合成生物学研究所：加州大学伯克利分校合成生物学研究所（SBI）

SBI工程师和科学家从事基础研究和应用研究。该研究所还分析了合成生物学的伦理、环境、经济、法律和社会影响。

SBI研究人员因其在生物工程，化学和生物分子工程以及生命和物理科学领域的工作而广受认可，正在帮助为合成生物学革命奠定基础。

什么是合成生物学？

合成生物学专注于生产工程细胞、微生物和生物系统，以执行新的有用功能。它旨在开发技术、方法和生物组件，使生物工程更安全、更可靠、更可预测并最终实现标准化。该领域还阐明了自然生物功能和生物系统组织的关键机制，从而更好地设计新的生物形式和系统。

合成生物学具有广泛的潜力，可以满足社会需求，转化影响人类健康、能源、材料、化学和药物、环境、粮食生产和全球安全的技术。

合成生物学研究所的科学家和工程师从事以下重点领域的基础研究和应用研究：

1.健康与医学；2.化学品，燃料和材料；3.环境与农业；4.基础科学与技术；5.道德，经济，环境，法律和社会方面（E3LSA）

健康与医学

SBI旨在实现合成生物学在药物和诊断化合物生产中的巨大潜力。研究正推进既定类别的治疗方法 - 小分子，蛋白质和疫苗 - 以及基于工程细胞、微生物、病毒或具有复杂生物组成的非生物剂的潜在新类别的开发。后一种药物可以广泛应用于类似药物难以解决的医学问题; 它们可能被用作抗癌剂、基因疗法、干细胞疗法、益生菌和活疫苗。

SBI参与的研究人员：Chris Anderson ；Adam Arkin；Jennifer A. Doudna；Jay Keasling ；Sanjay Kumar ；Gerard Marriott；Dave Schaffer

化学品，燃料和材料

化学品：大量天然存在的生物系统可以将简单的底物转化为细胞生长和存活所需的产物。合成生物学可以利用这种生物转化潜力来生产许多其他化学品，以解决未满足的临床和工业需求。在SBI，研究人员正在开发新的计算工具和方法，用于高通量系统组装和分析，以便在微生物宿主中生产药物、大量化学品和燃料。最近合成生物学技术的改进已经取得了成功，SBI倡议将建立在这些进步的基础上，包括致力于更好的大分子工程工具，生物分子活动的高通量筛选，以及更好的模块化和可预测的中心细胞过程控制，如基因表达，蛋白折叠和稳定性，以及分泌。

SBI参与的研究人员：

Michelle Chang；John Dueber；Jay Keasling生物能源和生物燃料：生物系统的丰富性和多功能性使它们非常适合解决世界上一些必须面临的紧迫挑战，包括将廉价的可再生资源转化为能量丰富的分子。例如，美国能源部已经确定至少有120种化学品是生物制造的高价值目标，可以用生物原料制造。SBI正在开发使生物能源丰富、价格合理且可持续发展所需的基础设施。在工程微生物生产燃料方面已经取得了相当大的进展，但是需要更先进的合成生物学工具来实现能源生物生产的真正突破。新方向可能涉及优化植物在当前不可耕种的土壤中生长，更好的分解酶，和生物有效的捕光材料，用于将太阳光直接转换成电能或燃料。SBI已在其他应用重点领域创建了类似的工具。这些包括用于化学合成的充分表征的基因表达组分和宿主，用于从序列和功能基因组学数据鉴定有用酶和功能的生物信息学方法，用于酶和途径设计的工具，用于连接这些组分以实现更大功能的标准用于生物设计的设备，计算机辅助设计软件和调试工具。

SBI参与的研究人员：

Adam Arkin；Harvey Blanch；Jamie Cate；Michelle Chang；Doug Clark；Jay Keasling；Henrik V. Scheller；Danielle Tullman-Ercek

先进材料：通过了解和重新设计自然界的构建模块并将其组装到复杂的工作结构中，SBI正在开发新的生物材料，以满足人类的重要需求。其研究目标包括设计细胞膜以使其更加稳健，创造新的跨膜摄取和分泌途径，并通过使用蛋白质作为模板剂推进纳米技术。SBI还致力于设计生物材料支架，为研究细胞生理学和制造人体外功能组织和器官提供强大的平台。这项工作的目标是为超越自然生理学限制细胞的实际应用创造新的机会。

