系统生物学和基因组学技术 | 发酵罐,生物反应器

系统生物学的目的在于从系统水平来理解生物学系统,即在细胞、组织、器官和生物体整体水平上研究结构和功能各异的生物大分子及其相互作用,并通过计算生物学来定量阐明和预测生物功能、表型和行为。
它既属于应用的范畴,又是一门科学,涉及技术和方法学两个领域,是介于生物学、数学、化学、物理学和计算机之间的一门边缘性、综合性、系统性的交叉学科,并运用这些学科的概念和方法,融合、提炼、组成了一套新的体系和方法。
系统生物学的研究内容主要从以下几个层面展开:
  1. 理解系统的结构,如基因调控、生化网络,以及实体构造;
  2. 理解系统的行为,定性、定量地分析系统动力学,并具备创建理论或模型的能力,可用来进行预测;
  3. 理解如何控制系统,研究系统控制细胞状态的机制;
  4. 理解如何设计系统,根据明确的理论,设计、改进和重建生物系统。
 

以系统和整体为研究目标的系统生物学表现出如下特点

  • 从整体水平开展研究:
系统生物学将生物系统的所有元素结合在一起,研究这些元素在响应生物或基因结构扰动时的相互关系。这样便可将不同层次上的信息整合在一起,从而在任何给定的条件下描述生物系统的行为。
  • 注重对信息方法的利用:
系统生物学利用面向信号和系统的方法研究细胞内、细胞间的动态过程。
  • 采用建模分析的方法:
系统生物学中的“系统”一词指 “系统科学”、“系统和控制理论”,在实际应用过程中通常指数学建模和模拟。
 系统生物学的技术平台为组学,即基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学和表型组学等。
下文主要从基因组学及其在发酵工程中的应用展开讨论。
 

基因组学技术及其在发酵工程中的应用

基因组,一般定义是:单倍体细胞中的全套染色体为一个基因组,或单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。由于基因编码序列只占整个基因组序列的很小一部分,因此,基因组也可定义为单倍体细胞中包括编码序列和非编码序列在内的全部DNA分子。
研究基因组学的主要工具和方法包括:生物信息学、遗传分析、基因表达量测量和基因功能的鉴定,以及通过连锁、限制酶切割或者DNA测序绘制基因组图谱。
随着基因组学研究的深入,研究人员正试图利用基因组学,逐步解决生物、医学和工业领域中的重大问题。随着高通量测序技术的发展,基因组测序越来越快捷,得到完整基因组所需的周期越来越短,很多重要的工业微生物的基因组序列得到阐明,典型的工业微生物,如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、黑曲霉、酵母菌等,以及一些具有潜在应用前景的古细菌的基因组都已经完成测序,并且开发了大量的分析工具对这些信息进行分析。
基因组学技术的提高,使系统生物学与合成生物学在发酵工程上有越来越多的复杂的应用。比如,利用比较基因组技术分析高产赖氨酸的谷氨酸棒杆菌突变菌的戊糖磷酸途径相关基因,鉴定出6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的点突变使该酶对胞内代谢物不敏感,在结合通量分析后,表明该突变使赖氨酸生产过程中戊糖磷酸途径的产量提高8%。
 

基于系统生物学的菌株改造

现在的一些微生物产品都在用系统生物学的方法,在充分考虑菌株的系统性的基础上来改善代谢工程,即利用系统生物学的方法来提高代谢工程的视角,从而达到菌种改造的目的。
系统生物学的分析方法是利用大量的基因组分析和大量的计算机软件的工具,能快速地分析在大量的细胞调控下细胞整体的生理状态,例如转录调控、翻译调控、反馈抑制以及代谢通量的分布等。通常利用系统生物学来改造菌株的方法如下图所示。
利用系统生物学改造菌株的方法
图示:利用系统生物学改造菌株的方法

利用系统生物学来改造菌株的关键在于大规模的基因组分析和计算机分析,此外在改造菌株的同时必须考虑到细胞整体的代谢过程。
HOLVES希望与各位研究人员共同探讨系统生物学在应用生物领域的发展前景。

*文章内容及图片整理自网络及学术资料,同时对其内容进行了一定的简化、补充,若有不足之处,欢迎指正。




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