论文部分内容阅读
生物学历史悠久，而基因工程作为它的一个分支在近几十年才有了蓬勃的发展。基因工程的新分支——合成生物学，作为一个名不见经传的“年轻小将”，却毫不逊色于两位“老前辈”。这一分支，有着自己的特色和长处。其不同之处就在于“合成”二字，它把一个个有一定功能的DNA片段“拼接”成一个有具体功用的基因或序列，再送入所选择的生物体中，以实现生产药品、燃料、布料、染料，检测土壤重金属离子、酒精浓度等诸多功用。
前所未有，独领风骚
说起合成生物学，就不得不提到一个国际比赛——iGEM，它的中文全称是“国际遗传工程机器大赛”。这是一个随着合成生物学的产生而形成的比赛，也正是因为有了它，合成生物学才得以飞速发展。
自2005年起，iGEM由麻省理工学院（MIT）的校内比赛转而成为国际竞赛。它不但推动了合成生物学领域“3A标准”的建立（包括质粒骨架及所含酶切位点、基因序列的标准格式等等），而且还吸引了大批生物科技公司的参与和上亿美元的风投。除此之外，这项比赛本身也很有特色。它不像其他比赛一样非要决出一个高下优劣，反而更像是一个学术交流会，或者说是展览大会。每支参赛队伍拿出自己的“安卓”、“苹果”——各种生物体，向别人展示自己开发的“APP”——合成的基因。这使得该比赛既具有竞争性，又极大地保留了科学实验特有的乐趣，充分展示出参赛者对自然科学的热情。
麻雀虽小，五脏俱全
细菌，单细胞生物，结构十分简单，且体积小、繁殖快。作为原核生物，它和真核生物最大的区别就是它没有成型的细胞核，自己的DNA外没有核膜的保护，这也就为我们把合成好的DNA送入细菌提供了便利。要将我们合成的DNA成为它DNA的一部分，就和在白纸上画画一样轻松。
也正是出于这些原因，合成生物学乃至基因工程在挑选生物体载体的时候，常常需要在万千细菌中挑选出最为合适的一种。而大肠杆菌作为基因工程中常用的工程菌，最大的优势在于它已经被人们研究得相当透彻。形形色色具有微妙差异的大肠杆菌，基本能满足一般的实验需要。作为最广为人知的细菌，大肠杆菌广泛分布于人类或动物的肠道中。你在看这篇文章的时候，你体内就有上亿个大肠杆菌在你的肠胃里勤恳地生产维生素K2，帮你抵御外来的致病微生物呢！
合成生物学也常常要将大肠杆菌作为实验载体。在去年我们参加iGEM大赛的项目中，也把大肠杆菌作为实验的载体。我们所设计的便携式水质检测设备，就是让大肠杆菌去检测水中溶解氧、氮、磷的浓度，并通过诸如颜色、荧光变化等方式来表现水中元素的类型及其含量，以达到评估水质优劣的目的。
合抱之木，生于毫末
万事总是开头难，一开始我们就遇到了一个棘手的问题：怎么让大肠杆菌知道水里面含有多少溶解氧、氮、磷元素呢？要知道，虽说“合成”这一步就如搭乐高积木一样简单，但也要先有积木啊，否则就是巧妇难为无米之炊！万幸的是，iGEM官网给我们提供了一个包含成千上万段DNA序列的注册库。在那里，要找到我们所需要的“积木”就容易得多了。果然，不出一周，我们就在注册库里找到了3种启动子——Pvgb、PyeaR和PphoB，它们分别能感受溶解氧浓度、氮氧化物浓度和胞外磷酸浓度。
有了这3个启动子，我们就有了实验最需要的“控制开关”。那么，接下来只需要一些报告基因作为“灯泡”，就能让大肠杆菌把氧浓度等情况反映出来了。我们最先想到的，自然是颜色鲜艳、带有荧光且十分常用的荧光蛋白，这些部件也存在于注册库中。为了区分不同的水体质量指标，我们选用了3种不同的荧光蛋白——绿色荧光蛋白（GFP）、蓝色荧光蛋白（BFP）和红色荧光蛋白（RFP）。
