Synthetic biology.

文献信息

DOI	10.1038/nrg1637
PMID	15995697
期刊	Nature reviews. Genetics
影响因子	52.0
JCR 分区	Q1
发表年份	2005
被引次数	240
关键词	合成生物学, 人工生命, 诊断工具, 系统组装
文献类型	Journal Article, Review
ISSN	1471-0056
页码	533-43
期号	6(7)
作者	Steven A Benner, A Michael Sismour

一句话小结

合成生物学研究者分为两类，一类旨在通过非自然分子重现自然生物学的涌现行为以创造人工生命，另一类则利用自然生物学的可互换部件组装具有新功能的系统。该领域的研究推动了新范式的出现，开发出改进传染病患者护理的诊断工具及具备动态行为的设备，显著扩展了生物学和医学的应用潜力。

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合成生物学 · 人工生命 · 诊断工具 · 系统组装

摘要

合成生物学家大致可以分为两类。一类使用非自然分子来重现自然生物学中的涌现行为，目标是创造人工生命。另一类则寻求来自自然生物学的可互换部件，以组装成具有非自然功能的系统。无论哪种方式，合成的目标都迫使科学家踏入未知领域，遇到并解决那些通过分析难以发现的问题。这驱动了新范式的出现，而这些是分析难以做到的。合成生物学已经开发出改进传染病患者护理的诊断工具，以及能够振荡、爬行和玩井字棋的设备。

英文摘要

Synthetic biologists come in two broad classes. One uses unnatural molecules to reproduce emergent behaviours from natural biology, with the goal of creating artificial life. The other seeks interchangeable parts from natural biology to assemble into systems that function unnaturally. Either way, a synthetic goal forces scientists to cross uncharted ground to encounter and solve problems that are not easily encountered through analysis. This drives the emergence of new paradigms in ways that analysis cannot easily do. Synthetic biology has generated diagnostic tools that improve the care of patients with infectious diseases, as well as devices that oscillate, creep and play tic-tac-toe.

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主要研究问题

核心洞察

研究背景和目的

合成生物学是一个新兴领域，旨在通过创造人工生命或利用自然生物的可互换部件来重组生物系统。该领域的目标是解决自然生物学中难以通过分析直接获得的复杂问题，并推动新的科学范式的出现。文献中探讨了合成生物学的历史、方法和应用，特别是如何通过合成方法推动科学发现和理论发展。

主要方法/材料/实验设计

合成生物学的研究主要分为两大类：一类使用非自然分子来再现自然生物的涌现行为，另一类则是从自然生物中提取可互换的部件进行组装。以下是研究的技术路线：

关键结果和发现

合成遗传系统：文献中提到的Bayer的分支DNA检测方法每年帮助改善约400,000名HIV和肝炎病毒感染患者的护理。这种方法利用了合成的遗传系统，能够在样本中检测到极少量的目标RNA。
DNA的可互换性：研究表明，DNA的模块化结构允许科学家通过改变核苷酸而不影响其配对规则来创建新的遗传系统。
合成蛋白质的挑战：尽管在核酸的合成生物学中取得了一些成功，但蛋白质的工程化仍面临挑战，因为氨基酸的相互作用复杂，缺乏重复电荷。

主要结论/意义/创新性

合成生物学通过推动科学家在合成和分析之间的平衡，促进了对生物系统的理解。合成方法不仅为研究提供了新的工具，还推动了对遗传、进化和生物功能的深入理解。文献强调，合成生物学的成功将依赖于能够创建能够支持达尔文进化的人工化学系统。

研究局限性和未来方向

局限性：当前的合成生物学方法主要集中在核酸上，蛋白质的工程化仍未达到相同的成功水平，且许多设计项目因动态内核和沉淀问题而失败。
未来方向：未来的研究应聚焦于改进蛋白质设计工具，开发新的计算方法和理论，以实现更复杂的合成生物系统。同时，合成生物学的潜在风险和伦理问题也需引起重视，以确保技术的安全应用。

通过上述总结，文献展示了合成生物学在推动生物科学发展的重要性及其在医学、工程和基础研究中的应用潜力。

参考文献

Analysis of the role of the KMSKS loop in the catalytic mechanism of the tyrosyl-tRNA synthetase using multimutant cycles. - E A First;A R Fersht - Biochemistry (1995)
Betadoublet: de novo design, synthesis, and characterization of a beta-sandwich protein. - T P Quinn;N B Tweedy;R W Williams;J S Richardson;D C Richardson - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (1994)
Multicenter evaluation of the performance characteristics of the bayer VERSANT HCV RNA 3.0 assay (bDNA). - Tarek Elbeik;Johan Surtihadi;Mark Destree;Jed Gorlin;Mark Holodniy;Saeed A Jortani;Ken Kuramoto;Valerie Ng;Roland Valdes;Alexandra Valsamakis;Norah A Terrault - Journal of clinical microbiology (2004)
Atomic coordinates and structure factors for two helical configurations of polypeptide chains. - L PAULING;R B COREY - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (1951)
The ups and downs of nucleic acid duplex stability: structure-stability studies on chemically-modified DNA:RNA duplexes. - S M Freier;K H Altmann - Nucleic acids research (1997)
Detecting compensatory covariation signals in protein evolution using reconstructed ancestral sequences. - K Fukami-Kobayashi;D R Schreiber;S A Benner - Journal of molecular biology (2002)
Density-functional theory for the freezing of water. - Ding; Chandler; Smithline; Haymet - Physical review letters (1987)
Engineering of Ralstonia eutropha for production of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) from fructose and solid-state properties of the copolymer. - Toshiaki Fukui;Hideki Abe;Yoshiharu Doi - Biomacromolecules (2002)
Regulation of repressor expression in lambda. - H Eisen;P Brachet;L Pereira da Silva;F Jacob - Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (1970)
The thermodynamics of DNA structural motifs. - John SantaLucia;Donald Hicks - Annual review of biophysics and biomolecular structure (2004)

引用本文的文献

The use of thymidine analogs to improve the replication of an extra DNA base pair: a synthetic biological system. - A Michael Sismour;Steven A Benner - Nucleic acids research (2005)
On the evolution of the standard amino-acid alphabet. - Yi Lu;Stephen Freeland - Genome biology (2006)
Gene Designer: a synthetic biology tool for constructing artificial DNA segments. - Alan Villalobos;Jon E Ness;Claes Gustafsson;Jeremy Minshull;Sridhar Govindarajan - BMC bioinformatics (2006)
Protein engineering: security implications. The increasing ability to manipulate protein toxins for hostile purposes has prompted calls for regulation. - Jonathan B Tucker;Craig Hooper - EMBO reports (2006)
Systems interface biology. - Francis J Doyle;Jörg Stelling - Journal of the Royal Society, Interface (2006)
Leaner and meaner genomes in Escherichia coli. - David W Ussery - Genome biology (2006)
Construction of an in vitro bistable circuit from synthetic transcriptional switches. - Jongmin Kim;Kristin S White;Erik Winfree - Molecular systems biology (2006)
Synthetic protocell biology: from reproduction to computation. - Ricard V Solé;Andreea Munteanu;Carlos Rodriguez-Caso;Javier Macía - Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences (2007)
High-yield hydrogen production from starch and water by a synthetic enzymatic pathway. - Y-H Percival Zhang;Barbara R Evans;Jonathan R Mielenz;Robert C Hopkins;Michael W W Adams - PloS one (2007)
Artificial life and living systems: Insight into artificial life and its implications in life science research. - Sarvothaman Guruprasad;Kanagaraj Sekar - Bioinformation (2006)

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