而且当将它们编码在这种基因回路上时，它会靶向乳腺癌细胞而不会靶向其他的细胞类型。
最终，这些研究人员希望他们也能够利用这种基因回路靶向其他的疾病，比如类风湿性关节炎、炎症性肠病和其他的自身免疫疾病。

近日，斯坦福大学的生物工程师使用遗传物质DNA和RNA构建了一种“生物晶体管”，通过它在活细胞内进行逻辑运算，放大和切换遗传信号。这些发现为将来创建细胞计算机铺设了道路。研究成果发表于最新一期的《科学》（Science）。

“我们让一组天然蛋白质有了新的功能，”文章的通讯作者、助理教授德鲁•安迪（Drew Endy）对果壳网解释：“这些叫整合酶（Integrase）的蛋白质被用于对DNA上的RNA聚合酶实行数字控制。”这些整合酶的表达浓度将决定靶基因的转录过程。

转录器是基因逻辑电路的关键元件，文章的第一作者杰罗姆•博纳特（Jerome Bonnet）评论说：“这些电路是通用的，控制门电路的诱导信号可以是任何转录源——可以是葡萄糖，也可以是咖啡因，等等。细胞收到的任何外界刺激都能得到检测。”博纳特告诉果壳网：“利用这种逻辑电路，你能够轻易判断哪些细胞受过刺激。”细胞甚至能按照指令发动或终止细胞繁殖。

“酶的选择非常重要，”博纳特还对果壳网说：“我们仔细挑选了在细菌、真菌、植物和动物中都能行使功能的酶，让生物计算机能被设置在各种生物中。”



转录器中执行异或门（XOR）的逻辑元件。两对可被整合酶识别的重组位点（蓝/橙，黑/白）夹在终止子两侧，这两对重组位点各自能被一种整合酶识别，元件通过4种不同的信号状态控制终止子的方向。如果两种整合酶都不表达，终止子将使转录停止；如果只有一种整合酶的表达达到阈值，终止子方向将翻转，转录继续进行；而如果两种整合酶的表达都达到阈值，终止子翻转两次，转录依然被阻断。来源：Bonnet et al.Science

去年，安迪的团队成功用DNA构建了可擦写数字信号存储器。随后，他们又开发出能在细胞间传递遗传信息的机制。现在，他们有具备类似晶体管及信号放大器功能的转录器——信息存储、信息传送、逻辑运算，这3种要素加起来，足以在活细胞内构建出生物计算机。

实际上，这3种功能的融合已经实现了。“我们的门电路应该能应用到所有类型的细胞，”安迪告诉果壳网：“生物计算机能够用于研究和改编生命系统、监控环境变化并且改善细胞治疗。”
和一些不公开的生物技术不同，研究团队将文章所述的所有知识向公众开放。“大多数生化技术还没有被想象出来，更别说将其实现了。博纳特说：“共享重要的基本工具才能让人们更好地合作。”

Science：分子组件可构建出执行复杂信号处理的合成基因电路

活细胞内的精细分子网络使得它们能够感知和处理来自环境的许多信号，以执行所需的细胞功能。

合成生物学家已能够重建和模拟这种细胞信号处理的更简单形式。

但是，如今，在一项新的研究中，来自美国莱斯大学、波士顿大学、布兰迪斯大学、麻省理工学院、哈佛大学和布罗德研究所的研究人员发现一种由自组装分子和预测建模驱动的新工具箱将允许科学家们构建在真核生物（包括人类细胞）中发现的复杂计算和信号处理。

相关研究结果于2019年4月18日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Complex signal processing in synthetic gene circuits using cooperative regulatory assemblies”。
论文通讯作者为莱斯大学助理教授Ahmad 'Mo' Khalil。
论文第一作者为莱斯大学助理教授Caleb Bashor和Khalil实验室研究生Nikit Patel。

