新基因起源：從自然進(jìn)化到人工設(shè)計(jì)

王千，程健，江會(huì)鋒

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新基因起源：從自然進(jìn)化到人工設(shè)計(jì)

王千，程健，江會(huì)鋒

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，天津 300308

王千, 程健, 江會(huì)鋒. 新基因起源：從自然進(jìn)化到人工設(shè)計(jì). 生物工程學(xué)報(bào), 2017, 33(3): 324–330.Wang Q, Cheng J, Jiang HF.Origin of new genes: from evolution to design. Chin J Biotech, 2017, 33(3): 324–330.

生命體系歷經(jīng)40多億年的自然進(jìn)化，創(chuàng)造了無數(shù)豐富多彩的功能基因，保障了生命體系的傳承與繁榮。然而生命體系的自然進(jìn)化歷程極其緩慢，新的功能基因產(chǎn)生需要數(shù)百萬(wàn)年時(shí)間，無法滿足快速發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)需求。利用合成生物學(xué)技術(shù)，研究人員可以依據(jù)已知的酶催化機(jī)理和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新的基因設(shè)計(jì)與合成，按照工業(yè)生產(chǎn)需求快速創(chuàng)造全新的蛋白質(zhì)催化劑，實(shí)現(xiàn)各種自然界生物無法催化的生物化學(xué)反應(yīng)。盡管新基因設(shè)計(jì)技術(shù)展現(xiàn)了激動(dòng)人心的應(yīng)用前景，但是目前該技術(shù)還存在設(shè)計(jì)成功率不高、酶催化活性較低、合成成本較高等科技挑戰(zhàn)。未來隨著合成生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)、改造、合成和篩選等技術(shù)將融合為一體，為新基因設(shè)計(jì)與創(chuàng)建帶來全新的發(fā)展機(jī)遇。

基因合成，理性改造，基因設(shè)計(jì)，新酶設(shè)計(jì)

基因是生命體的基本功能單元，由DNA編碼，可轉(zhuǎn)錄成mRNA，并翻譯成蛋白質(zhì)行使功能。各種精彩紛呈的基因功能，如光合作用、新陳代謝、細(xì)胞分裂、個(gè)體發(fā)育等無不彰顯了基因的神奇和生命的無窮魅力。在生命億萬(wàn)年的進(jìn)化歷程中，新功能新基因的呈現(xiàn)是生命體環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化的基本保障。正是由于生物進(jìn)化過程中不斷產(chǎn)生的全新功能基因，使得生物具有應(yīng)對(duì)變化莫測(cè)的地球環(huán)境的本領(lǐng)，從而在地球上生存了數(shù)十億年，并逐步改造地球環(huán)境，直至今天形成了我們看到的適合人類居住的家園。

1 新基因的自然起源進(jìn)化

在生命從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的進(jìn)化歷程中，基因數(shù)量展示了由少到多的變化趨勢(shì)，如簡(jiǎn)單的原核生物一般基因數(shù)量在幾百到幾千，而復(fù)雜高等的真核生物則有多達(dá)幾萬(wàn)個(gè)的功能基因。然而新基因從何而來，新功能如何產(chǎn)生，又是如何參與生物進(jìn)化過程等科學(xué)問題一直是困擾進(jìn)化生物學(xué)家的難題。早在1970年日本進(jìn)化學(xué)家Ohno首次系統(tǒng)闡述了新基因如何通過基因重復(fù)起源，并且認(rèn)為基因重復(fù)是新基因產(chǎn)生的主要分子機(jī)制[1]。1993年華人進(jìn)化學(xué)家龍漫遠(yuǎn)教授首次用實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)并解析了第一個(gè)由兩個(gè)不同基因片段嵌合的新基因[2]，證明了基因嵌合起源的分子機(jī)理。2000年之后，生物學(xué)研究進(jìn)入了基因組時(shí)代，迅猛發(fā)展的基因組技術(shù)和龐大的基因組數(shù)據(jù)為基因起源與進(jìn)化研究提供了絕佳的機(jī)遇。通過比較分析近緣物種的基因組序列，研究人員發(fā)現(xiàn)了多種新基因起源的分子機(jī)制，包括基因重復(fù)、基因分裂與融合、基因轉(zhuǎn)座、基因橫向遷移、基因嵌合和基因從頭起源 (從非編碼區(qū)起源) 等[3]。新基因起源與進(jìn)化的基礎(chǔ)理論得到了前所未有的快速發(fā)展。

