项目名称：新功能人造生物器件的构建与集成首席科学家：赵国屏中国科学院上海生命科学研究院起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容合成生物学的基点是：基于工程化策略，采用标准化生物元件，构建通用型生物学模块，在有目的设计思想指导下，组装具有特定新功能的人工生命系统。相比其它工程领域（如电子工程）的研究对象，生命体系是高度动态、灵活调控、非线性、且不可预测的。如此复杂的体系如何以工程化的设计，获得特定的人工生物器件或生命系统，是合成生物学研究面临的核心科学问题。围绕着这一重大科学问题，本项目拟在生物元件、模块、途径、网络等层次上解决设计、合成、组装调试等问题，即（1）生物功能器件（元件和模块）的设计原理；（2）生物功能器件的人工合成与标准化；（3）生物功能器件的适配机制。1、拟解决的关键科学问题1）生物功能器件的设计原理提高对功能模块和元件的设计能力，是实现化合物生物合成途径组装的前提生物的代谢多样性（特别是微生物和植物），决定了它们具有非常强大的合成各种初级和次生代谢产物的能力。然而，自然界中任何一种生物拥有的酶系种类和催化效率均有限，一般不能满足生产的需要。因此，根据目标化合物的结构特征，确定相应的生化反应类型，利用自然代谢的多样性，从基因组数据库中寻找、解耦、抽提相关的元件和相应的功能模块；基于对元件的功能表征，将相关代谢途径模块化，利用数学模型模拟计算不同元件组合后的功能输出，设计并优化生物合成途径，在底盘细胞上组装，有可能提高构建复杂代谢途径的效率，实现人造生物功能组合合成的工程化。同时，分析元件与功能模块的分子基础，包括物种的密码偏好性，将有利于理解自然元件进化的本质，指导元件与模块以功能优化为目的的人工进化。2）生物功能器件的人工合成与标准化生物功能元件是合成生物学研究的基石。编码酶蛋白的结构基因是代谢途径的基本结构元件，其序列决定了所编码蛋白的一级结构和催化效率。DNA结构元件在宿主细胞中的表达程度和活性受到调控元件的控制，它们共同组成了可催化某一步特定生化反应的简单功能模块。目前，用于合成生物学研究的元件库容有限，对它们的理解和功能表征不够；许多天然元件往往需要在改造后才能用于合成生物学研究。同时，高通量、低成本、高保真的DNA合成技术尚未建立，还不能大规模地人工合成新功能元件。发掘自然代谢的多样性，分析基因与蛋白等生物元件的结构、功...