他们能够合成设计的这类组合信号处理是细胞自然而优雅地完成的任务，比如胚胎发育和分化中的那些任务。

Khalil说，“通过采用一种我们所知道的共同原则，即调节性分子协作和形成高阶组件的能力，你能够对细胞进行编程，以解决非常困难的计算和组合问题。
这代表了一种与传统方法截然不同的设计基因电路的方法，它能够构建一类新的我们可以模拟和控制的细胞功能。

首先，这些研究人员建立了一个简单的合成分子组件库，这些组件可以相互作用。这些组件中的每一个都有其独特的化学和动力学构成，可用于了解其行为。
利用这些已知属性，他们构建了一个定量模型来预测这些分子的不同组合如何构建出高阶组件。
他们随后能够使用该预测模型作为设计基因电路的指南，所设计的基因电路利用组合装配来执行所需的信号处理功能。
Bashor说，“基本上，这些组件通过极其微弱的交互作用彼此结合在一起。
但是，所有这些微弱的相互作用在一个更大的复合体中叠加起来，会形成一个非常紧密的结构。
因此，当只有不多的组件在四周漂浮时，它们不会形成复合体。
当它们达到临界浓度时，它们就会看到彼此，它们基本上可以结合在一起形成复合体。
这种复合体本身由三个组件组成：一种控制基因活化的合成转录因子、转录因子结合的DNA序列，以及一种将前两种组件固定在一起的合成“钳”分子。
这种复合体可以允许它们调整细胞对输入信号的响应强度，并在所需的时间开启和关闭这种响应。
但也远远不止这些。

Khalil说，“我们正在利用和试图建立的是生物学中最强大和最普遍的特征之一：协同作用（cooperativity）。一种考虑协同作用的方法是它允许整体大于其各部分的总和。”

通过使用他们的系统，所产生的工程细胞对所需的化学或环境输入作出响应而合成分子组件。
在一项实验中，他们对酵母细胞进行编程以响应两种不同的化学物质，特别是以模拟或数字方式响应这两种化学物质的不同浓度。
在模拟电路中，这种响应是连续的；如果两种化学物质或其中的一种的浓度都很低，那么就会出现分级响应（graded response）。
但是在数字电路中，存在一种全有或全无的离散响应---就像信号转换为仅由0（关闭）和1（开启）组成的二进制代码一样。
通过利用这种调整分子组件之间协同作用的新能力，他们发现他们可以将细胞的响应从迟钝转变为敏锐---复合体的协同作用越多，这种响应越敏锐。
响应的敏锐性---当信号达到临界阈值时系统响应的强烈程度---是数字信号处理的关键。

Khalil说，“将这种类型的响应设计到转录因子中是允许我们对细胞进行编程以执行各种复杂工作---比如布尔逻辑、时间滤波，甚至频率解码---的关键。”

从模拟到数字的升级是多年研究的结晶。

模数转换器及他们的其他合成基因电路可用于探索和操纵指导免疫细胞和干细胞功能的调控程序，其最终目标是利用工程化人体细胞开发基于细胞的转化疗法。

众所周知，大自然只用很少的部件就完善了非常强大的信息处理，但由于人类细胞的复杂性，要精确地还原这一过程几乎是不可能的。
通过在一种含有合成部件的简单酵母细胞模型中重现人类细胞在DNA水平上处理信息的方式，这些研究人员能够根据基本原理重建复杂的信号。
这是一个很好的例子，说明像工程师一样思考可以开启一种新的方式来回答主要的生物学问题。
原始出处：Caleb J. Bashor et al.Complex signal processing in synthetic gene circuits using cooperative regulatory assemblies. Science, 2019, doi:10.1126/science.aau8287.
原标题：Science：利用协作性的分子组件构建出执行复杂信号处理的合成基因电路

