合成生物五大底层技术

Rose

合成生物的高速发展，离不开底层技术的进步，随着系统生物学、蛋白质工程等技术的持续发展，合成生物技术也有望迎来新的飞跃。



01基因测序技术

基因测序技术从第一代发展至第三代，提升基因测序效率的同时，也降低了基因测序的成本。早期的一代测序技术时期，人类全基因组测序需要30亿美元，而2019年人类全基因组测序的成本已经降至1000美元，预计在未来10年内，其成本将要继续下降至100美元以下。基因测序是合成生物研究的基础，是人类“打开眼睛看世界”的重要手段，基因测序效率和成本直接决定了行业的发展。



基因测序技术的发展

• 一代：准确度高，通量低（只能测一条1000bp左右的DNA片段），成本高。
  
• 二代：准确度低（需要拼接，有错配），通量高（一次可以测多条300bp的DNA片段），成本低。
  
• 三代：准确度高，通量高（一次可以测多条1000bp以上的DNA片段），成本高。
  

三代测序的对比

02基因编辑技术

基因编辑技术决定了对生命体遗传物质的定向改造，进而可实现对生命体性状和代谢的改变，是合成生物学的非常重要的基础工具。

基因编辑技术进步经历了第一代锌指蛋白技术（ZFN），第二代类转录激活因子效应物（TALEN）技术，以及第三代CRISPR/Cas9技术。CRISPR技术克服了传统基因操作的周期长、效率低、应用窄等缺点，大大提高了基因操作的便捷度。



三代基因编辑的对比

CRISPR是clusters of regularly interspaced short palindromic repeats（成簇的规律间隔的短回文重复序列）的简称，是细菌免疫系统的一部分，因而CRISPR首先是从细菌中改造而来的。为抵御外来病毒感染，细菌会切割并破坏入侵病毒的DNA。当细菌从一次病毒感染中幸存下来后，它们会保留一部分病毒DNA，用于记录，当下一次相同病毒再次侵入时，细菌便可以快速识别出入侵病毒并破坏病毒DNA。

CRISPR基因编辑系统主要有两部分：

• Cas9蛋白，充当“剪刀”。
  
• 可定制设计的RNA向导序列（guide），别特异性的DNA序列，作为“向导”。  要对基因进行编辑，就得用“剪刀”先把不要的部分去除。而剪切的位置，则需要“向导”来指引。RNA向导序列是与特定的剪切靶标基因互补的单链核苷酸。
  

CRISPR示意图

CRISPR技术拥有强大的基因编辑能力，已经被广泛应用于微生物、动植物细胞等编辑方面，也在人类遗传性疾病的临床治疗上有所进展，但是其仍然存在着伦理学风险和脱靶效应，其中脱靶效应会导致位置的风险。

03基因合成技术

基因编辑技术侧重对DNA局部序列进行重编辑，而基因合成技术则侧重于对DNA进行大片段的人工合成。DNA是生命遗传物质，DNA合成技术的突破，使人类真正成为了“造物主”。



基因合成技术进步

寡核苷酸合成始于上世纪50年代，到80年代已经开发出柱式合成技术，该技术完善至今，自动化设备已经逐步成熟，但仍然效率较低、成本较高，适合短链DNA的合成。其他的方法也在逐步研究和推向应用的阶段。



基因合成技术代际

04系统生物技术

系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。系统生物学不同于以往的实验生物学——仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究所有的基因、所有的蛋白质、所有组分间的所有相互关系。系统生物学的目标是——将生命活动“数字化”分析。



转录组学处理大量数据

系统生物学的主要技术平台为基因组学（DNA）、转录组学（mRNA）、蛋白质组学（蛋白质/酶）、代谢组学（产物）等。由于系统生物学收集的数据是全局化、系统化、数字化的，会产生大量的数据，因此由人工处理是不现实的，因此系统生物学与计算机科学、统计学等学科的联系非常紧密。

系统生物学目前仍然以研究为主，成本较高，周期较长，因此应用较少；但其潜在的应用价值非常高。在合成生物领域，如果需要对目标产物的生产指标做出调整，代谢组学是非常适合的方法。

05酶的定向进化技术

酶是微生物体内的催化剂，承担物质转化的功能，效率与其结构密切相关。理论上，任何化学反应都可以实现酶催化（如二氧化碳合成淀粉）。

酶是一种蛋白质，由氨基酸残基构成，存在着四级结构，其立体结构决定了催化活性。改变氨基酸残基，可以实现酶结构的改变，从而改变催化活性。主要是改变蛋白质活性口袋附近的氨基酸序列，使其对底物的亲和力发生变化。



酶的活性口袋

常见氨基酸共22种，活性口袋位置通常有数个氨基酸残基，因此会众多突变体，改造的工作量巨大。假设一个酶有3个活性位点氨基酸，则突变体数量为21*21*21=9261个。



酶的突变位点

以人力从中筛选出正向突变的难度很大；利用人工智能、神经网络技术等，模拟小分子与酶的接触，可快速测算出合适的正向突变体。

酶的定向进化技术是合成生物的重要突破口，目前仍在技术发展阶段，在实现物质的高效率合成转化方面具有重要价值。

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