SBI参与的研究人员：

Doug Clark；Dan Fletcher；Seung-Wuk Lee；Matt Tirrell；Danielle Tullman-Ercek

环境与农业

合成生物学在保护和恢复环境方面具有许多直接和间接的重要潜在用途。它可能导致新的基因工程微生物的开发，以清洁水、土壤和空气。它可以使海洋藻类生态系统的转变成为碳固定的可能。通过对作物（包括食物和燃料）进行工程设计，可能会产生更大甚至更直接的效益，这些作物可以在较少的耕地上生长，并且比现有作物需要的能源更少。通过开辟更多土地用于生产用途，合成生物学可以帮助保护珍贵的荒地并缓解粮食和燃料生产之间的冲突。

SBI参与的研究人员：

Adam Arkin；Nathan Hillson；Ming Hammond；Jay Keasling；Cheryl A. Kerfeld；Henrik V. Scheller

基础科学与技术

合成生物学需要强大的理论和实践知识基础，涵盖设计、计算和制造，以发挥其满足人类和社会需求的潜力。SBI正在通过五个研究重点领域建立这一基础，从新分子的设计到生物制造方法的开发和改进。这五个研究计划创造了工具和技术，使得有效，可预测和安全地设计新的细胞功能成为可能。

大分子设计：大分子的设计是所有SBI工程活动的基础。它可以涉及在合成途径中重新利用天然分子以产生新的活性，或改变分子本身以提供新的化学性质，在新的环境条件下的稳定性，或全新的结构和材料。在所有情况下，细胞功能的构建模块 - 蛋白质、RNA、DNA，甚至大的脂质和多糖 - 为合成生物学应用提供了基础材料。该研究主题是伯克利研究人员的工作的基础，他们正在几个领域应用大分子工程，例如改变对化学工业重要的现有酶的活性；使基因表达的工程更加同质、可预测和可扩展。

SBI参与的研究人员：

Paul Adams；Adam Arkin；Steven Brenner；Jamie Cate；Doug Clark；Jennifer A. Doudna；John Dueber；Matt Francis；Ming Hammond；Teresa Head-Gordon；Ian Holmes；Cheryl A. Kerfeld；Susan；Marqusee Danielle Tullman-Ercek

细胞网络设计：SBI研究人员正在开发用于发现和设计具有有用功能的复杂生物网络的方法。系统可以在自然界中找到并“重新包装”，以便它们可以在用于化学合成，在各种环境中存活，感知不同条件和其他复杂行为的工程系统中可靠地结合和操作。可以设计全新的大分子网络以产生例如在生物燃料生产中优化的植物中的新型细胞壁，或在人类中实现治疗效果的新细胞。通过快速组装和植入合成网络的新技术以及细胞的全基因组工程来提高这些外部系统的安全性和兼容性，使得这种大规模工程成为可能。SBI研究人员还研究设计的网络如何保持可靠的功能并包含在不同的环境中。该领域的科学家和工程师正在从比较功能基因组学、系统生物学和大分子设计领域开发出对生物功能和设计的系统级理解。SBI正在开发基础理论以及计算和实验技术，以推动健康，环境和生物能源的应用。

参与SBI的研究人员：

Carolyn Ajo-Franklin；Chris Anderson；Adam Arkin；Murat Arcak；Harvey Blanch；Rachel Brem；Michelle Chang；Doug Clark；John Dueber；Dan Fletcher；Nathan Hillson；Jay Keasling；Cheryl A. Kerfeld；Arash Komeili；Sanjay Kumar；Jan Liphardt；Michel Maharbiz ；Gerard Marriott；David Schaffer