中国科学家基本上通过引用互联网的资料，或者从美国引入华裔研究人员从事合成生物学开发。

在美国，合成生物学技术已经十分普及，社区居民都有俱乐部开展合成生物学的运用。

合成生物学的基本基因回路，生物元件在互联网上有一个公开的注册目录，人人可以下载基本的基本基因回路，生物元件。

因此合成生物学技术，恐怖分子也可以用于制造十分危险的生物武器而不被发觉。

因此合成生物学技术，恐怖分子也可以用于制造十分危险的生物武器而不被发觉。

科技头条【基因合成生物学及其对未来的威胁】据外媒报道，目前世界领先的基因合成公司都经常筛选客户对危险病毒，细菌，毒素和其他“选择剂”的DNA序列的要求。因此，只要任何生物恐怖分子试图购买病原体基因组的片段，警钟就会响起。然而，这种生物安全协议同样有潜在的危险。今年，就有人报告称其通过邮件订购的DNA片段成功构建了一种已经灭绝的天花病毒。这引起了生物安全和生物防御领域的轩然大波，许多人公开质疑今天的基因筛选是否足以阻止明天合成生物武器带来的威胁。

我们正在进入定向设计的时代，我们将扩展有限的观念，即生物学只是“生命和生物的研究”，并将生物学视为最终的分布式制造平台(正如斯坦福生物工程师，Drew Endy，经常说的那样) 。这种新的制造模式将为我们提供无与伦比的个性化和功能。

合成生物学时代就在这里 - 我们如何才能充分利用它

新食品。新燃料。新材料。新药。

我们已经朝着这个方向迈出了第一步。Ĵoule无限已经工程菌以将CO转化2成燃料在单个步骤中，连续的过程。其他人正在设计酵母以生产青蒿素-青蒿素是全球数百万人使用的强效抗疟疾化合物。其他微生物正在重新编程以生产工业成分，如合成橡胶中使用的那些。



如果我们看得太远，未来的生物基工业将放弃昂贵，复杂的工业化学合成，使用高温，高压和有毒催化剂，有利于更便宜，更资源和更低毒性的生物化学合成。

我们会做这些事情，然后我们会超越它们。或者至少，这是未来的一个(也许是无耻的乐观)版本。应该考虑悲观和现实的替代观点。这里有很多机会 - 要建造数十亿美元的公司，要解决的十亿人问题，公开讨论的重要道德辩论以及需要仔细审查的政策处方。



那么，我们应该如何看待合成生物学的新世界呢?让我们来看看。

乐观主义者

对于我们中间的乐观主义者和梦想家来说，人们很容易相信合成生物学肯定会迎来一个充满梦想的世界。



乐观主义者梦想通过在症状出现之前诊断我们的疾病的智能系统实现更长寿，更健康的生活。他们渴望真正的个性化医疗。他们期待用于遗传疾病，癌症及其他疾病的CRISPR治疗。

无与伦比的人类

乐观主义者认为合成生物学是一个新兴领域，具有潜力 - 潜力只能与人工智能相媲美。

悲观主义者



在这个角度来看，悲观主义者和谨慎的人悄悄地颤抖着。因为我们人类非常强烈地认同生物学，所以有些人认为“工程生活”是不自然的，不道德的和傲慢的。

悲观主义者担心合成生物学将如何影响我们的工作，人类的感觉和我们的生态系统。他们想象有一天，生物恐怖分子可以制造出能够生存，繁殖并对我们造成蓄意伤害的合成病原体。

意外后果

悲观主义者担心。他们认为滥用和滥用的可能性非常大，以至于合成生物学(synbio)的风险大于益处。

现实主义者

现实主义者坐在中间的某个地方。

让生物学更容易进行工程设计和编程

他们看到了合成生物学的世界变化潜力，但他们意识到在有趣的东西开始发生之前必须克服的障碍。他们可能会认同乐观主义者对未来的描述，但他们提醒我们，首先，我们需要我们需要制定工程生命标准，生物代码抽象和更好的共享实验程序的方法，以便可以在世界各地的实验室中复制可靠的实验室结果。