至此，我们实验所需要的生物载体和基因片段都找到了，至于如何将这些DNA连接起来，那就要合成生物学的绝活了。还记得前文提到过的乐高积木吗？每一块乐高都有顶端凸齿和底端凹齿，凸齿只能和凹齿结合，反之则无法连接。我们所找到的部件也是一样，几乎每一个部件都保存在一个质粒骨架上面。在目的基因的前端和后端，各有一个特殊的酶切位点——XbaⅠ和SpeⅠ。这两个酶切位点可谓天造地设的一对，因为它们是同尾酶，識别序列只有微小差异，酶切产生的粘性末端可以互补。也正是因为这个微小差异，它们又像是天生的冤家，一旦它们切出来的粘性末端结合，新生成的序列就既不是XbaⅠ的识别位点，也不是SpeⅠ的识别位点。这样说来，只要我们愿意，每次都可以进行粘性末端的组合操作，就像搭乐高积木一样反复无穷。
知之非艰，行之惟艰
当然，在这一过程中我们也遇到了不少困难，所用到的实验器材都是我们从未接触过的，挑战性极高。
和微生物打交道，最头疼的就是“看不到、摸不着”。每次做实验就像是双手伸进黑匣子里去摸钻石一样，在实验结果出来之前，你根本不知道自己摸到的是钻石还是石头。你知道自己在期待什么，但最终或许什么都没有。这就是实验的美妙之处。得到实验结果那一刻的喜悦，足以抵消之前繁复实验时的所有疲惫。
此外，最令人头疼的问题就是准备时间紧张。去年5月组队，11月参赛，实际上真正可供我们利用的大块时间只有暑假。印象最深的，就是在暑假快结束的时候，我们还剩两个关键的部件没有连接成功。重复的实验已经做了三四次了，即便从头再做也依然没有起色。这些实验的周期虽然不长，但是至少也要两天一循环。可想而知，那段时间对于我们而言是多么煎熬！因此，这里也要多谢郭婷博士的引领，徐程、朱旭芬、张铭教授的指导，金文涛老师、友队队员们以及学长、学姐们的帮助，他们以自己的经验为我们铺路，替我们省下了不少宝贵的时间。有了这些助力，我们才少走了一些弯路，更快地得到了结果。
为了便于向公众介绍我们的项目，让更多的人了解合成生物学，我们还做了一系列科普小视频，介绍了从PCR技术、酶切到质粒与生物积块等等简单有趣的科学知识。付出才会有回报。除了在实验中学习到的技能与技巧，我们还在进行社会实践的同时，收获了一份从社会调查、开题、实验、结题到交流的经历，非常的难能可贵！
前所未有，独领风骚
说起合成生物学，就不得不提到一个国际比赛——iGEM，它的中文全称是“国际遗传工程机器大赛”。这是一个随着合成生物学的产生而形成的比赛，也正是因为有了它，合成生物学才得以飞速发展。
自2005年起，iGEM由麻省理工学院（MIT）的校内比赛转而成为国际竞赛。它不但推动了合成生物学领域“3A标准”的建立（包括质粒骨架及所含酶切位点、基因序列的标准格式等等），而且还吸引了大批生物科技公司的参与和上亿美元的风投。除此之外，这项比赛本身也很有特色。它不像其他比赛一样非要决出一个高下优劣，反而更像是一个学术交流会，或者说是展览大会。每支参赛队伍拿出自己的“安卓”、“苹果”——各种生物体，向别人展示自己开发的“APP”——合成的基因。这使得该比赛既具有竞争性，又极大地保留了科学实验特有的乐趣，充分展示出参赛者对自然科学的热情。
麻雀虽小，五脏俱全
细菌，单细胞生物，结构十分简单，且体积小、繁殖快。作为原核生物，它和真核生物最大的区别就是它没有成型的细胞核，自己的DNA外没有核膜的保护，这也就为我们把合成好的DNA送入细菌提供了便利。要将我们合成的DNA成为它DNA的一部分，就和在白纸上画画一样轻松。
也正是出于这些原因，合成生物学乃至基因工程在挑选生物体载体的时候，常常需要在万千细菌中挑选出最为合适的一种。而大肠杆菌作为基因工程中常用的工程菌，最大的优势在于它已经被人们研究得相当透彻。形形色色具有微妙差异的大肠杆菌，基本能满足一般的实验需要。作为最广为人知的细菌，大肠杆菌广泛分布于人类或动物的肠道中。你在看这篇文章的时候，你体内就有上亿个大肠杆菌在你的肠胃里勤恳地生产维生素K2，帮你抵御外来的致病微生物呢！
