结构生物化学/合成生物学

合成生物学概览

合成生物学是一个新兴领域，科学家们将生物学和工程学的原理结合起来，以在生物体中产生可能或可能不会自然发生的生物学功能。合成生物学的一个目标是了解活细胞中的许多相互作用，并通过制造生物系统和了解它们如何发挥作用来实现这一目标。由于自然生物系统非常复杂，该领域的科学家从制造简单的合成系统开始，然后研究影响该制造系统的因素。通过这种方式，未来合成系统的“设计”可以不断改进，同时更深入地了解这些生物系统内部的复杂相互作用。因此，这个想法是通过自下而上的构建和设计来理解活系统中的复杂相互作用。最初，这是系统生物学领域的追求目标，旨在通过将所有生物相互作用作为一个整体来了解活系统的复杂性，然后提出模型来描述它们如何产生复杂的功能。合成生物学具有相同的目标，但这些相互作用是通过尝试复制它们来研究的。该领域的未来发展在发现新药物和治疗疾病的方法方面也具有巨大潜力。

分子生物学中心法则。

合成生物学家构建和研究合成生物系统的其中一种方法是构建基因振荡器。这些振荡器被视为“电路”，可以设计来控制细胞中的基因表达。这种振荡器旨在进一步研究发生在生物体中的自然生物节律。这些节律可能会受到外部因素的影响，例如昼夜循环，并影响生理行为，例如睡眠和迁移模式。为了了解这些基因振荡器的工作原理，了解分子生物学的基础知识很重要。“分子生物学中心法则”指出蛋白质是由 DNA 产生的，DNA 被转录成 mRNA（信使 RNA），然后被“翻译”以产生蛋白质。蛋白质由特定基因编码。该基因的转录由启动子控制，称为 RNA 聚合酶，其催化转录的能力受可阻碍其进程或催化其进程的蛋白质控制。前一种蛋白质被称为“阻遏物”，后一种蛋白质被称为“激活物”。这些蛋白质在 DNA 和 RNA 聚合酶之间起作用以执行其功能。虽然此过程并非对所有基因都适用，因为某些基因始终需要表达，但对于了解其他基因在需要时如何表达非常重要。一个合成基因振荡器的例子可能是当质粒（DNA 的环状区域）中存在多个基因系统时，其中每个基因都编码用于充当一个基因启动子的阻遏物的蛋白质系统。以这种方式，一旦一个基因被“激活”，它就会产生蛋白质，这些蛋白质抑制系统中另一个基因的转录，进而抑制抑制第一个基因的另一个基因。这样的系统会导致基因表达的振荡，称为负反馈回路，如果其中一个基因编码荧光蛋白，则可以观察到。这些振荡可以用与分析电子控制系统相同的方式进行数学建模和分析。该领域的进展可以导致可以设计为适合描述其行为的控制参数的基因振荡器。

负反馈回路的示例。

合成基因振荡器是使用重组 DNA 技术的原理构建的。要包含在重组质粒中的基因及其启动子通过 PCR 被切割和扩增。原始质粒被酶切割，然后 DNA 被连接到原始质粒。对要包含在振荡器中的其余基因重复此过程。它们随后被转化到细胞中，以研究振荡器的影响。

定义合成生物学空间

合成生物学可以存在于不同级别的复杂性和与自然的偏差中，具体取决于所涉及的生物单元的复杂性和用于研究这些生物成分的特定领域。最近，Derek Woolfson 等人提出了合成生物学空间的概念，以整理合成生物学中所涉及的不同生物成分复杂性和采取的不同方法。^[1]

不同的生物成分按复杂性顺序划分：基本单元、构造体、自组装单元和功能组件。基本单元被定义为氨基酸、核酸、糖和脂类。除了这些构建块之外，合成生物学旨在增加合成生物学家可以使用的构建块的数量。甚至已经证明可以制造出与天然对应物完全不同的这些构建块。然而，Woolfson 等人表明这些合成构建块有两个主要缺点：尚不清楚这些合成基本单元是否可以在活系统中工作，并且没有模板用于它们在活系统中的复制。构造体是生物成分复杂性链条中的下一级，它们指的是尚未组装成更高阶结构的基本单元链。构造体的例子可能包括蛋白质中的α螺旋和β折叠。可以制造合成构造体，特别是具有各种二维和三维形式的 DNA。当涉及从肽组装合成构造体时，人们的了解要少得多。然而，在卷曲螺旋 α 螺旋的情况下取得了进展，因为它们包含进一步组装成不同构象的信息。

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  基本单元的例子，氨基酸。
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  基本单元形成一个构造体，这里显示为 α 螺旋。
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  构造体形成自组装单元，这里显示为由 α 螺旋组成的蛋白质。

自组装单元包含足够的信息来自行组装成一个离散的单元。使用计算机辅助程序（如 Rosetta Design）在合成设计自组装单元方面取得了进展。该程序的工作原理是考虑到在自组装单元中空间位阻最小（能量最有利）的氨基酸序列。另一种方法是使用蛋白质中天然肽链的数据库，并将它们合并以形成更复杂的肽。还表明可以设计具有“切换序列”的蛋白质。这些指的是根据其环境具有不同构象折叠的蛋白质。用于合成生物学的最复杂的生物成分被称为功能组件。这些功能组件可以被合成生物学家融合在一起，以制造具有各种不同形状和几何形状的新组件。

如前所述，可以采取四种不同的方法来进行合成生物学，具体取决于所使用的生物成分的复杂性及其与自然世界的偏差。它们是基因组工程、生物分子工程、生物分子设计和原始细胞设计。基因组工程主要涉及操纵和构建 DNA 序列。生物分子工程利用融合不同功能组件的能力来产生某些功能。生物分子设计涉及使用生物分子组件进行生物设计。看似遥不可及的原始细胞设计旨在从合成部件生产一个完全自持的生物系统。为此，一个主要挑战是生产形式为膜的合成包封材料，该材料具有合适的流动性和渗透性。另一个挑战涉及可能设计整合膜蛋白。