一．合成生物學概述
合成生物學是一門在生物學科中較新的領(lǐng)域，從概念的提出到目前的發(fā)展也不過十幾年之久，其目的是把工程學的理念和思想引入到生物學當中來。作為一門交叉型學科，其融合了生物學，化學，計算機科學，工程學，物理學等多個學科，目的是將這些學科的概念和知識整合起來，達到更高效，更加經(jīng)濟，更加精確的按照人類的意志創(chuàng)造出對于有益的產(chǎn)品或者有特殊功能的生物體。
對于傳統(tǒng)的生物學都屬于“分析生物學”，研究主題是理解自然演化出來的生物，其遵循up to bottom的思想，就是從上到下的思想，舉例來說，就是給研究者們一個細胞或者物質(zhì)，這些研究者們根據(jù)已有的經(jīng)驗和方法對其進行剖析研究。而對于合成生物學來說，是一種Bottom to up從下到上的思想，從創(chuàng)造或者改造最基本的細胞組件開始，再對其進行組裝或者組合，最終目的是使其成為一種對人類有使用價值的一個生物整體。而這個“價值”是可以隨著人類的意志和需求改變的，定向的創(chuàng)造出我們確切需要的產(chǎn)品。隨著合成生物學概念的出現(xiàn)到現(xiàn)在的飛速發(fā)展，很多領(lǐng)域都可以利用到合成生物學，例如工業(yè)，醫(yī)學，能源，環(huán)境，建筑等。
二．合成生物學定義
合成生物學定義可以分為兩個概念：
(1) 對自然界中不存在的生物原件或者生物系統(tǒng)的設(shè)計和組裝。
(2) 對于現(xiàn)有生物系統(tǒng)的重新設(shè)計或者建造。
貫穿合成生物學的三個核心的詞匯: part (部件)，device (裝置) and system (系統(tǒng))
將電腦中的hierarchy來類比合成生物學中part，device和system的概念。
?首先對于電腦來說, 一些簡單的二極管電阻等是組成電腦部件的最低級單位，在生物學中DNA和一些蛋白質(zhì)就是組成part的單位。
?這些part在往上就會組成device, 在電腦中就是一些電路板, 在生物學中可能就是某種細胞代謝通路, 這些device的功能都是由最基本的parts支撐的。
?最終由devices就可以組成一個systems(系統(tǒng)), 這個系統(tǒng)可以行使人類所特別設(shè)定的功能, 在電腦科學里面來說就是一個電腦, 在生物學中來說就是一個細胞或更高等的單位。
當一個系統(tǒng)被組成后, 這個系統(tǒng)就可以行使功能。
在parts, devices和systems的創(chuàng)建過程當中要基于工程學的思想。合成生物學的奠基人之一Drew Endy 在2005年的paper:
?首先, 標準化(在一些文章中也用Modularization來闡述相似的概念) 指在創(chuàng)造或者改造相應(yīng)的生物學部件時，一定要進行對于部件的標準化設(shè)置，這樣一個人創(chuàng)造出來的部件通過標準化設(shè)置就可以被所有研究者重復使用, 最基本的part的標準化可以大大提升上面device和system的兼容性和標準性。舉個例子來說, 在合成生物學中最盛大的全球賽事iGEM比賽當中, 所有參賽隊伍被要求提交標準化之后的parts, 簡而言之, 就是在parts的兩邊加上統(tǒng)一的prefix和suffix，其中包含了統(tǒng)一的酶切位點, 這樣一個part就可以被反復使用, 大大提升了研究的效率。Fig.4 則顯示了提交標準化的part, 當一個part被創(chuàng)造或者重新設(shè)計出來后, 就可以提交在這個網(wǎng)站上, 其他人就可以使用了。
?其次，所謂的decoupling(去耦合) 就是把一個復雜的事物進行拆分, 從而得到其中簡單的片段進行逐一分析, 大大的增加了處理復雜問題的效率。
?最后一點就是abstraction(精簡化), 與上一點的目的是一樣的, 都是為了將復雜的生物系統(tǒng)進行簡單化, 而abstraction則強調(diào)了解決復雜問題應(yīng)該使用 hierarchies (分級制度), 在這個理念中, 從事研究工作的人應(yīng)該只關(guān)注在一個等級的研究, 而原則上忽略其他等級的研究，而且只進行有限的穿越等級的交流。這種觀念可以讓研究者在的研究集中在一個層級, 從而使問題簡單化并提升效率。
總的來說，合成生物學里可以總結(jié)為三個名詞“底盤”“元件”“模塊”。
?被改造的生物被稱作底盤。
?被改造的一個個硬件，比如DNA、蛋白質(zhì)等叫做元件（元件最好做到標準化，即插即用）。
?多個元件就像設(shè)計電路一樣去設(shè)計生物，做到“模塊化”設(shè)計。
所以，合成生物學就是——通過頂層設(shè)計，使用標準化的元件或基因線路去拼裝，構(gòu)建出新的生物系統(tǒng)，從而解決健康，資源，環(huán)境領(lǐng)域的重大問題。
三．合成生物學的工具
(1) DNA的二代測序 (Next generation sequencing, NGS)和三代測序 (Third generation sequencing, TGS)的技術(shù)
在合成生物學中, 基因的操作是最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的一部分，所以基因的合成和基因的測序技術(shù)對于合成生物學來說是至關(guān)重要的。二代和三代測序技術(shù)相比于一代的Sanger測序技術(shù)來說, 更加的快捷, 便宜和準確。
(2) DNA 組裝方法 (DNA Assembly)
傳統(tǒng)的基因工程操作就是用限制性內(nèi)切酶通過基因上的酶切位點把DNA片段切開, 并用連接酶把目的基因片段插進被切開的基因片段。但是傳統(tǒng)的這種方法耗時耗力, 一次只能操作一個基因片段, 效率低且容易產(chǎn)生frame shift等問題。在現(xiàn)階段的合成生物學操作中, 多種更為簡潔方便高效的DNA assembly的方法被創(chuàng)造出來, 其中最為常用的有Gibson, Golden Gate, Gateway和Long-overlap-based assembly等。這些方法或在連接時設(shè)計出特定的overhang,