生物混合系统设计：生物混合装置可以提供两个更好的世界，特别是在医学领域。它们将生物分子的目标功能与非生物传递系统的安全性结合起来。例如，蛋白质、微生物或病毒可以被设计成攻击特定类型的肿瘤，并且它可以被包裹在化学隔室中，该化学隔室既检测靶向肿瘤的存在又防止生物元件与其周围环境之间的不希望的相互作用。SBI正致力于开发此类系统的组件以及在工业规模上生产这些系统的方法。研究人员将生物杂交选项视为一种手段，可以避免纯合成方法难以实现仿生，适应性设计，以及避免纯生物方法的危害，如病毒和细菌治疗癌症。使用生物学来驱动非生物系统组装的方法一直在改进，但它们仍然是一门艺术; 此外，尚未创建工具用于缩放制造并实现生物混合系统的更好的计算设计。SBI致力于将这些差距与新技术相结合，从而为人类健康带来巨大利益。

参与SBI的研究人员：

Doug Clark；Dan Fletcher：Seung-Wuk Lee Jeremy Thorner；Matt Tirrell；Danielle Tullman-Ercek

BioCAD：开发一套合成生物学计算工具是SBI的一项重要的多学科工作。研究人员利用生物信息学、机器学习、生物物理和系统生物学建模来解决合成生物学中的设计和制造问题。他们正致力于构建计算基础设施以支持生物设计行业，其方式与早期的加州大学伯克利分校工程师开发的软件大致相同，该软件现在已成为电子行业电路仿真、设计和制造的标准。SBI的BioCAD工作与其BIOFAB工作相结合，创建了一个基础设施，不仅为研究所提供服务，还为其他人提供了建立细胞生物工程/生物设计设施的模型。

SBI参与的研究人员：

Chris Anderson；Murat Arcak；Adam Arkin；Nathan Hillson；Jay Keasling；Stuart Russell

BIOFAB：SBI研究人员正致力于开发新的生物制造能力，致力于简化、改进和表征遗传控制元件的活性，以便将大规模的遗传元件集合用作标准化组件来组装工程化生物系统。目标是创建世界上第一个运营生产级生物制造设施。为了实现这一目标，美国国家科学基金会最近通过合作生物工程研究中心（SynBERC）与合作生物工程研究中心（SynBERC）合作，为BIOFAB（国际开放设施推进生物技术）提供了种子资金，这是加州大学伯克利分校与斯坦福大学的共同努力。由加州大学伯克利分校领导，由NSF资助的努力。SBI在该领域的核心技术目标是（1）解耦基因工程中的设计和制造，因此，无需经常进行生物物理测量和建模，即可实现复杂功能的组装，以及（2）开发标准化遗传组件库，缩短开发时间，降低学术和生物技术实验室合成生物学进步的成本。SBI正在寻求扩大这项研究工作并吸引多个国际合作伙伴。

参与SBI的研究人员：

Chris Anderson；Adam Arkin；Nathan Hillson；Jay Keasling；Richard A. Mathies；Jasper Rine ；Eddy Rubin；Stuart Russell

道德，经济，环境，法律和社会方面（E³ LSA）

合成生物学有可能对社会产生巨大影响 - 这使其成为争议的目标。SBI认为，了解这些影响及其影响及其修复对于其推进该领域的工程和科学的使命至关重要。

合成生物学引发的创新可能会带来新的产业，也可能导致传统产业的变化，影响就业和社区。许多人 - 包括SBI研究人员 - 都在关注对生命形式进行合理设计以解决疾病，清理环境或生产粮食作物或植物以进行生物能源生产的问题。道德、安全和政策问题是SBI关注的一部分，因为我们创造了关于重新利用细胞和分子以获得技术进步的新知识。

SBI的研究议程包括探索合成生物学的伦理，环境，经济，法律和社会方面，为新兴的合成生物学行业提供实用的指导方针和标准。该研究所还承认其在教育公众有关合成生物学的科学和工程方面的作用，包括与K-12学生的接触，我们传统的教育本科生和研究生的使命，以及为更广泛的社区提供信息的计划。

SBI参与的研究人员：

Charis Thompson

Jennifer A. Doudna

邮箱：doudna@berkeley.edu

网址：http://doudnalab.org/

目标I. 开发下一代基因组编辑技术，以实现快速、有效和准确的基因组编辑。我们将创建方法，以高效率和特异性在几乎任何基因座中的所需序列改变。

目标II. 实施高通量通道以识别与人类疾病相关的序列变体的抑制子。我们将识别和阐明人类序列变异、基因表达和基因组与调控元件之间相互作用之间的关系。这将通过开发基于单细胞RNA-seq的新方法来实现，用于大规模平行监测响应于基因表达的扰动的细胞mRNA输出的变化。

