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Synthetic biology--putting engineering into biology.
文献信息
| DOI | 10.1093/bioinformatics/btl469 |
|---|---|
| PMID | 16954140 |
| 期刊 | Bioinformatics (Oxford, England) |
| 影响因子 | 5.4 |
| JCR 分区 | Q1 |
| 发表年份 | 2006 |
| 被引次数 | 73 |
| 关键词 | 合成生物学, 工程驱动, 人工基因网络, 蛋白质工程, DNA合成 |
| 文献类型 | Journal Article, Review |
| ISSN | 1367-4803 |
| 页码 | 2790-9 |
| 期号 | 22(22) |
| 作者 | Matthias Heinemann, Sven Panke |
一句话小结
合成生物学通过工程驱动的方法构建复杂生物实体，旨在实现新的应用，其核心在于将目标导向、科学原理的理解和标准化设计融入生物系统中。研究表明，人工基因网络、DNA合成和蛋白质工程的进展使得在制药领域实现可行的合成生物学应用成为可能，促进了生物技术的创新发展。
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合成生物学 · 工程驱动 · 人工基因网络 · 蛋白质工程 · DNA合成
摘要
合成生物学被解读为一种以工程驱动的方式构建日益复杂的生物实体，以用于新颖的应用。受人工基因网络设计、从头合成DNA和蛋白质工程进展的鼓励，我们回顾了这一新兴学科的背景。工程方法的关键方面包括目标导向、对基本科学原理的深刻理解、包括适当接口在内的抽象层级，以及设计与制造的标准化和分离。合成生物学探讨将这些要求融入生物系统工程过程的可能性。这在DNA层面上通过实施受到工程启发的人工操作（如开关切换、振荡或空间模式的产生）得以体现。在蛋白质层面，许多蛋白质的功能性自包含域结构暗示了类似乐高的重组可能性，这可以被用于重新编程DNA结合域的特异性或信号通路。另一方面，计算设计的出现使得合理地重新编程酶功能成为可能。最后，日益增强的从头合成DNA能力——合成生物学的系统制造过程——为实施新设计以构建越来越复杂的系统提供了可能性。这些元素中的一些已经结合，实现了在制药化合物制造领域的首批切实可行的合成生物学应用。
英文摘要
Synthetic biology is interpreted as the engineering-driven building of increasingly complex biological entities for novel applications. Encouraged by progress in the design of artificial gene networks, de novo DNA synthesis and protein engineering, we review the case for this emerging discipline. Key aspects of an engineering approach are purpose-orientation, deep insight into the underlying scientific principles, a hierarchy of abstraction including suitable interfaces between and within the levels of the hierarchy, standardization and the separation of design and fabrication. Synthetic biology investigates possibilities to implement these requirements into the process of engineering biological systems. This is illustrated on the DNA level by the implementation of engineering-inspired artificial operations such as toggle switching, oscillating or production of spatial patterns. On the protein level, the functionally self-contained domain structure of a number of proteins suggests possibilities for essentially Lego-like recombination which can be exploited for reprogramming DNA binding domain specificities or signaling pathways. Alternatively, computational design emerges to rationally reprogram enzyme function. Finally, the increasing facility of de novo DNA synthesis-synthetic biology's system fabrication process-supplies the possibility to implement novel designs for ever more complex systems. Some of these elements have merged to realize the first tangible synthetic biology applications in the area of manufacturing of pharmaceutical compounds.
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主要研究问题
- 在合成生物学中，如何确保设计与制造过程之间的有效分离？
- 目前在合成生物学领域，哪些具体的应用实例展示了工程驱动的设计理念？
- 合成生物学的标准化进程如何影响不同层次之间的接口设计？
- 在蛋白质工程中，如何利用功能自-contained域结构进行模块化重组？
- 计算设计在合成生物学中如何帮助理性重编程酶的功能？
核心洞察
1. 研究背景和目的
合成生物学作为一门新兴学科，旨在将工程学的理念应用于生物学，通过构建越来越复杂的生物实体，开发新的应用。随着人工基因网络设计、全新DNA合成和蛋白质工程等领域的进展，合成生物学的潜力得到了广泛关注。研究的目的是探讨如何将工程化的思维方式有效地应用于生物系统的设计和制造，以实现更高层次的生物功能和应用。
2. 主要方法和发现
本研究采用了多种方法来探讨合成生物学的工程化过程。首先，从DNA层面分析了工程灵感下的人工操作，如开关切换、振荡和空间模式的生产等。这些操作展示了对生物系统进行工程设计的可能性。在蛋白质层面，研究发现许多蛋白质具有功能自包含的结构，这为类似乐高积木的重组提供了机会，可以重新编程DNA结合域的特异性或信号通路。此外，计算设计的兴起使得研究者能够理性地重新编程酶的功能。最后，随着全新DNA合成技术的进步，合成生物学的系统制造过程变得更加便捷，为实现更复杂系统的创新设计提供了可能。
3. 核心结论
合成生物学通过将工程学的原则应用于生物系统的设计与制造，展现了其在科学和应用层面的巨大潜力。研究表明，目的导向的设计、深入的科学原理理解、适当的抽象层次及标准化，以及设计与制造的分离是合成生物学成功的关键要素。这些元素的结合，已经在制药化合物的制造等领域实现了初步的合成生物学应用。
4. 研究意义和影响
本研究为合成生物学的快速发展提供了理论基础和实践指南，强调了工程化思维在生物学研究中的重要性。随着技术的进步，合成生物学有望在药物制造、环境修复和生物能源等多个领域引发革命性变化。通过推动生物系统的设计与生产，合成生物学不仅能够促进基础科学的发展，还能为社会经济带来深远的影响，推动生物技术的商业化进程。
引用本文的文献
- Systems biology and biological systems diversity for the engineering of microbial cell factories. - Pau Ferrer - Microbial cell factories (2007)
- Synthetic biology: promises and challenges. - Luis Serrano - Molecular systems biology (2007)
- Recursive construction of perfect DNA molecules from imperfect oligonucleotides. - Gregory Linshiz;Tuval Ben Yehezkel;Shai Kaplan;Ilan Gronau;Sivan Ravid;Rivka Adar;Ehud Shapiro - Molecular systems biology (2008)
- Optimization in computational systems biology. - Julio R Banga - BMC systems biology (2008)
- Diffusion of synthetic biology: a challenge to biosafety. - Markus Schmidt - Systems and synthetic biology (2008)
- Toward minimal bacterial cells: evolution vs. design. - Andrés Moya;Rosario Gil;Amparo Latorre;Juli Peretó;Maria Pilar Garcillán-Barcia;Fernando de la Cruz - FEMS microbiology reviews (2009)
- Stability from structure: metabolic networks are unlike other biological networks. - P van Nes;D Bellomo;M J T Reinders;D de Ridder - EURASIP journal on bioinformatics & systems biology (2009)
- You're one in a googol: optimizing genes for protein expression. - Mark Welch;Alan Villalobos;Claes Gustafsson;Jeremy Minshull - Journal of the Royal Society, Interface (2009)
- Piecing together a puzzle. An exposition of synthetic biology. - Anna Deplazes - EMBO reports (2009)
- Robust synthetic biology design: stochastic game theory approach. - Bor-Sen Chen;Chia-Hung Chang;Hsiao-Ching Lee - Bioinformatics (Oxford, England) (2009)
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