《BioBuilder》读后感锦集

《BioBuilder》是一本由Natalie, PhD. Kuldell / Rachel B著作，O'Reilly Media出版的Paperback图书，本书定价：USD 49.99，页数：238，特精心收集的读后感，希望对大家能有帮助。

《BioBuilder》读后感(一)：内容摘要（1）

BioBuilder，生物制造，对应于 synthetic biology，研究如何从基因开始设计/制造全新的生物。本书出版于2015年。在日新月异的合成生物学领域，4年时间也不算短了，但核心内容并不会轻易改变。

本书共分九章，以下依次简单介绍。

1. Fundamentals of Synthetic Biology / 合成生物学基础

本章介绍什么是合成生物学。简单来说，就是从基因层面设计全新的生物，以实现某种特定目标，比如治疗疾病、指示环境中的有害物质、生产有价值的药物等等。

通常而言，合成生物学能做到的事情当中，其实有不少也可以通过其他方式（电学、化学、机械工程等）实现，但合成生物学有一些自己的独特优势：

1) 合成出的生物可以自我复制，而且有些生物的复制速度极快，比如大肠杆菌可以在30分钟内完成复制和分裂，因此非常适合量产，也同样适合开发原型和测试。

2) 细胞本身就是能够执行复杂任务的精密单元，内部包含许多生物机械，这些任务即使能够采用传统的化学方式来完成，也会相当困难。而且细胞内的生物机械具有纳米级精度，以目前的人类技术水平而言，还很难重现这种精度。此外当生物机械发生故障时，细胞还具有某种程度的自我修复能力。

3) 合成生物学产生的副产品通常是无毒的吗，因为大多数有毒化合物会杀死工作的细胞自身。

4) 合成生物学有助于人类理解自然生物系统的工作原理。当研究员怀疑某种蛋白质是否具有特定功能时，他们可以设计类似的蛋白质替换现有的蛋白质，以检验自己的猜测。

合成生物学的许多工具与基因工程相同，但两者的区别主要在于规模：基因工程通常会引入小的变化来研究一个特定的系统；而合成生物学则致力于设计新的基因组，或者大规模地重新设计现有基因组。一个比较科幻的例子是，合成生物学会对一棵树的基因重新编程，使它长成一座功能齐全的房子。

为了实现如此大规模的目标，合成生物学必须是一个结构化的工程与设计学科。它会利用生物化学、分子生物学、遗传学等学科长期积累的知识，比如：

· 特征化的模式系统，如大肠杆菌、酵母、藻类和各种哺乳动物细胞培养

· 大量生物体的DNA数据，包括细菌、人类、老鼠、蚊子等等，当然也包括用于DNA序列分析和比较的工具

· 用于移动、重组与合成DNA序列的分子工具

如前所述，合成生物学的许多工具与基因工程相同，以下是三种最关键和最成熟的技术：

· 阅读DNA序列（DNA测序）

· 复制现有的DNA序列（PCR）

· 在现有的DNA链中插入特定的DNA序列（rDNA）

在这些技术性工具的基础上，合成生物学有一些更高维度的扩展工具，它们是：

· DNA合成（DNA synthesis）

PCR技术是根据现存的DNA模板进行复制；而DNA合成则是在没有模板的情况下生产新的DNA链。

· 标准化（Standardization）

细胞环境与生物系统的复杂性使得标准化工作极有挑战性，但标准化的巨大益处值得人们进行探索。当合成生物学家需要实现特定功能时，可以从标准化组件库中挑选合适的组件进行装配，从而节省许多资源。

· 抽象化（Abstraction）

关注”接口“而不考虑细节和实现。在实践中，工程师会根据设计-构建-测试的不同周期，使用不同级别的抽象。

本章最后引用了费曼的名言：

What I cannot create, I do not understand. / 凡我不能创造的，我便并未理解。

《BioBuilder》读后感(二)：内容摘要（3）

3. Fundamentals of DNA Engineering / 基因工程基础

与编程类似，合成生物学需要有便捷的方法撰写、编译和调试DNA代码。标准化的基因工程技术能够帮助实现这一目标。本章讨论当前的基因工程工具如何工作，以及如何适应合成生物学的要求。

中心法则告诉我们，信息通常遵循 DNA->RNA->蛋白质 的流动路径，因而生物体DNA的任何变化都将影响下游的功能。由DNA编码产生的酶与结构分子，将会执行细胞的各种生化功能。换言之，蛋白质、脂质等分子更像是计算机的执行部件，而核心指令是由DNA语言规定的。

DNA是由四种核苷酸组成的聚合物，它们甚至可以由数百万个核苷酸分子构成。但DNA分子所遵循的化学法则并没有特殊之处，因此合成生物学家可以从单个核苷酸开始设计。当然，我们也能切断天然DNA链、插入新片段，组装成所需的DNA。为了实现这些，工程师们找到了自然界中天然存在的酶，在试管中开展基因工程。基因工程的最终产物被称为重组DNA（rDNA），它可能是自然界中从未出现过的DNA序列。

组装DNA需要一些基本组件和工具：

· 大量DNA，编码为所需的特定功能

· 某种精确组装DNA片段的方法

· 向目标生物中引入rDNA的方法

目前操作DNA的方法效率低下，因此通常需要准备足够多的DNA。有几种不同的方法来量产初始DNA，如PCR、制备质粒（plasmid preparations）、化学合成等。

精确组装DNA片段也有几种方法：传统分子克隆、生物砖组装（BioBrick assembly）、吉布森组装（Gibson assembly）。这几种方法都涉及更加专业性的知识，在此略过。有兴趣的可以自行查阅相关资料。

PS：质粒是指独立于细胞染色体或核区DNA之外的、能够自主复制的DNA分子。质粒不是细胞生存所必须的。大部分质粒都是环状分子，但也有少数线状，它存在于许多细菌、酵母菌乃至线粒体等细胞器中。质粒常用于搭载外源基因，导入受体菌种，进行蛋白表达。

延伸阅读：

• Alberts, B. et al. Molecular Biology of the Cell, 4th ed. New York: Garland Science, 2002. Open access: http://bit.ly/mol_bio_of_the_cell.

