在高科技迅猛發(fā)展的時(shí)代，合成生物技術(shù)是各領(lǐng)域中最無(wú)法忽視的一項(xiàng)新興技術(shù)。自其誕生以來(lái)，其發(fā)展的速度使越來(lái)越多的科學(xué)家對(duì)其產(chǎn)生極大的研究興趣?，F(xiàn)階段合成生物技術(shù)的研究正處于較為基礎(chǔ)的階段，但是在生物科學(xué)、生物燃料、生物醫(yī)療、生態(tài)環(huán)境、生物能源等領(lǐng)域仍起到了重要的作用。合成生物學(xué)是生物化工產(chǎn)業(yè)鏈的底層核心技術(shù)之一。完整的生物化工全產(chǎn)業(yè)鏈有6大環(huán)節(jié)，包括基因工程、菌種培育、發(fā)酵過(guò)程分離純化、改性合成和開(kāi)發(fā)應(yīng)用。因此，一個(gè)細(xì)胞就像是一個(gè)工廠。
細(xì)胞工廠的構(gòu)建首先需要?jiǎng)?chuàng)建微生物的基因組代謝網(wǎng)絡(luò)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出目標(biāo)化學(xué)品的最優(yōu)合成途徑，避免其他副產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)，使目標(biāo)化學(xué)品的合成途徑在熱力學(xué)上可行，合成過(guò)程能量供給充足。自然狀態(tài)下，如不摻雜人為因素，微生物合成途徑中各個(gè)酶的催化效率幾乎不可能達(dá)到非常協(xié)調(diào)的狀態(tài)，催化效率慢會(huì)限制合成的速度，催化效率快會(huì)導(dǎo)致中間代謝物累積使細(xì)胞“中毒”。這些都會(huì)制約細(xì)胞工廠的生產(chǎn)速率。因此，優(yōu)化合成途徑使其達(dá)到平衡協(xié)調(diào)的狀態(tài)這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要。目前主要通過(guò)多基因調(diào)控技術(shù)及蛋白骨架技術(shù)來(lái)調(diào)整基因序列或者酶的順序來(lái)提升催化效率。
DFTC2023發(fā)酵領(lǐng)域
應(yīng)用工程技術(shù)全流程分享大會(huì) 胡博士 分享內(nèi)容見(jiàn)本期次條 3. 合成生物學(xué)的主要研究領(lǐng)域
3.1. 基因元件 基因（生物）元件 (Genetic Element)是指具有某種特定的生物學(xué)功能的DNA 或 RNA，是設(shè)計(jì)合成生物的的基本單位。其主要的特性是信號(hào)接收與輸入，信號(hào)發(fā)出和產(chǎn)物輸出功能，調(diào)節(jié)信息流、代謝與生物合成功能，與其他元件相互作用，具有特定的工作環(huán)境。它可以是功能元件也可以是界面調(diào)控元件。其中包括功能基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯與修飾、功能酶反應(yīng)等基因的調(diào)控。標(biāo)準(zhǔn)化的基因元件被稱為“生物磚”，是具有可連接性末端的基因元件。 生物模塊 (Biological Module) 是指一組細(xì)胞內(nèi)區(qū)域化的生物器件(Biological Device)，它們由內(nèi)在功能聯(lián)系在一起，執(zhí)行特定的復(fù)雜功能。細(xì)胞內(nèi)模塊往往是具有特定功能的途徑，如代謝途徑、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、調(diào)控途徑等。其中模塊可以由“生物磚”通過(guò)某種邏輯關(guān)系構(gòu)建而成，但功能必須完全清楚。基因突變是指 DNA 序列中堿基排列順序的變化，包括點(diǎn)突變、易位、倒置、插入、缺失等。在合成生物學(xué)的研究中，采用 PCR 技術(shù)，通過(guò)序列的定向突變，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原始基因序列優(yōu)化，合成新的基因功能、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)等，從而滿足生物元件的設(shè)計(jì)要求。
4.1. 探索生命奧秘 對(duì)于生命本質(zhì)的探索科學(xué)家們從來(lái)都是樂(lè)此不疲。合成生物技術(shù)，尤其是人工合成生命的出現(xiàn)，使我們對(duì)探索生命的奧秘有了突破性的進(jìn)展。現(xiàn)階段我們對(duì)生命與自然規(guī)律的了解只是九牛一毛，合成生物技術(shù)能夠由人類親自設(shè)計(jì)與組建生命，這種自下而上的研究方法與傳統(tǒng)的生物學(xué)技術(shù)研究方法是完全相反的。4.2. 生物新能源 當(dāng)今世界不可再生能源急劇減少，“石油之戰(zhàn)”屢見(jiàn)不鮮，合成生物技術(shù)的出現(xiàn)緩解了能源短缺的情況。生物酒精（生物乙醇），是通過(guò)糧食作為原材料經(jīng)過(guò)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為燃料。這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)使人們看到了石油可被取代的希望，生物酒精比石油的成本低出很多并且更加環(huán)保。光合藻類，是將藻類細(xì)胞通過(guò)合成生物技術(shù)提煉或分泌出油脂，從而制造柴油或者其他燃料。如果這項(xiàng)技術(shù)能夠大規(guī)模地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，那么其商業(yè)價(jià)值前景不可估量。4.3. 醫(yī)療衛(wèi)生 合成生物技術(shù)在藥物方面最著名的就是生物合成青蒿素從而提高抗瘧疾藥物的產(chǎn)量，并且降低了成本。此前青蒿素曾被化學(xué)合成，但化學(xué)合成的成本較高，導(dǎo)致產(chǎn)量很低，很多人仍死于瘧疾，其中大部分為兒童。直到生物合成青蒿素的出現(xiàn)，研究人員利用工業(yè)微生物發(fā)酵生產(chǎn)青蒿素。至此之后青蒿素的產(chǎn)量有了顯著提高。合成生物技術(shù)也有利于醫(yī)療疫苗以及醫(yī)療器械的研發(fā)與生產(chǎn)。目前主要是流感病的疫苗的研發(fā)，利用合成生物技術(shù)可以快速建立病毒模型，提高病毒疫苗產(chǎn)量。4.4. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 合成生物技術(shù)在緩解全球糧食短缺方面也有著突出貢獻(xiàn)?？茖W(xué)家利用合成生物技術(shù)設(shè)計(jì)出抗病害強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)作物以及工業(yè)原料，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
生物合成學(xué)在材料領(lǐng)域的拓展是傳統(tǒng)觀念發(fā)酵技術(shù)的一種革新。相對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)合成技術(shù)，其碳排放更低,生產(chǎn)流程更短，但同時(shí)也面臨著產(chǎn)物提純和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。未來(lái)新的提純技術(shù)是合成生物學(xué)興起的重要制約技術(shù)，同時(shí)隨著新的基因代謝路徑的設(shè)計(jì)更多的材料將能夠通過(guò)生物合成的方式生產(chǎn)。
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