基因重復(fù)后其中一個(gè)拷貝積累突變并產(chǎn)生新功能的起源機(jī)制已經(jīng)廣為人知，或者不同功能來源的基因片段組合然后產(chǎn)生全新的功能基因的機(jī)制也被研究得相當(dāng)清楚，但是新基因如何由非編碼區(qū)起源，新功能如何從無到有的創(chuàng)造一直被認(rèn)為是小概率事件，其起源進(jìn)化機(jī)制也知之甚少。王文等以模式生物果蠅為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了黑腹果蠅基因組中的新基因起源機(jī)制[4]。他們發(fā)現(xiàn)除了基因重復(fù)起源機(jī)制之外，還有12%的新基因是從頭起源的，表明從頭起源新基因在物種進(jìn)化過程中占據(jù)了很高的比例，可能發(fā)揮了很重要的生物功能。其后，李丹等以釀酒酵母為模型深入研究了從頭起源新基因的功能，發(fā)現(xiàn)從頭起源新基因MDF1在酵母有性生殖和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過程中發(fā)揮了重要作用，并且提高了該物種在多變環(huán)境下的適應(yīng)能力[5-6]。盡管從頭起源新基因是從沒有生物功能的非編碼區(qū)域產(chǎn)生的，但是其在物種適應(yīng)性進(jìn)化過程中具有不可替代的作用[7]。

由于所有蛋白質(zhì)都需要通過核糖體與其信使RNA (mRNA) 結(jié)合進(jìn)行翻譯，因此利用高通量測(cè)序技術(shù)檢測(cè)被核糖體結(jié)合的mRNA的原理，研究人員理論上可以觀察到基因組中所有編碼蛋白質(zhì)的基因。利用該技術(shù)，Carvunis等發(fā)現(xiàn)除廣為人知的6 000多個(gè)編碼基因之外，釀酒酵母的基因組中還有1 900多個(gè)新的編碼基因[8]。Stern-Ginossar等采用同樣的技術(shù)，解析了一個(gè)人源病毒基因組中所有的蛋白質(zhì)翻譯事件，發(fā)現(xiàn)了上百個(gè)未被注釋的新編碼基因[9]。同樣地，劉曉秋等在經(jīng)典的模式病毒Lambda噬菌體中，發(fā)現(xiàn)了50多個(gè)新編碼基因，占到了過去幾十年該病毒中已知基因總數(shù)的80%[10]。在這些新發(fā)現(xiàn)的編碼基因當(dāng)中，部分基因已經(jīng)證實(shí)有翻譯的蛋白質(zhì)，部分基因在近緣物種間非常保守，很可能是有生物學(xué)功能的。而且有意思的是，這些新的編碼基因絕大多數(shù)都是新近起源或從頭起源的新基因[8]。因此，這種新的基因發(fā)掘技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)編碼基因的研究策略，為新基因的進(jìn)化研究開辟了一片全新的 天地。

