合成生物学深度报告（68页）

行业报告下载 2022年09月11日 08:55 管理员

设计是合成生物学“设计‐构建‐检验‐学习”循环的基础，利用数据库中生物系统的各种信息可以对生物元件、代谢通路、基因组进行理性设计。生物元件是具有特定功能的氨基酸或者核苷酸序列，包括启动子、终止子、核糖体结合位点、蛋白质编码区域等，这些生物元件主要来源于对自然界中各种生物氨基酸、核苷酸序列的挖掘。收集各类生物元件并构建生物元件库可以实现元件信息和实物的共享，最著名的是美国麻省理工学院的“标准生物元件登记库” (RSBP)。近年开发的人工智能算法 Alphafold2，能够基于 DNA 序列进行蛋白质的结构和功能预测，加快非自然存在的生物元件的理性设计。未来基于 Alphafold2 可以开发出自然界目前不存在的具有特定功能的蛋白，从而开发出新的代谢线路或是利用合成生物学方法合成自然界中无法生物合成的物质。代谢通路设计像电子工程电路编程一样对生命的运行过程进行重新编程。像生物元件一样，代谢网络也有相应的数据库，如 KEGG pathways，数据库中存储着大量细胞中物质代谢的信息。通过挖掘数据库中相应的代谢通路，并进行代谢网络组装和分析，就可以构建出合适的代谢通路。在基因组设计方面，部分软件可以使研究者从全局出发，快速高效地完成设计。

例如 BioStudio 软件已被应用于酵母染色体合成项目 Syn2.0 的设计中。Amyris 等平台型公司的自动化设计平台可以实现自动化的基因组设计。“构建”是指通过 DNA 合成、DNA 组装、基因编辑等手段将设计好的代谢通路导入底盘细胞内，是合成生物学中的“芯片”制作过程。 DNA 合成技术在合成生物学的发展过程中起着十分重要的支撑作用，目前的主流技术为固相亚磷酰胺化学合成法，由于合成长度、错配率与生产成本之间的制约关系，合成长度一般不超过 200~300 bp。微阵列芯片的发展将会进一步提高合成效率，降低合成成本。此外，随着无模板酶促合成法的发展及相关瓶颈的突破，将可实现更长寡核苷酸 Oligo 的合成。 DNA 片段从头合成的长度有限，更长的基因或基因组则需要通过寡核苷酸片段的酶促组装或体内组装获得，目前有 BioBrick、BglBricks、In-Fusion、Gateway、 Golden Gate、Gibson 等多种组装方法。基因型检验是重要的质量控制环节，也就是需要通过测序来确定改造后的基因组是否符合最初的设计。Sanger 测序法受到成本及测序长度的阻碍，无法大规模应用。二代测序使大规模测序成为可能，高通量平行测序极大降低了测序成本。表现型检验主要是测定胞内和胞外各种代谢产物的含量，最常用的方法是质谱检测。传统的检测方法无法满足合成生物学对大量检验的需求，目前已经开发了多种高通量或自动化的筛选与检测技术来提高测试的效率，其中比较有代表性的是可以进行菌株筛选和表型筛选的液滴微流控技术。

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