合成生物学

合成生物学是一个结合生物学与工程学的领域，旨在创建或重新设计生物实体、生物体或生物通路。 这一理念类似于化学中的化学合成，即利用已知的化学反应来合成新的化合物。其最终目标多种多样，既可以是创造新的生物药物分子，也可以是改造生物体，使其具备降解废物的能力。本视频将讨论合成生物学的基本原理以及用于构建生物模块的一些技术。最后，我们将介绍这一新兴领域的一些实际应用。

这一新兴领域的主要目标 是利用生物学和生物工程作为工具，创造新的分子和生物体。就像电气工程师一样 利用单个电子元件构建功能电路，这是合成生物学的一个关键目标 从头开始利用单个细胞组分创建一种可编程的微生物。然而，目前这一目标仍远未实现，主要原因是生物过程尚未被充分理解。近年来的一些技术进步，如下一代DNA测序，使这一目标变得更加可行。通过DNA测序，研究人员能够识别具有特定理想性状的生物体中DNA序列特异性基因的功能。随后，可以大量合成精确的DNA序列，并利用转染技术对细胞进行遗传修饰。转染是指将遗传物质（如DNA或RNA）导入哺乳动物细胞的过程。当该技术应用于细菌细胞时，则称为转化。在此过程中，DNA通常与带正电荷的载体分子结合，或包裹于带正电荷的脂质体或聚合物颗粒（如聚乙烯亚胺）中。这种带正电荷的复合物会附着在带负电荷的细胞膜上，随后通过内吞作用进入细胞，内吞作用是一种分子通过细胞膜凹陷形成囊泡而进入细胞的过程 膜结合囊泡 称为内体。一旦进入细胞，遗传物质会离开内体并最终进入细胞核，在细胞核内，细胞的机制能够据此转录出mRNA，进而合成蛋白质。在介绍了合成生物学的基本原理之后，接下来我们来看看实验室中常用的几种转染技术。

电穿孔是一种利用电极在细胞膜上形成微小孔隙以使DNA通过的技术。首先，将含有钙和镁的抗体与缓冲液各250微升加入48孔板的每个孔底部。随后将培养板在37摄氏度下孵育。接下来，准备用于转染的RNA。将1微升RNA储备液分装至微量离心管中，每管对应一次独立的转染操作，并将这些管子保持在冰上。然后用缓冲液洗涤已包被抗体的培养板，再加入细胞培养基。将细胞从组织培养孔底部解离下来，收集至离心管中，离心形成沉淀，再重新悬浮。对细胞进行计数并评估其活性。随后，将少量细胞加入每一份RNA分装液中。将含有RNA的细胞加载到移液电极尖端中，并向玻璃比色杯中加入电泳缓冲液。将比色杯放入 电极槽中，再将移液电极插入比色杯内。使用约1500伏的脉冲电压对细胞进行电穿孔。电穿孔完成后，将细胞与 细胞培养基混合，转移至培养板中，随后直接使用或保存。

另一种技术是热激法，该方法利用热量在细胞膜上产生孔隙。首先，配制合适的培养基和琼脂并进行灭菌。然后，将含有抗生素的冷却琼脂倒入培养皿中，并静置至室温冷却。接着，将水浴锅预热至42摄氏度，并将化学感受态细胞在冰上解冻。向解冻的细胞中加入1至5微升浓度为每微升1纳克的冷质粒DNA，轻轻混匀。随后，将细胞与质粒的混合物放回冰上孵育30分钟。冰上孵育结束后，将细胞混合物放入水浴锅中进行30秒的热激处理。热激后立即将其放回冰上，并加入新鲜培养基。然后将细胞混合物置于37摄氏度的摇床培养箱中培养1小时，使细胞恢复生长。接下来，通过取20至200微升培养后的菌液加入培养皿中并涂布，将细胞接种到琼脂平板上。平板随后过夜培养。次日，琼脂平板上应出现菌落生长，表明细胞已成功摄取质粒。这些菌落现在可用于后续实验。

在介绍了几种常见的转染和转化方法之后，让我们来看看这一新兴领域的一些应用。经过基因工程改造的细菌可用于环境清理，例如降解石油残留物。利用合成生物学技术，可设计定制的生物体以分解特定的环境污染物，相比传统依赖大量人力的清理方法，这种方法可能显著降低清理成本。此外，还可构建合成的分子尺度生物系统，用于特定疾病的诊断与治疗，例如癌症。这些生物体可被设计为响应癌细胞的特征性标志物或抗体，同时可通过程序化靶向作用，辅助感染细胞的治疗。

您刚刚观看了 JoVE 的合成生物学导论。现在，您应该对这一新兴领域的目标以及用于增强乃至最终创造生物体以应对当前世界问题的一些技术有所了解。感谢观看。