• Gibson, D.G. et al. Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nature Methods 2009;6:343-5.

• Knight, T. Idempotent Vector Design for Standard Assembly of Biobricks. DSpace@MIT Citable URI 2003: (http://hdl.handle.net/1721.1/21168).

• Website: History of the Atlantic Cable & Undersea Communications (http:// atlantic-cable.com/).

• Website: Josephine Cochrane, inventor of the dishwasher (http://bit.ly/dishwasher_cochran).

• Website: National Institute of Standards and Technology (http://bit.ly/engineered_bio).

《BioBuilder》读后感(三)：内容摘要（2）

2. Fundamentals of Biodesign / 生物设计基础

生物设计，即设计具有可预测行为的生物系统。通常而言，这一过程并没有绝对的规则。不同的系统目标，可以（或者必须）以不同的方式启动。不过对于经验为零的初学者，本章还是给出了一些指导性的意见和建议，以及一个抽象化的案例：设计一个用于检测水中是否含有砷元素的系统。

首先是生物设计步骤：

1) 确定想要挑战的领域

2) 开展头脑风暴，寻找思路

3) 选定一种解决方法

4) 在各抽象层次上确定系统方案

其中关于第一步，确定挑战领域，书中也给出了一些建议：

· 食物和能源：能否利用合成生物学，以可持续的方式为世界生产粮食或能源？

· 环境：能否利用合成生物学来协助我们清洁地球、保护自然多样性？或者，如果地球已经是一个无法挽回的失败案例，那么能否利用合成生物学来改造另一颗行星？

· 健康与医疗：能否设计某种微生物或有机体来协助检测与治疗疾病，或者管理慢性疾病与外科病症，以及保持我们身体的健康？

· 工业生产：能否利用细胞中的纳米级生物机械，如核糖体、线粒体等，来生产新的化合物、材料或结构？

· 新领域：能否想象某些全新的应用领域？无论局部或是全球，重点是跳出固有的思维框架。

· 基础性研究：合成生物学的技术起点可以追溯到35年前DNA重组技术的发明。而我们永远需要新的工具和技术，将合成生物学的整个过程变得更加容易。

本章还提供了一些自我诊断的问题，帮助读者定位自己选定的挑战：

· 你能否足够准确地描述你所关注的挑战和机遇？

· 如果你的项目成功了，它会带来怎样的改变？又会引发什么样的担忧？

· 你还可以使用什么技术来实现目标？或者其他人用过哪些技术来解决同样的问题？

· 关于这个挑战和你采用的方法，你还有什么地方弄不明白的？

国际基因工程机器大赛（iGEM）是面向合成生物学的设计竞赛。本章给出的案例便是来自于大赛中的学生团队。孟加拉国缺乏一种简单的方法来确定水源是否受到砷污染，而学生团队的设计目标是（作为最高层次的抽象）：设计一种细胞，在存在砷的情况下产生人类可以检测到的信号。

针对这一目标，次一级的潜在解决方案有：

· 有砷的情况下产生气味

· 有砷的情况下开始快速生长繁殖

· 有砷的情况下显示出明显的颜色

· 其他等等

在选择具体解决方案的时候，团队还考虑了这样几个问题：

· 基于对现有生物部分和方法的基础，预测方案的可行性

· 关注方案的灵活性，特别是今后能否应用于其他目标

· 比较方案的复杂性，通常而言，越简单的设计越容易成功

接下来进入更下层的设计，书中用了不少篇幅讲解逻辑门，这里就不摘抄了。

不过其中提到波士顿大学的 James Collins 设计出了NOR逻辑门——学过CPU设计原理的同学都知道，有了NOR就等于有了CPU。对此有兴趣的同学可以参阅本章最后的延伸阅读。另外有一个公开的专利：https://patents.google.com/patent/US9624554B2/en

下面这张图展示了合成生物学（或者仅限于本书？）中的设计符号：

采用上述符号定义的砷检测生物系统如下：

上方的图表示环境中没有砷，于是ORF1可以正常产生抑制因子，阻止Promoter2启动；

下方的图表示环境中出现了砷，它会阻止ORF1表达，这会导致Promoter2的阻碍因素消失，于是ORF2得以表达出色彩。

说实话我觉得很简单的逻辑能画的如此难懂，设计这套符号的人真是天才……

延伸阅读：

• Danchin, A. Scaling up synthetic biology: Do not forget the chassis. FEBS Letters 2012;586(15): 2129-37.

• Galdzicki, M. et al. The Synthetic Biology Open Language (SBOL) provides a community standard for communicating designs in synthetic biology. Nature Biotechnology 2014;32:545-50.

• Gardner, T.S., Cantor, C.R., Collins J.J. Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature 2000;403(6767):339-42.

• Marchisio, M.A., Stelling, J. Automatic Design of Digital Synthetic Gene Circuits. PLOS 2011; DOI: 10.1371/journal.pcbi.1001083.

• Oremland, R.S., Stolz, JF. The ecology of arsenic. Science 2003;300(5621):939-44.

• Website: Arsenic Detector iGEM project (http://bit.ly/arsenic_detector).

• Website: Registry of Biological Parts (http://parts.igem.org/Main_Page).