科研方向信息
合成生物学研究
发布人:系统管理员  发布时间:2014-12-17   浏览次数:1749
 

 研究方向

合成生物学的目的是重新工程制造携带特定功能的DNA通路的细胞。通路是由许多元件组成的,也就是在转录和翻译过程中有确定功能的DNA片段。举个例子,元件可以是启动子,细菌的核糖体结合位点,蛋白质和小RNA的编码区域,以及终止子。合成基因通路的过程在电脑上完成。在电子通路中,首先会选择所有需要的元件,然后在电脑屏幕上展示它们,最后将它们连起来。生物网络应该具有维持分子(RNA聚合酶,核糖体和转录因子)流在系统组件上建立联系。

一旦通路建立起来,合成的基因通路就和数学模型联系起来。建模允许通路分析以及刺激。计算结果会推动完成通路在活细胞或者试管内建立的实验。

第一个合成基因通路是在大肠杆菌中建立的。它们由一些振荡器、脉冲发生器和双向开关组成。之后,酵母细胞和哺乳动物细胞也变成受欢迎的基因通路载体,同时,通路的复杂性也由基础的基因网络上升到信号通路重新工程和细胞合作。

   合成生物学研究遇到几个挑战:元件的标准化,可预测的数学模型的建立,设计通路的用户友好型软件发展,实验室中DNA的自动组装。这些问题需要在未来解决,在合成生物方法中,合成基因通路会在很多重要方面有应用:环境保护(检测和降解污染物),医学诊断,治愈疾病,生物燃料生产。


实验室介绍

我们的研究通过两个主要的平行轨道进行:

- 为合成基因通路设计和建模开发而发展计算方法;

- 实验室中在酵母细胞中执行合成基因通路。

特别是,我们在硅片设计和生物传感器的活体结构的自动话感兴趣。这种通路产生的输出(例如,荧光)响应于化学物质在环境中的存在。一个简单的生物传感器是一种包含合成与门的细胞。它接受两个输入端并反馈荧光信号仅当两个输入均存在在细胞环境中(中高量)。

在计算方面,我们正在开发一个软件叫“Parts & Pool”[1-2]来进行原核和真核通路的模块化设计。模块是标准生物元件(DNA序列,如启动子,编码区和终止子)和信号载体分子(RNA聚合酶,核糖体,转录因子,小分子RNA,以及化学药品)。目前,“Parts & Pool”是用Perl和Python语言书写的集合。每个脚本生成的不同元件或反应池中的生化模块。复杂元件的脚本,其含有大量的物种和相互作用,调用外部的软件,BioNetGen[3],即执行通过基于规则的建模技术种类和反应的计算。一旦我们的脚本生成的,用于元件/反应池文件被加载到另一个外部的软件,ProMoT[4],它的图形用户界面是帆布的视觉,“ drag & drop”的合成基因电路的设计。

“Parts & Pools”已经适应了数字化的基因通路的自动设计[5]。他们代表了我们要建设我们的实验室的生物传感器。

在实验室,我们正在致力于调节的启动子和mRNA的库的建立。它们模拟的基本逻辑功能,例如AND,NOT,N-IMPLY 是由我们的软件所生成的生物传感器的基本成分。 DNA的转录单位通过吉布森方法组装成PRS穿梭载体[6] [7]。质粒被存储到大肠杆菌细胞中,并转化到酵母细胞(简单转化或基因组整合)。通路的读出是通过FACS实验定量荧光。

参考资料 

[1] Marchisio, M. A. and Stelling, J., Bioinformatics, 2008, 24, 1903-1910

[2] Marchisio, M. A. et al., BMC systems biology, 2013, 7, 42

[3] Blinov, M. L. et al., Bioinformatics, 2004, 20, 3289-3291

[4] Mirschel, S. et al., Bioinformatics, 2009, 25, 687-689

[5] Marchisio, M. A. & Stelling, J., PLoS computational biology, 2011, 7, e1001083

[6] Sikorski, R. S. & Hieter, P., Genetics, 1989, 122, 19-27

[7] Gibson, D. G. et al., Nature Methods, 2009, 6, 343-345

最近发表的文章

 1. Marchisio M.A., Parts & Pools: a framework for modular design of synthetic gene circuits, Frontiers Bioeng Biotech, 2014, 42, doi: 10.3389/fbioe.2014.00042. 

  2. Marchisio, M. A., Insilico design & in vivo implementation of yeast gene Boolean gates. J BiolEng, 2014, 8, 6