所有三个人都同意一件事 - 我们正在迅速进入康复时代。他们基于这个简单的事实形成了自己的观点。他们是对的。

前进的动力是不可否认的



预测技术的轨迹充满了复杂性，但我们看到合成生物学中许多不同的相互关联的前沿的运动。

为活细胞开发第一种编程语言。

CRISPR的到来- 一种改变游戏规则的便宜，易于遗传操作的工具。

阅读DNA成本的巨大下降。

IndieBio的出现 - 世界上第一个将研究生从学术界带入创业世界的生物技术加速器。

iGem的爆炸式增长- 一年一度的全球学生竞赛，学生可以设计，制造和测试生物设备，这些设备可以用来检测饮用水中的病原体或有毒金属等生物传感器。

在生长IGEM注册-标准生物部分越来越目录生物设计电路时，工程师们可以依靠。

BioBricks的形成- 致力于使synbio成为一种开放和协作的科学，服务于公众利益。

像Amino Labs和Bento Labs这样的初创公司正在开发易于使用，便携式，笔记本电脑尺寸的迷你实验室，配备真正的科学 - 阅读DNA和培养友好的细菌来制造香水。

导致技术学科的广泛制造者运动- 从生物工程到编程 - 变得更容易获得，更吸引人，并且对每个人来说都不那么神秘。

除此之外，媒体的关注度越来越高 - 耸人听闻的头条新闻和有用的务实讨论都是这一领域向上发展轨迹的征兆。

总的来说，所有这些趋势都指向了合成生物学在能源，医疗保健，制造业，农业及其他领域真正具有变革性的未来。但他们也说明了合成生物学仍然是一个年轻的领域。

这是现实主义者的观点 - 我们还没有。技术越广泛，技术越强大，我们就越想要理清道路规则。

我们今天的工作有多么艰难，可能很好地决定了未来趋向于乐观主义者的巨大积极愿景还是那些可怕的悲观结果。

什么仍然需要做以充分利用Synbio？

这是我们仍需要做的一些工作。

我们需要自动化设计和优化微生物菌株的过程。

我们需要让公众充分了解这些技术的含义。

我们需要决定我们与生物学的新关系会是什么样子。

我们需要探索哪些应用程序是可接受的，哪些不是。

我们需要充分考虑某些synbio应用程序可能对不平等和歧视等问题产生的影响。

像所有强大的技术一样，合成生物学本质上是双重用途 - 它可以用于人类生产或威胁人类安全。而且由于涉及生物学，与某些生物武器相关的增殖和自我复制的威胁增加。

所以，是的，有巨大的潜力，我们应该对未来可能会是什么感到兴奋。是的，我们需要梦想家和技术专家从技术角度(以安全的方式)突破被认为可能的界限。但在我们寻求更美好明天的过程中，我们今天绝不能忽视或回避必要的道德问题。

悲观主义者



在这个角度来看，悲观主义者和谨慎的人悄悄地颤抖着。因为我们人类非常强烈地认同生物学，所以有些人认为“工程生活”是不自然的，不道德的和傲慢的。

悲观主义者担心合成生物学将如何影响我们的工作，人类的感觉和我们的生态系统。他们想象有一天，生物恐怖分子可以制造出能够生存，繁殖并对我们造成蓄意伤害的合成病原体。

意外后果

悲观主义者担心。他们认为滥用和滥用的可能性非常大，以至于合成生物学(synbio)的风险大于益处。

预测技术的轨迹充满了复杂性，但我们看到合成生物学中许多不同的相互关联的前沿的运动。

为活细胞开发第一种编程语言。

CRISPR的到来- 一种改变游戏规则的便宜，易于遗传操作的工具。

阅读DNA成本的巨大下降。

IndieBio的出现 - 世界上第一个将研究生从学术界带入创业世界的生物技术加速器。

iGem的爆炸式增长- 一年一度的全球学生竞赛，学生可以设计，制造和测试生物设备，这些设备可以用来检测饮用水中的病原体或有毒金属等生物传感器。

在生长IGEM注册-标准生物部分越来越目录生物设计电路时，工程师们可以依靠。

BioBricks的形成- 致力于使synbio成为一种开放和协作的科学，服务于公众利益。

像Amino Labs和Bento Labs这样的初创公司正在开发易于使用，便携式，笔记本电脑尺寸的迷你实验室，配备真正的科学 - 阅读DNA和培养友好的细菌来制造香水。