2 新基因人工設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

新基因自然進(jìn)化起源都是以百萬(wàn)年為單位[11]，新基因產(chǎn)生速率極其緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足日益增長(zhǎng)的工業(yè)生產(chǎn)的需求?；跀?shù)學(xué)、物理、計(jì)算科學(xué)、工程科學(xué)與生命科學(xué)的深度融合，合成生物學(xué)推動(dòng)了從認(rèn)識(shí)生命到設(shè)計(jì)生命的質(zhì)的變革，帶來了生命科學(xué)領(lǐng)域的第三次革命[12-13]。合成生物學(xué)為新基因研究帶來顛覆性的理念和方法。在DNA合成技術(shù)的武裝下，人工設(shè)計(jì)與合成全新的功能基因成為了可能。依據(jù)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)原理和已有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模板從頭設(shè)計(jì)新的酶催化劑已經(jīng)獲得成功[14-15]。未來隨著新基因設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)步，人類可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的需求創(chuàng)造出完全不同于自然生命體系的具有新基因新功能的“人造生命”[16-18]，這將為生命科學(xué)研究帶來前所未有的變革。

新基因設(shè)計(jì)是指按照研究者的意愿，設(shè)計(jì)和制造出自然界不存在的、具有特定生物學(xué)功能的全新蛋白質(zhì)編碼基因。1988年Regan等首次人工設(shè)計(jì)了可成功折疊的蛋白質(zhì)[19]，但只有少數(shù)成功折疊的蛋白質(zhì)具有生物活性[20]。近期劉海燕等通過能量?jī)?yōu)化和精巧的高通量篩選設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)可折疊蛋白質(zhì)的成功率[21]。然而蛋白質(zhì)的成功折疊并不意味著具有生物活性。為此，Baker等開發(fā)了一套基于Rosetta算法的新酶設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)了大量具有生物功能的新酶[22-23]。研究人員首先構(gòu)建酶催化過程中氨基酸殘基與過渡態(tài)底物相互作用的量化模型[24]，搜索與模型匹配的已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)框架[25-27]，并將模型與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行整合，優(yōu)化底物親和力、結(jié)合電勢(shì)能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等[28]，最終合成表達(dá)并通過實(shí)驗(yàn)篩選出具有生物功能的蛋白質(zhì) (圖1A)。很多具有重要生物功能的新酶被設(shè)計(jì)出來(表1)，如催化羥醛縮合反應(yīng) (Retro-aldol reaction)[22]、Kemp消除反應(yīng) (Kemp elimination reaction，圖1B)[14]、狄爾斯-阿爾德反應(yīng) (Diels-Alder reaction)[23]。同時(shí)生物代謝途徑也可以借助于新酶設(shè)計(jì)進(jìn)行重新構(gòu)建，例如Siegel等利用新酶設(shè)計(jì)創(chuàng)建了以二氧化碳為原料合成羥基丙酮的關(guān)鍵催化酶，并在大腸桿菌中構(gòu)建了該合成途徑[29]。這些蛋白酶的成功設(shè)計(jì)充分證明新酶設(shè)計(jì)策略具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1 酶設(shè)計(jì)的典型流程圖(A)和kemp消除反應(yīng)的酶設(shè)計(jì)流程(B)[35]

表1 新酶設(shè)計(jì)的典型案例列表

3 新基因設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

盡管新酶設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了一定的成功，但是依然面臨諸多挑戰(zhàn)[30]。首先，新基因設(shè)計(jì)成功率還較低?；钚灾行牡拇呋鶊F(tuán)與過渡態(tài)底物模型構(gòu)建，模型與骨架蛋白匹配，骨架蛋白質(zhì)的殘基構(gòu)象等都會(huì)影響新酶設(shè)計(jì)的成功率或新酶的性能。例如在Kemp消除反應(yīng)的酶設(shè)計(jì)中，羧酸基團(tuán)作為廣義堿與非極性底物間存在相互作用，但是由于羧酸基團(tuán)的構(gòu)象自由度較大，如果不能準(zhǔn)確計(jì)算羧酸基去溶劑化效應(yīng)的能量消耗及熵減，可能使羧酸基團(tuán)不適合行使廣義堿的作用，進(jìn)而使反應(yīng)無法發(fā)生[14]。因此我們還需要深入研究酶的催化機(jī)理及其計(jì)算模擬，如優(yōu)化分子力場(chǎng)準(zhǔn)確計(jì)算催化位點(diǎn)與底物、溶劑等作用力[31]，改進(jìn)催化過渡態(tài)能壘計(jì)算方法，改善蛋白骨架構(gòu)象模擬方法等。同時(shí)由于蛋白質(zhì)每個(gè)位點(diǎn)都有20種可能性，氨基酸之間的相互作用包括氫鍵、范德華力等多種分子作用力，還存在與溶劑、底物、產(chǎn)物等相互關(guān)系，因此蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)計(jì)算難度極大，計(jì)算設(shè)計(jì)需要的計(jì)算機(jī)資源也非常高。Baker等構(gòu)建了一套基于Rosetta的計(jì)算平臺(tái) (http://boinc.bakerlab.org/rosetta/)，可以通過蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)愛好者共享計(jì)算資源來滿足蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的需求。因此我們還需要通過優(yōu)化新酶設(shè)計(jì)算法和計(jì)算資源增加新酶設(shè)計(jì)成功率，為生物催化創(chuàng)造出更多令人驚奇的新反應(yīng)。

