王开航 ---“欲穷千里目,更上一层楼”(三)

欲实时把握基因组编辑 / 合成生物学理论,技术和应用的最新进展,请参加第一届基因组编辑 / 合成生物学的理论和应用研究研讨会(2018 年 6 月 8 -10 日,上海)

注册地址:http://i.bio360.net/MEET/2018Genome/sign.html

王开航

kaihangwang@caltech.edu

kaihang@mrc-lmb.cam.ac.uk

Synthetic Biology, Genome Synthesis, Artificial Life

California Institute of Technology, Division of Biology and Biological Engineering,

Assistant Professor

Medical Research Council - Laboratory of Molecular Biology (MRC-LMB), Cambridge,

Senior Investigator Scientist;

http://i.bio360.net/MEET/2018Genome/wkh.html

主题报告:

GENESIS 之再出发:

基因组人工合成、人工再定义编码规则、以及突破自然极限的人造生命

所有的地球生命都建立在标准遗传密码以及 20 种自然氨基酸基础之上,所有的生命功能均受此限制。如果可以人工定义遗传编码规则、重设遗传密码,并在此基础之上引入 20 种自然氨基酸以外的非自然氨基酸,人类有望突破地球自然界几十亿年来不变的进化限制,从本质上挑战生命体的生物、化学、物理极限。为达此目的,王开航团队试图通过直接人工合成基因组来人造生命,在人造生命这张白纸之上,高自由度地重新定义遗传编码规则,通过非自然氨基酸的高效转译,以人类的意志和想象力来设计和创造突破地球进化极限的崭新的人造生命。

王开航团队现致力于开发通过人工合成基因组来人造生命的新方法。一旦成功,该技术路径可以让人类自由地重新设计生命,并使人类超越自然限制来重新定义遗传编码规则成为可能,进而从根本上重新定义生命、从本质上突破自然进化对于生命功能的桎梏。为达此目的,王开航团队新近发明并验证了一种基于 CRISPR/Cas9 的基因组重组技术。该技术 (replicon excision enhanced recombination, REXER) 可以灵活可靠地将数十万至数百万碱基长度的天然基因组序列替换为人造序列。基于此技术的 GENESIS (genome stepwise interchange synthesis) 可以通过简洁高效地重复使用 REXER 来一步步地将纯天然基因组快速转化为纯人造基因组。基于 GENESIS 和 REXER,大肠杆菌基因组 (4.6-mb) 可以在十几步之内转化为纯人造基因组; 该人造基因组对应的人造原核生命体被命名为 ADAM (artificially designed autonomous microorganism)。基于 GENESIS 和 REXER 的全基因组合成技术以及相关工程应用可拓展到包括人类细胞在内的各高等生命系统。REXER 和 GENESIS 等相关技术已被注册专利。

现王开航团队正在积极招收博士研究生以及博士后研究人员,对人造基因组以及人造生命感兴趣,并有意加盟的同学、老师请与王开航教授直接联系。愿我们携手共创世纪,让神佛之力,普降人间。

研究学习经历:

王开航,2000 年考入北京大学生命科学学院本科,2004 年本科毕业于英国伦敦大学 University College London,2008 年获剑桥大学、MRC-LMB 实验室合成生物学博士。于 2008 年至 2011 年在剑桥大学三一学院任职 Junior Research Fellow; 2011 年至 2014 年在 MRC-LMB 从事博士后研究,并于 2014 年至 2016 年任职 Investigator Scientist,2016 年至 2018 年任职 Senior Investigator Scientist;2018 年入职美国加州理工学院 California Institute of Technology 任职助理教授。主要从事合成生物学、全基因组人工合成以及人造生命等方向的基础研究以及工程应用。各阶段性成果在《自然》、《自然Ÿ生物技术》、《自然Ÿ化学》、《自然Ÿ化学生物学》、《美国化学会志》、《德国应用化学》等一系列科研期刊上发表,申请专利 3 项。有意加盟王开航团队的同学、老师请与王开航教授直接联系。

代表性论文:(° co-corresponding authors, * co-first authors)

1. Kaihang Wang°, Julius Fredens, Simon F. Brunner, Samuel H. Kim, Tiongsun Chia, Jason W. Chin°. Defining synonymous codon compression schemes by genome recoding; Nature 2016, 539 (7627), 59-64

2. Daniel T Rogerson, Amit Sachdeva, Kaihang Wang, Tamanna Haq, Agne Kazlauskaite, Susan M Hancock, Nicolas Huguenin-Dezot, Miratul M K Muqit, Andrew M Fry, Richard Bayliss, Jason W. Chin. Efficient genetic encoding of phosphserine and its nonhydrolyzable analog; Nature Chemical Biology 2015, 11 (7), 496-503

