結構生物化學/合成生物學

合成生物學概覽

合成生物學是一個新興領域，科學家們將生物學和工程學的原理結合起來，以在生物體中產生可能或可能不會自然發生的生物學功能。合成生物學的一個目標是瞭解活細胞中的許多相互作用，並透過製造生物系統和了解它們如何發揮作用來實現這一目標。由於自然生物系統非常複雜，該領域的科學家從製造簡單的合成系統開始，然後研究影響該製造系統的因素。透過這種方式，未來合成系統的“設計”可以不斷改進，同時更深入地瞭解這些生物系統內部的複雜相互作用。因此，這個想法是透過自下而上的構建和設計來理解活系統中的複雜相互作用。最初，這是系統生物學領域的追求目標，旨在透過將所有生物相互作用作為一個整體來了解活系統的複雜性，然後提出模型來描述它們如何產生複雜的功能。合成生物學具有相同的目標，但這些相互作用是透過嘗試複製它們來研究的。該領域的未來發展在發現新藥物和治療疾病的方法方面也具有巨大潛力。

分子生物學中心法則。

合成生物學家構建和研究合成生物系統的其中一種方法是構建基因振盪器。這些振盪器被視為“電路”，可以設計來控制細胞中的基因表達。這種振盪器旨在進一步研究發生在生物體中的自然生物節律。這些節律可能會受到外部因素的影響，例如晝夜迴圈，並影響生理行為，例如睡眠和遷移模式。為了瞭解這些基因振盪器的工作原理，瞭解分子生物學的基礎知識很重要。“分子生物學中心法則”指出蛋白質是由 DNA 產生的，DNA 被轉錄成 mRNA（信使 RNA），然後被“翻譯”以產生蛋白質。蛋白質由特定基因編碼。該基因的轉錄由啟動子控制，稱為 RNA 聚合酶，其催化轉錄的能力受可阻礙其程序或催化其程序的蛋白質控制。前一種蛋白質被稱為“阻遏物”，後一種蛋白質被稱為“啟用物”。這些蛋白質在 DNA 和 RNA 聚合酶之間起作用以執行其功能。雖然此過程並非對所有基因都適用，因為某些基因始終需要表達，但對於瞭解其他基因在需要時如何表達非常重要。一個合成基因振盪器的例子可能是當質粒（DNA 的環狀區域）中存在多個基因系統時，其中每個基因都編碼用於充當一個基因啟動子的阻遏物的蛋白質系統。以這種方式，一旦一個基因被“啟用”，它就會產生蛋白質，這些蛋白質抑制系統中另一個基因的轉錄，進而抑制抑制第一個基因的另一個基因。這樣的系統會導致基因表達的振盪，稱為負反饋迴路，如果其中一個基因編碼熒光蛋白，則可以觀察到。這些振盪可以用與分析電子控制系統相同的方式進行數學建模和分析。該領域的進展可以導致可以設計為適合描述其行為的控制引數的基因振盪器。

負反饋迴路的示例。

合成基因振盪器是使用重組 DNA 技術的原理構建的。要包含在重組質粒中的基因及其啟動子透過 PCR 被切割和擴增。原始質粒被酶切割，然後 DNA 被連線到原始質粒。對要包含在振盪器中的其餘基因重複此過程。它們隨後被轉化到細胞中，以研究振盪器的影響。

定義合成生物學空間

合成生物學可以存在於不同級別的複雜性和與自然的偏差中，具體取決於所涉及的生物單元的複雜性和用於研究這些生物成分的特定領域。最近，Derek Woolfson 等人提出了合成生物學空間的概念，以整理合成生物學中所涉及的不同生物成分複雜性和採取的不同方法。^[1]

不同的生物成分按複雜性順序劃分：基本單元、構造體、自組裝單元和功能元件。基本單元被定義為氨基酸、核酸、糖和脂類。除了這些構建塊之外，合成生物學旨在增加合成生物學家可以使用的構建塊的數量。甚至已經證明可以製造出與天然對應物完全不同的這些構建塊。然而，Woolfson 等人表明這些合成構建塊有兩個主要缺點：尚不清楚這些合成基本單元是否可以在活系統中工作，並且沒有模板用於它們在活系統中的複製。構造體是生物成分複雜性鏈條中的下一級，它們指的是尚未組裝成更高階結構的基本單元鏈。構造體的例子可能包括蛋白質中的α螺旋和β摺疊。可以製造合成構造體，特別是具有各種二維和三維形式的 DNA。當涉及從肽組裝合成構造體時，人們的瞭解要少得多。然而，在捲曲螺旋 α 螺旋的情況下取得了進展，因為它們包含進一步組裝成不同構象的資訊。

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  基本單元的例子，氨基酸。
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  基本單元形成一個構造體，這裡顯示為 α 螺旋。
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  構造體形成自組裝單元，這裡顯示為由 α 螺旋組成的蛋白質。

自組裝單元包含足夠的資訊來自行組裝成一個離散的單元。使用計算機輔助程式（如 Rosetta Design）在合成設計自組裝單元方面取得了進展。該程式的工作原理是考慮到在自組裝單元中空間位阻最小（能量最有利）的氨基酸序列。另一種方法是使用蛋白質中天然肽鏈的資料庫，並將它們合併以形成更復雜的肽。還表明可以設計具有“切換序列”的蛋白質。這些指的是根據其環境具有不同構象摺疊的蛋白質。用於合成生物學的最複雜的生物成分被稱為功能元件。這些功能元件可以被合成生物學家融合在一起，以製造具有各種不同形狀和幾何形狀的新元件。

如前所述，可以採取四種不同的方法來進行合成生物學，具體取決於所使用的生物成分的複雜性及其與自然世界的偏差。它們是基因組工程、生物分子工程、生物分子設計和原始細胞設計。基因組工程主要涉及操縱和構建 DNA 序列。生物分子工程利用融合不同功能元件的能力來產生某些功能。生物分子設計涉及使用生物分子元件進行生物設計。看似遙不可及的原始細胞設計旨在從合成部件生產一個完全自持的生物系統。為此，一個主要挑戰是生產形式為膜的合成包封材料，該材料具有合適的流動性和滲透性。另一個挑戰涉及可能設計整合膜蛋白。