其次，新蛋白酶的設(shè)計(jì)需要將催化活性中心與蛋白質(zhì)骨架進(jìn)行嵌合，而嵌合過程難免會(huì)影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。同時(shí)蛋白質(zhì)骨架與酶催化過程的協(xié)同還需要進(jìn)一步優(yōu)化，因此新設(shè)計(jì)的蛋白酶催化活性都普遍偏低，還達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)的要求。研究人員需要利用經(jīng)典的酶定向進(jìn)化和理性改造方法提高新設(shè)計(jì)酶的催化性能。例如，基于2012年Althoff等新設(shè)計(jì)出的Retro-aldol 酶[32]，2016年Obexer等利用超高通量微流控的方法對(duì)該酶進(jìn)行定向進(jìn)化[33]，最終得到酶活提升109的突變體。新酶設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)酶工程方法結(jié)合大大提高了新酶設(shè)計(jì)的實(shí)用性，可進(jìn)一步開發(fā)新酶設(shè)計(jì)的工業(yè)應(yīng)用潛力。

最后，由于新設(shè)計(jì)的基因都是自然界不存在的基因，基因功能的測(cè)試和鑒定離不開DNA合成技術(shù)。DNA合成成本大幅降低，為新基因設(shè)計(jì)提供了極好的發(fā)展機(jī)遇。目前DNA合成技術(shù)發(fā)展非?？?，不僅合成成本大幅降低，合成通量也大幅提高[34]。比如利用高通量DNA芯片合成技術(shù)，可以設(shè)計(jì)與合成各種突變類型的新基因，結(jié)合高通量篩選技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新基因合成、密碼子優(yōu)化和酶活改造等多種功能于一體。因此，新酶設(shè)計(jì)方法與高通量自動(dòng)化DNA合成技術(shù)結(jié)合，可進(jìn)一步提高新酶設(shè)計(jì)的成功率和新酶的表達(dá)催化性能，實(shí)現(xiàn)新基因的按需設(shè)計(jì)，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

合成生物學(xué)以工程化理念為導(dǎo)向，對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成。合成生物學(xué)促進(jìn)了對(duì)生命密碼從“讀識(shí)”到“設(shè)計(jì)”的質(zhì)變，對(duì)揭示生命本質(zhì)具有重要意義，而由此形成的創(chuàng)新思想、使能技術(shù)及工程平臺(tái)，能促進(jìn)生物技術(shù)革命，被預(yù)測(cè)為可望改變世界的十大顛覆性技術(shù)之一。隨著合成生物技術(shù)的快速發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的新基因設(shè)計(jì)技術(shù)，將顛覆式創(chuàng)造各種新功能基因，完全突破自然進(jìn)化的局限，加快新生物功能基因產(chǎn)生速度。按照人類需求快速創(chuàng)建的新功能基因，可極大提高自然生物功能改造與創(chuàng)新的速度，并由此可創(chuàng)建超越自然功能的“人造生物體系”，為解決工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域的重大需求提供全新的生物學(xué)方案，為我國(guó)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。

[1] Ohno S. Evolution by gene duplication. New York: Springer-Verlag, 1970.

