【导学课】如何用细菌构建一个生物钟？

利用大肠杆菌生产大宗化工材料，摆脱石油原料的束缚

酵母菌生产青蒿酸和稀有人参皂苷，降低成本，促进新药研发

创制载有人工基因组的“人造细胞”，探究生命进化之路

利用DNA储存数据信息并开发生物计算机

......

以上这些不可思议的事情，我们可以通过合成生物学的工具使其变为可能。

生命是世界上最复杂的物质存在。从中国古代的《黄帝内经》和《本草纲目》，到西方近代学者对动植物分类，人类对于生命现象的认识，都是从对生命体的观察、描述而获得的经验总结。

合成生物学是一门综合学科，意在以传统生物学获得的知识与材料为基础，利用系统生物学的手段对其加以定量的解析，在工程学以及计算机的指导下设计新的生物系统或对原有生物系统进行深度改造。

在我们的课程中，你将初步了解合成生物学这门学科，通过严谨的数学模型和实用的工具箱一步步完成课程的目标；你将对比电子钟与生物钟的区别，为后续细菌生物钟的制作设计方法；你将了解基因表达的动力学问题，学习许多新颖未见的生物学知识；你将学会如何对一个生物系统的演进趋势进行分析。

导师介绍

郭昊天：小熊猫生物联合创始人兼 CEO，巴黎大学-巴黎交叉科学研究院（CRI）前沿生物学博士，玛丽居里学者；曾任巴黎交叉学科研究院研究员，MIT 物理系访问学者；本科毕业于复旦大学生物科学；10 年交叉学科研究经验和竞赛经验，多篇学术论文第一兼通讯作者。曾任国际遗传工程机器（iGEM）大赛评委、巴黎贝当古 Paris Bettencourt iGEM 团队指导老师；为中国最大合成生物学社群 CCiC 执行委员会的联合发起人 & 前国际推广大使；复旦大学 Fudan iGEM 团队发起人 & 队长。

课程简介

合成生物学共有四个课时：

第一课时：学习合成生物学到底是什么样的一个学科，实用工具箱搭建各种各样的系统使用，并学习怎么用逻辑运算的方式分析一个遗传电路。

第二课时：学习动力学方程，用动力学方程来描述一个基因表达过程， 了解不动点的概念并对不动点进行分析。

第三课时：学习如何设计振荡器的结构，控制大肠杆菌细胞中绿色荧光蛋白（GFP）的表达量。

第四课时：学习如何用数值模拟的方法对系统的状态和演进趋势进行分析，并进一步讨论如何对系统进行优化，最终实现利用细菌构建一个生物钟的目标。 

接下来我们简单介绍一下课程内容：

生物具体是怎么调控基因表达的呢？

上图是中心法则的示意图。中心法则是指遗传信息从DNA传递给 RNA，再从 RNA 传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。

转录是DNA在RNA的聚合酶的帮助下合成RNA的过程；翻译则是RNA和核糖体结合作用产生特定蛋白质的过程。

在课堂上我们也会展示基因表达的视频演示过程以帮助同学们更形象地理解这一过程。

那么转录因子又是如何工作的呢？

上图中tetR是阻遏蛋白，gfp和GFP分别表示荧光蛋白表达成功与否。

我们将转录因子的工作过程类比成电路就能理解。生活中我们要开灯，只需要按下开关让电流通过灯泡即可。在上图这个例子中，荧光蛋白就相当于灯，阻遏蛋白则是开关，电流则是四环素。四环素可以诱导荧光蛋白成功表达，但如果加入了阻遏蛋白，相当于断开了开关，荧光蛋白就无法表达了。

然而将荧光蛋白的表达类比成电路也是有问题的。因为现实中我们按开关就可以马上改变灯泡的亮灭，而在生物模型中却不是即刻响应的。因此如果想要更好地了解基因表达的过程并帮助我们进行工程设计，就要对基因表达的动力学过程进行了解。

我们设计振荡器以模拟荧光蛋白的表达时还需要考虑我们设计模型的稳定状态。

我们日常生活中炒菜，如果菜中的盐加得越多，菜就会越咸。但在生物基因表达的过程中，却不一定如此。在荧光蛋白的表达过程中，阻遏蛋白可以抑制表达，那么是不是只要我们阻遏蛋白的含量越多这种抑制效果就越好呢？又或者我们的诱导剂加入的越多表达的速率就会越快呢？

上图是一个双稳态系统的展示，其中涉及了相关的动力学知识，在图中我们也可以看到X与Y的含量不同会影响系统的稳定状态。那么我们又该如何设计这样一个稳态系统呢？

在本课程中，你将学习基因的表达过程，并对其进行数学建模，加强自身的数学分析能力；你将利用细菌构建一个生物钟，并且学习构建过程中遇到的相关生物学知识；你将学习用Python模拟你设计的振荡器。

你将通过学习什么是遗传电路和如何分析它，学习动力学知识和相关的公式，进而强化自身的逻辑思维和数学能力；

你将学习如何设计一个振荡器并用相关的工具模拟实现；

你将学习如何用数值模拟的方法对系统的状态和演进趋势进行分析，并且分析如何对系统进行进一步的优化；

课程安排

4月9日上午9:00开放本课程，同学们可在开放后任意时间进入学习。此后连续4周，逢周六开课。

只要你是在读高中生、本科生（或者相应年龄/教育阶段）

只要你对挑战未知充满渴望

那就来试试吧！

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