导致技术学科的广泛制造者运动- 从生物工程到编程 - 变得更容易获得，更吸引人，并且对每个人来说都不那么神秘。

Igem（基因工程机器设计） 是一个一年一度在美国麻省理工学院举行的，关于全新领域 “生物合成“的国际性竞赛. “生物合成“ 是一个融合了生物、工程、物理、计算机科学 和其他多项领域的综合性学科学。

随着我们对生物学、生命的起源理解的加深，我们可以更好的利用其造福人类社会。合成生物学家希望通过了解自然界生物体系的运作机理来创造全新的生物体系。 iGEM就是一项关于基因工程设计的竞赛。

标准生物样本主要存放在MIT。他们收集、保存、测定一些功能未知的DNA序列。例如，一个和特定DNA序列结合的蛋白质或者翻译因子，或者储存在生物体系中的表达元素。

如果我要用特定的DNA序列来构建我的基因开关，我就可以利用这个蛋白质来激发基因转录。着更多的人们贡献DNA和DNA的翻译信息，这个基因库正在不断扩大。

每年MIT都对每支参赛队伍提供全部的DNA样本。 2006年,600 份样本分发给参赛队伍，并且参赛队伍又贡献了400份新样本。在2007年将有1000 份 可利用样本。 所有的样本都可以在网站http://parts.mit.edu 找到。

参赛队伍得到的是干DNA样本，然后各支参赛队伍可以利用DNA，将其植入E.coli 来得到他们所需的样本。各支参赛队伍利用暑期设计、构建模型和制造基因工程机器。

国际基因工程机器大赛，英文名称为International Genetically Engineered Machine competition，简称iGEM。
国际基因工程机器大赛是合成生物学领域的国际顶级大学生科技赛事，也是涉及数学、计算机、统计学等领域交叉合作的跨学科竞赛。 [1] 由美国麻省理工学院于2003年创办，2005年发展成为国际赛事，于每年10月在麻省理工学院进行最终角逐。国际基因工程机器大赛赛况和研究成果每年都受到《科学》、《自然》、《科学美国人》、《经济学人》等顶级学术杂志、英国广播公司这样的传统媒体的关注并进行专题报道，具有广泛的国际影响力。

国际基因工程机器大赛（InternationalGenetically Engineered Machine Competition，即iGEM创始于2003年，每年由美国麻省理工学院（Massachusetts Institute ofTechnology，MIT）主办，是合成生物学领域的国际性学术竞赛。
国际基因工程机器大赛创始之初主要针对在校本科生，后逐渐扩大到研究生以及高中生。涵盖多学科的iGEM团队需要利用标准生物模块（Biobricks）来构建基因回路、建立有效的数学模型，实现对精致复杂人工生物系统（artificial biosystem）的预测、操纵和测量以完成比赛。
国际基因工程机器大赛的长远目标是希望通过学术竞赛的模式 [2] ：
实现生物学的系统化、工程化
促进生物工具的开源化、透明化发展
帮助构建一个可以安全、有效地应用生物技术的工程体系
合成生物学试图重设计现有的天然的生物系统，或是设计和构建人工生物组件和系统，其目的在于通过了解天然生物体系的运作机理来创造全新的生物体系。合成生物学是近年来生命科学领域的新兴方向，其目标是希望通过重组现有的基于DNA序列的功能组件，如调控序列，RNA，蛋白质等，实现对生命科学研究或者对生产生活有意义的新的菌种。这个方向直接搭建起了基础生物研究和生产生活实践之间的桥梁，有些成果甚至直接转化成产品，所以同时受到了学术界和工业界的关注。