合成生物学也常常要将大肠杆菌作为实验载体。在去年我们参加iGEM大赛的项目中，也把大肠杆菌作为实验的载体。我们所设计的便携式水质检测设备，就是让大肠杆菌去检测水中溶解氧、氮、磷的浓度，并通过诸如颜色、荧光变化等方式来表现水中元素的类型及其含量，以达到评估水质优劣的目的。
合抱之木，生于毫末
万事总是开头难，一开始我们就遇到了一个棘手的问题：怎么让大肠杆菌知道水里面含有多少溶解氧、氮、磷元素呢？要知道，虽说“合成”这一步就如搭乐高积木一样简单，但也要先有积木啊，否则就是巧妇难为无米之炊！万幸的是，iGEM官网给我们提供了一个包含成千上万段DNA序列的注册库。在那里，要找到我们所需要的“积木”就容易得多了。果然，不出一周，我们就在注册库里找到了3种启动子——Pvgb、PyeaR和PphoB，它们分别能感受溶解氧浓度、氮氧化物浓度和胞外磷酸浓度。
有了这3个启动子，我们就有了实验最需要的“控制开关”。那么，接下来只需要一些报告基因作为“灯泡”，就能让大肠杆菌把氧浓度等情况反映出来了。我们最先想到的，自然是颜色鲜艳、带有荧光且十分常用的荧光蛋白，这些部件也存在于注册库中。为了区分不同的水体质量指标，我们选用了3种不同的荧光蛋白——绿色荧光蛋白（GFP）、蓝色荧光蛋白（BFP）和红色荧光蛋白（RFP）。
至此，我们实验所需要的生物载体和基因片段都找到了，至于如何将这些DNA连接起来，那就要合成生物学的绝活了。还记得前文提到过的乐高积木吗？每一块乐高都有顶端凸齿和底端凹齿，凸齿只能和凹齿结合，反之则无法连接。我们所找到的部件也是一样，几乎每一个部件都保存在一个质粒骨架上面。在目的基因的前端和后端，各有一个特殊的酶切位点——XbaⅠ和SpeⅠ。这两个酶切位点可谓天造地设的一对，因为它们是同尾酶，識别序列只有微小差异，酶切产生的粘性末端可以互补。也正是因为这个微小差异，它们又像是天生的冤家，一旦它们切出来的粘性末端结合，新生成的序列就既不是XbaⅠ的识别位点，也不是SpeⅠ的识别位点。这样说来，只要我们愿意，每次都可以进行粘性末端的组合操作，就像搭乐高积木一样反复无穷。
知之非艰，行之惟艰
当然，在这一过程中我们也遇到了不少困难，所用到的实验器材都是我们从未接触过的，挑战性极高。
和微生物打交道，最头疼的就是“看不到、摸不着”。每次做实验就像是双手伸进黑匣子里去摸钻石一样，在实验结果出来之前，你根本不知道自己摸到的是钻石还是石头。你知道自己在期待什么，但最终或许什么都没有。这就是实验的美妙之处。得到实验结果那一刻的喜悦，足以抵消之前繁复实验时的所有疲惫。
此外，最令人头疼的问题就是准备时间紧张。去年5月组队，11月参赛，实际上真正可供我们利用的大块时间只有暑假。印象最深的，就是在暑假快结束的时候，我们还剩两个关键的部件没有连接成功。重复的实验已经做了三四次了，即便从头再做也依然没有起色。这些实验的周期虽然不长，但是至少也要两天一循环。可想而知，那段时间对于我们而言是多么煎熬！因此，这里也要多谢郭婷博士的引领，徐程、朱旭芬、张铭教授的指导，金文涛老师、友队队员们以及学长、学姐们的帮助，他们以自己的经验为我们铺路，替我们省下了不少宝贵的时间。有了这些助力，我们才少走了一些弯路，更快地得到了结果。
为了便于向公众介绍我们的项目，让更多的人了解合成生物学，我们还做了一系列科普小视频，介绍了从PCR技术、酶切到质粒与生物积块等等简单有趣的科学知识。付出才会有回报。除了在实验中学习到的技能与技巧，我们还在进行社会实践的同时，收获了一份从社会调查、开题、实验、结题到交流的经历，非常的难能可贵！