国家自然基金标书-新功能人造生物器件的构建与集成.DocVIP

项目名称： 新功能人造生物器件的构建与集成 首席科学家： 赵国屏 中国科学院上海生命科学研究院 起止年限： 2012.1-2016.8 依托部门： 中国科学院 一、关键科学问题及研究内容 合成生物学的基点是：基于工程化策略，采用标准化生物元件，构建通用型生物学模块，在有目的设计思想指导下，组装具有特定新功能的人工生命系统。相比其它工程领域（如电子工程）的研究对象，生命体系是高度动态、灵活调控、非线性、且不可预测的。如此复杂的体系如何以工程化的设计，获得特定的人工生物器件或生命系统，是合成生物学研究面临的核心科学问题。围绕着这一重大科学问题，本项目拟在生物元件、模块、途径、网络等层次上解决设计、合成、组装、调试等问题，即（1）生物功能器件（元件和模块）的设计原理；（2）生物功能器件的人工合成与标准化；（3）生物功能器件的适配机制。 1、拟解决的关键科学问题 1）生物功能器件的设计原理 提高对功能模块和元件的设计能力，是实现化合物生物合成途径组装的前提。生物的代谢多样性（特别是微生物和植物），决定了它们具有非常强大的合成各种初级和次生代谢产物的能力。然而，自然界中任何一种生物拥有的酶系种类和催化效率均有限，一般不能满足生产的需要。因此，根据目标化合物的结构特征，确定相应的生化反应类型，利用自然代谢的多样性，从基因组数据库中寻找、解耦、抽提相关的元件和相应的功能模块；基于对元件的功能表征，将相关代谢途径模块化，利用数学模型模拟计算不同元件组合后的功能输出，设计并优化生物合成途径，在底盘细胞上组装，有可能提高构建复杂代谢途径的效率，实现人造生物功能组合合成的工程化。同时，分析元件与功能模块的分子基础，包括物种的密码偏好性，将有利于理解自然元件进化的本质，指导元件与模块以功能优化为目的的人工进化。 2）生物功能器件的人工合成与标准化 生物功能元件是合成生物学研究的基石。编码酶蛋白的结构基因是代谢途径的基本结构元件，其序列决定了所编码蛋白的一级结构和催化效率。DNA结构元件在宿主细胞中的表达程度和活性受到调控元件的控制，它们共同组成了可催化某一步特定生化反应的简单功能模块。目前，用于合成生物学研究的元件库容有限，对它们的理解和功能表征不够；许多天然元件往往需要在改造后才能用于合成生物学研究。同时，高通量、低成本、高保真的DNA合成技术尚未建立，还不能大规模地人工合成新功能元件。发掘自然代谢的多样性，分析基因与蛋白等生物元件的结构、功能、调控以及分子进化特征，在现有生物学和基因组知识的指导下人工设计合成各种新功能元件，对各类元件进行工程性的定量的功能表征，建立代谢功能和调控功能明确的元件库和模块库，建立标准化的元件组装技术。为我国合成生物学发展提供实用的生物元件库，建立基于标准生物元件的合成代谢途径的技术体系，实现人造生物功能的组装合成。 3）生物功能器件的适配机制 合成生物学的目标是组装一系列具有特定代谢功能的分子模块，并赋予其整体功能。然而，人们对活细胞工作原理的了解还远远没有达到对电子机械设备工作原理所了解的程度，直接对自然界的器件进行组装常常不能按预期模式互相耦合，导致人工生物合成路线发生故障。同时，导入的生物合成功能模块往往会对底盘细胞造成很大的影响，甚至会抑制细胞的生长，也使得生物合成途径不能有效地工作。元件与元件之间、元件与模块之间、功能模块之间、以及功能模块和底盘细胞之间的适配程度，决定了生物合成途径的整体效率。建立高通量的检测与调试平台，对器件之间的组合在底盘细胞上进行高通量的测试，在此基础上认识并且优化器件之间的适配性。从基因、蛋白、网络、细胞的层面上理解各种模块组合对底盘细胞的影响，可以指导人工生物系统的组装优化。在基因组规模上分析人工细胞生物合成能力对遗传和环境扰动的响应，将有利于揭示人工细胞功能进化的遗传机理，深入理解化学品生物合成的调控机制，实现在底盘细胞上模块之间的优化磨合对接，极大地提升合成人工细胞的能动性和精确度。 2、主要研究内容 针对生物功能器件设计原理的科学问题（1），本项目研究将集中于通过整合各种组学数据，建立大肠杆菌、链霉菌和酵母等底盘细胞的代谢网络和调控网络模型，指导模块的设计合成以及人工细胞改造。分析基因组信息和生化反应数据信息，设计目标化合物合成途径。将设计的合成途径与底盘细胞网络模型虚拟整合，分析两者代谢的相容性，鉴定出目标化合物合成最优路线，并模拟预测网络中的重要途径及关键分支节点，提出人工细胞系统优化的策略以实现目标化合物合成途径的流量最大化。分析代谢途径网络的连通结构，建立功能模块的解耦方法，为目标化合物合成途径的组装提供设计方案。对生物元件进行数学建模，模拟计算不同元件组合后的功能输出，实现模型指导的功能模块的设计。 针对生物功能器件人工合成与标准化的科学问题（2），本项目研