[2] Long M, Langley CH. Natural selection and the origin of jingwei, a chimeric processed functional gene in. Science, 1993, 260(5104): 91–95.

[3] Long MY, Betrán E, Thornton K, et al. The origin of new genes: glimpses from the young and old. Nat Rev Genet, 2003, 4(11): 865–875.

[4] Zhou Q, Zhang GJ, Zhang Y, et al. On the origin of new genes in. Genome Res, 2008, 18(9): 1446–1455.

[5] Li D, Dong Y, Jiang Y, et al. A-originated gene depresses budding yeast mating pathway and is repressed by the protein encoded by its antisense strand. Cell Res, 2010, 20(4): 408–420.

[6] Li D, Yan ZH, Lu LN, et al. Pleiotropy of the-originated gene MDF1. Sci Rep, 2014, 4: 7280.

[7] Chen SD, Zhang YE, Long MY. New genes inquickly become essential. Science, 2010, 330(6011): 1682–1685.

[8] Carvunis AR, Rolland T, Wapinski I, et al. Proto-genes andgene birth. Nature, 2012, 487(7407): 370–374.

[9] Stern-Ginossar N, Weisburd B, Michalski A, et al. Decoding human cytomegalovirus. Science, 2012, 338(6110): 1088–1093.

[10] Liu XQ, Jiang HF, Gu ZL, et al. High-resolution view of bacteriophage lambda gene expression by ribosome profiling. Proc Natl Acad Sci USA, 2013, 110(29): 11928–11933.

[11] Lynch M, Conery JS. The evolutionary fate and consequences of duplicate genes. Science, 2000, 290(5494): 1151–1155.

[12] Zhang CT. Advances in synthetic biology studies. Bull Natl Nat Sci Found China, 2009, 23(2): 65–69(in Chinese). 張春霆. 合成生物學(xué)研究的進(jìn)展. 中國(guó)科學(xué)基金, 2009, 23(2): 65–69.

[13] Liu D, Du J, Zhao GR, et al. Applications of synthetic biology in medicine and energy. CIESC J, 2011, 62(9): 2391–2397(in Chinese). 劉奪, 杜瑾, 趙廣榮, 等. 合成生物學(xué)在醫(yī)藥及能源領(lǐng)域的應(yīng)用. 化工學(xué)報(bào), 2011, 62(9): 2391–2397.

[14] R?thlisberger D, Khersonsky O, Wollacott AM, et al. Kemp elimination catalysts by computational enzyme design. Nature, 2008, 453(7192): 190–195.

[15] Koga N, Tatsumi-Koga R, Liu GH, et al. Principles for designing ideal protein structures. Nature, 2012, 491(7423): 222–227.

[16] Hu XJ, Rousseau R. From a word to a world: the current situation in the interdisciplinary field of synthetic biology. PeerJ, 2015, 3(6102): e728.

[17] Wang YH, Wei KY, Smolke CD. Synthetic biology: advancing the design of diverse genetic systems. Ann Rev of Chem Biomol Engin, 2013, 4(1): 69–102.

[18] Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science, 2010, 329(5987): 52–56.

[19] Regan L, DeGrado WF. Characterization of a helical protein designed from first principles. Science, 1988, 241(4868): 976–978.

[20] Smith BA, Hecht MH. Novel proteins: from fold to function. Curr Opin Chem Biol, 2011, 15(3): 421–426.

[21] Xiong P, Wang M, Zhou XQ, et al. Protein design with a comprehensive statistical energy function and boosted by experimental selection for foldability. Nat Commun, 2014, 5: 5330.

[22] Jiang L, Althoff EA, Clemente FR, et al.computational design of retro-aldol enzymes. Science, 2008, 319(5868): 1387–1391.

[23] Siegel JB, Zanghellini A, Lovick HM, et al. Computational design of an enzyme catalyst for a stereoselective bimolecular Diels-Alder reaction. Science, 2010, 329(5989): 309–313.