3. Kaihang Wang*, Amit Sachdeva*, Daniel J. Cox, Nabil W. Wilf, Stephen Wallace, Ryan A. Mehl, Jason W. Chin. Optimized orthogonal translation facilitates genetically directed, rapid and spontaneous protein double labeling for FRET; Nature Chemistry 2014, 6 (5), 393-403

4. Amit Sachdeva*, Kaihang Wang*, Thomas Elliott, Jason W. Chin. Concerted, rapid, quantitative, and site-specific dual labeling of proteins; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (22), 7785-7788

5. Kaihang Wang, Wolfgang H. Schmid, Jason W. Chin. Reprogramming the Genetic Code: From Triplet to Quadruplet Codes; Angewandte 2012, 51 (10), 2288-2297

6. Heinz Neumann*, Kaihang Wang*, Lloyd Davis, Maria Garcia-Alai, Jason W. Chin. Encoding Multiple Unnatural Amino Acids via Evolution of a Quadruplet Decoding Ribosome; Nature 2010, 464 (7287), 441-444

7. Kaihang Wang*, Heinz Neumann*, Jason W. Chin. Evolved Orthogonal Ribosomes Enhance the Efficiency of Synthetic Genetic Code Expansion; Nature Biotechnology 2007, 25 (7), 770-777

8. Oliver Rackham*, Kaihang Wang* and Jason W. Chin. Functional epitopes at the ribosome subunit interface; Nature Chemical Biology 2006, 2 (5), 254-258

新及代表性科研成果:

Nature: 通过重新设计人工合成基因组来重新定义同义密码子规则

Kaihang Wang°, Julius Fredens, Simon F. Brunner, Samuel H. Kim, Tiongsun Chia, Jason W. Chin°. Defining synonymous codon compression schemes by genome recoding; Nature 2016, 539 (7627), 59-64

研究人员新近发明并验证了一种基于 CRISPR/Cas9 的基因组重组技术。该技术 (replicon excision enhanced recombination, REXER) 可以灵活可靠地将数十万至数百万碱基长度的天然基因组序列替换为人造序列。基于此技术的 GENESIS (genome stepwise interchange synthesis) 可以通过简洁高效地递进使用 REXER 来一步步地将纯天然基因组快速转化为纯人造基因组。基于 GENESIS 和 REXER 技术,可以在十几步之内将大肠杆菌转化为一种拥有纯人造基因组的人造原核生命体。GENESIS 和 REXER 技术,以及相关高通量超大尺度基因组序列人工再编译技术,在本研究中被应用在探索转译同一氨基酸的同义密码子背后的不同意义。这是类似研究第一次被在准基因组尺度实现,并揭示出传统中被认为可以互相替换的同义密码子在基因组尺度以及特定序列位点的高度特异性。该研究涉及的 GENESIS 和 REXER 技术原理上可被拓展到各种不同的生命系统中,为高自由度地通过全人工合成基因组来全人工创造原核以及高等人造生命奠定了坚实的基础。

Nature Chemistry: 通过四联密码子正交转译系统来双重荧光标记蛋白质,以及在荧光共振能量转移研究中的应用

Kaihang Wang*, Amit Sachdeva*, Daniel J. Cox, Nabil W. Wilf, Stephen Wallace, Ryan A. Mehl, Jason W. Chin. Optimized orthogonal translation facilitates genetically directed, rapid and spontaneous protein double labeling for FRET; Nature Chemistry 2014, 6 (5), 393-403

研究人员致力于平行独立的正交转译系统的研究与开发,并成功地验证了人工改造该系统的转译特性及编码规则的可能性。研究人员通过定向演化,在大肠杆菌中改变了正交核糖体的解码特性,首先将 UAG 终止密码子重新定义为了非自然氨基酸的解码密码子。研究人员进一步将正交核糖体的转译解码特性,从天然核糖体的严格三联密码子,拓展为超越自然界所有已知生命形态的四联密码子。在此基础之上,在本研究中研究人员研发了一系列四联密码子,以及与它们对应的四联 tRNA,并进一步演示了通过同时使用多个四联密码子,在同一蛋白质上同时高效引入多个非自然氨基酸,证明了本质上人工重新定义并进而拓展遗传编码规则的可能性。在本研究中,研究人员进一步展示了该技术路径通过借助同时转译的多个非自然氨基酸来在多个特定位点无损伤双重荧光标记蛋白质,进而通过荧光共振能量转移 (FRET) 来研究被标记蛋白质在相关生物环境中针对信号离子的变形与折叠机制。

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