国际基因工程机器大赛期望通过竞赛的形式，回答合成生物学中的核心问题——能否在活细胞中使用可互换的标准化组件构建简单的生物系统，并且加以操纵。每支队伍尝试使用标准化后的生物模块元件库，利用标准化的基因工程方法，以特定目的拼装人工生物系统，并进行操纵和测量。 [1]
近来来发展迅猛、规模不断扩大。2015年9月，共有来自5大洲共计280支队伍、5018名学生齐聚波士顿参与比赛角逐；参赛队伍包括麻省理工学院、哈佛大学、耶鲁大学、剑桥大学、牛津大学、斯坦福大学、帝国理工学院、海德堡大学、加州大学伯克利分校等世界顶尖学府的代表队；其中中国大陆亚洲赛区的队伍达到了57支，北京大学、清华大学、中国科技大学、上海科技大学、浙江大学、复旦大学、上海交通大学、中山大学等国内知名高校均组队参赛。 [4]
国际基因工程机器大赛要求学生自主选题，利用课余时间合作完成相应的实验工作，充分锻炼了学生的独立学术能力和团队协作能力，同时也培养了学生对于科学的热情；参赛学生可将研究所取得的有用成果提交给麻省理工学院的竞赛组委会，供全球的科学家共享参赛队伍的研究成果；同时该项竞赛为不同国家、不同专业的大学生提供了一个相互交流的国际舞台。
比赛分研究生、本科生、高中组三个组别，按照参赛队伍项目领域，分医学健康类、测量类、环境类、软件类等多个类别，评出金牌、银牌、铜牌；同时设立单项奖、各类别最佳项目奖，包括最佳建模奖、最佳新生物模块奖等。从获金牌的队伍决出最后入围的最终名单中，评出冠军、亚军、季军。 [5]

华南农业大学

我校学子斩获2018年国际基因工程机器设计大赛银奖

发布者：李坚发布时间：2018-11-05浏览次数：1984




10月28日下午，2018年国际基因工程机器设计大赛(international Genetically Engineered Machine Competition，简称iGEM)全球总决赛在美国波士顿落下帷幕，来自全球40余个国家的340支队伍进入决赛争夺，参赛人员超过5000人。最终，我校代表队以优异的表现斩获总决赛全球银奖。



我校代表队（SCAU-China）共有队员9人，包括来自生命科学学院的徐蔚腾、黄银频、李颖莉、黄耀华、张鑫宇、邹嘉桦、汪伟，林学与风景园林学院的汪伟旭和来自数学与信息学院、软件学院的黄欣灵。此次比赛得到国际交流处、创新创业学院、教务处、校团委等多个部门大力支持。指导教师由生命科学学院王浩教授和陈乐天教授共同担任，生命科学学院多位老师担任iGEM顾问团。王浩老师带队参赛。



我校代表队队员上台讲解

今年，SCAU-China的参赛项目是Cyanobacterial Cellulose Prevents Increasing Desertification（蓝藻细菌纤维素治理荒漠化）。荒漠化正在成为一个严重的全球性问题，队员们运用系统生物学的理论，在荒漠蓝藻中实现细菌纤维素的转化改造和优化，提高藻结皮在沙漠中的持水能力，从而进一步解决荒漠化问题。

实验中采用的底盘生物是具鞘微鞘藻，因为藻类细胞生长周期较长，转化难、筛选阳性克隆难、基因工程方面研究尚少，这些都成为队员们实验进度的“拦路虎”。为了克服这些难题，他们采取了多种转化方法，并同时进行多批转化，最终转化成功。



比赛现场

同时，团队在模型构建方面进行创新并取得了突破。团队从两个角度对项目进行优化，通过整合多个数据库的信息，构建模型，设计基因编辑方案；同时通过模型预测、优化培养条件。这套建模思路有望应用于更多代谢工程领域的实验设计中。模型构建也获得了评委的一致好评。