[24] Richter F, Leaver-Fay A, Khare SD, et al.enzyme design using Rosetta3. PLoS ONE, 2011, 6(5): e19230.

[25] Berman HM, Westbrook J, Feng Z, et al. The protein data bank. Nucleic Acids Res, 2000, 28(1): 235–242.

[26] Schomburg I, Chang A, Schomburg D. BRENDA, enzyme data and metabolic information. Nucleic Acids Res, 2002, 30(1): 47–49.

[27] Zanghellini A, Jiang L, Wollacott AM, et al. New algorithms and an in silico benchmark for computational enzyme design. Protein Sci, 2006, 15(12): 2785–2794.

[28] Kuhlman B, Baker D. Native protein sequences are close to optimal for their structures. Proc Natl Acad Sci USA, 2000, 97(19): 10383–10388.

[29] Siegel JB, Smith AL, Poust S, et al. Computational protein design enables a novel one-carbon assimilation pathway. Proc Natl Acad Sci USA, 2015, 112(12): 3704–3709.

[30] Huang PS, Boyken SE, Baker D. The coming of age ofprotein design. Nature, 2016, 537(7620): 320–327.

[31] Ponder JW, Case DA. Force fields for proteinsimulations. Adv Protein Chem, 2003, 66: 27–85.

[32] Althoff EA, Wang L, Jiang L, et al. Robust design and optimization of retroaldol enzymes. Protein Sci, 2012, 21(5): 717–726.

[33] Obexer R, Godina A, Garrabou X, et al. Emergence of a catalytic tetrad during evolution of a highly active artificial aldolase. Nat Chem, 2016, doi: 10.1038/nchem.2596.

[34] Kosuri S, Church GM. Large-scaleDNA synthesis: technologies and applications. Nat Methods, 2014, 11(5): 499–507.

[35] Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, et al. UCSF chimera—a visualization system for exploratory research and analysis. J Comput Chem, 2004, 25(13): 1605–1612.

(本文責(zé)編 陳宏宇)

江會(huì)鋒 博士，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”，天津市“青年千人計(jì)劃”，天津市創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃入選者。2015年任中科院系統(tǒng)微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主攻方向?yàn)樾旅冈O(shè)計(jì)和酵母基因組工程。已先后在等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文20余篇，影響因子總計(jì)超過120，他引總計(jì)400余次，申請(qǐng)國(guó)家專利5項(xiàng)。承擔(dān)國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目子課題1項(xiàng)；國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目子課題1項(xiàng)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)；天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)；企業(yè)聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目3項(xiàng)。

Origin of new genes: from evolution to design

Qian Wang, Jian Cheng, and Huifeng Jiang

Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Tianjin 300308, China

Life system has created rich and colorful genes, to protect the inheritance and prosperity after more than 4 billion years of natural evolution. However, the natural evolution is an extremely slow process, and the origin and evolution of new gene with new function often takes millions of years. Therefore, natural evolution alone cannot meet the rapid development of industrial biotechnological production needs. Using synthetic biology techniques, researchers can design and synthesize new genes based on the known enzyme catalysis mechanism and protein structure according to industrial production requirements, and create various biochemical reactions that cannot be catalyzed by natural living organisms. Although the new gene design technology shows exciting application prospects, there are now still many scientific and technological challenges, such as low success rate of design, low catalytic activity and high synthesis cost. With the rapid development of synthetic biology, the design, transformation, synthesis, screening and other technologies will be integrated into a mature technological process for the new gene design.

gene synthesis, rational engineering, gene design, new enzyme design

October 29, 2016; Accepted:December 16, 2016

Huifeng Jiang. Tel: +86-22-24828732; E-mail: jiang_hf@tib.cas.cn

Supported by: National Natural Science Foundation of China (No. 31300077).

國(guó)家自然科學(xué)基金 (No. 31300077) 資助。

2016-12-27

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20161227.1445.003.html