团队成员



iGEM（International Genetically Engineered Machine Competition，国际基因工程机器设计大赛）是美国麻省理工学院（MIT）于2004年发起的一个大学生层面的有关合成生物学的竞赛活动。据悉，与我校同获银奖的还有复旦大学、上海交通大学、美国斯坦福大学、耶鲁大学、波士顿大学等。（文/生命科学学院　周莹 图/生命科学学院 李颖莉）

新加坡合成生物学领军人物Matthew Chang发表酵母合成生物学中的工具汇总

合成生物学家构建生物组件和系统，以研究生物现象并推动无数实际应用，旨在解决当前在能源，医疗保健和环境方面的全球挑战。虽然大多数工具已经在细菌，特别是大肠杆菌中建立，但近年来已经看到模型酵母菌株酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的平行发展，酿酒酵母是最容易理解的真核生物系统之一。在这里，新加坡合成生物学领袖Mattew Chang概述了基于部件，电路和基因组的抽象层次框架的酵母合成生物学工具的最新进展。简而言之，在转录，翻译和翻译后水平探索生物部分的创建和表征。使用特征部分作为构建块单元，通过示例详细说明功能电路的设计。此外，还讨论了合成基因组作为生物系统构建的基因组水平平台的现状和潜在应用。除了开发工具包之外，还描述了这些工具如何应用于药物生产和筛选，疾病机制研究，污染物传感和生物修复等领域。最后，科学家们提供酵母的前景-----作为真核遗传学的主力和该领域的选择底盘。



不断扩展的合成生物工具包极大地使代谢工程师能够精确控制生产具有工业意义的多种生物化学品的固有能力。 这包括药物（例如 白藜芦醇 ，青蒿素）（ Borodina和Nielsen，2014年 ; Krivoruchko等，2011 ; Li等，2015 ; Paddon和Keasling，2014年 ），生物燃料（例如 脂肪醇 ， 烷烃 ，法呢烯）（ Stefan等，2016 ; Zhou et al。，2016 ），商品化学品（如乙烯）（ Pirkov等，2008 ）和特种化学品（如多不饱和脂肪酸）（ Tavares等，2011 ）（ Yu等，2017 ）。作为完全测序的真核细胞， 酿酒酵母 是了解真核生物系统，特别是临床疾病的主要实验模型（ Bharadwaj等，2010 ; Franssens等，2013 ; Fridovich-Keil，2001 ）。 由于其对pH和温度变化的稳定性，酵母也是生物传感器对有毒污染物的合适模型（ Jarque等，2016 ）。 为了突出酵母的这些独特特征，在本综述中，概述了合成工具如何在药物生产和筛选的特定领域（作为生物化学生产的一个例子）中使用的最新案例研究，疾病机制研究，酵母中的污染物传感和生物修复。
为了实现这一点，首先从作为构建块单元的生命系统中提取，测试和改进可重用组件（以下称为生物组件）。 由于在零件的表征和开发方面的努力越来越多，可用零件的数量越来越多，这表明需要对零件进行清晰的编目。 首先由iGEM注册机构（标准生物部件注册处）开始，其中包含20,000多个部分，合成生物学的快速发展促进了许多其他注册机构的建立，包括但不限于国际开放设施推进生物技术（BIOFAB），BioBrick基金会（BBF）和联合生物能源研究所可组合元素清单（JBEI-ICEs）。 这些不断增长的注册管理机构目前可以向专业研究机构商业化，也可以免费向公众开放。 由于有关这些特性良好的部件的信息越来越可靠并且随时可用，因此调整各个电路所需的时间显着减少（ Ellis等，2009 ）。 生物部分，在之前的评论中已经突出显示（ Jensen和Keasling，2015年 ; Siddiqui等，2012 ）可用于控制和微调基因表达水平 转录 ，翻译和 翻译后 。 在这里，我们详细阐述了自然部件的识别和合成部件的开发 - 即启动子 ，终止子， 核糖开关 ， 核酶 开关和 蛋白质降解 标签，根据各自分类基因调控水平。