目标III. 利用单细胞RNA seq读数创建强大的细胞数据记录技术。我们将开发新的方法来永久记录DNA中的细胞状态变化，以便它们可以以单细胞格式读出。我们将专注于构建，验证和使用基于Cas9的进化谱系示踪剂，将这些DNA条形码表达为mRNA。与基于液滴的单细胞RNA-seq技术配合使用，这将使我们能够追踪数十万个细胞的谱系以及它们的RNA-seq特征所揭示的功能细胞状态，从而将细胞的现状与其过去联系起来。历史。我们将为分子记录器生成一个工具包，包括执行它们所需的生物试剂和分析所需的计算框架。最后，我们将扩展我们的分子记录器方法，以捕获其他细胞信息，如分化时间，信号活动和突变的获得。

Jay Keasling

网址：https://keaslinglab.lbl.gov/

邮箱：keasling@berkeley.edu

Jay Keasling是加州大学伯克利分校的Hubbard Howe Jr.杰出生化工程教授，他在那里担任生物工程和化学与生物分子工程的任命。他是LBNL的高级教师科学家，并且是生物科学的副实验室主任; 他还是联合生物能源研究所（JBEI）的首席执行官和合成生物工程研究中心（SynBERC）的主任。他的研究重点是微生物的代谢工程，用于降解环境污染物或用于环境友好地合成药物，化学品和燃料。他拥有博士学位。他是密歇根大学的化学工程专业，自1992年以来一直在加州大学伯克利分校任教。

Adam Arkin

http://genomics.lbl.gov/

Adam Arkin是SBI主任。他还是微生物应激与生存虚拟研究所的联合主任，联合生物能源研究所的生物信息学主任，以及BIOFAB（国际开放设施推进生物技术）的联合主任。他的研究重点是揭示细胞网络和种群的进化设计原理，并将其用于应用。他和同事正在开发一个框架，通过结合比较功能基因组学，细胞动力学的定量测量，细胞网络的生物物理建模和细胞电路设计，促进健康，环境和生物能源的应用。自1999年以来加州大学伯克利分校的一名成员，他获得了博士学位。他是2007年美国微生物学会的研究员，并且已被介绍过时间作为“未来的创新者”。

Jamie Cate

http://catelab.berkeley.edu/

Jamie Cate是加州大学伯克利分校的生物化学、分子生物学和化学副教授。他的研究重点是生物燃料的生产以及蛋白质合成。他有兴趣了解微生物如何从植物生物质中提取碳，这是可持续化学工业的丰富资源。Cate博士的实验室正在使用合成生物学和系统方法来重组面包酵母用于生物精炼应用。该实验室还探讨了蛋白质合成的分子基础，以及核糖体上抗生素作用的结构基础。耶鲁大学分子生物物理学和生物化学专业，自2001年以来一直在加州大学伯克利分校任教。他于2000年获得塞尔学者奖，并荣获2008年欧文西格尔青年研究员奖。

Douglas Clark 

http://www.clarklab.org/

Douglas Clark 他是加州大学伯克利分校化学学院院长和Gilbert Newton Lewis化学教授。他的实验室研究以生物化学工程为中心，重点是生物催化的蛋白质工程和先进的生物材料。他拥有博士学位。他是加州理工学院的化学工程专业，自1986年以来一直在加州大学伯克利分校任教。他是美国医学和生物医学工程师学会和美国科学促进会的研究员，并且是他的编辑。 - 自1996年以来一直担任生物技术和生物工程期刊。他曾获得美国化学学会颁发的Marvin J. Johnson微生物和生化技术奖; 美国化学工程师学会的食品，制药和生物工程奖; Amgen生化工程奖; 国际酶工程奖; NorCal化学工程奖 - 工业研究; 和化学工程系教学奖。

John Dueber

https://dueberlab.berkeley.edu/

Matt Francis 

https://www.mbfberkeley.com/

Matt Francis 是加州大学伯克利分校的化学副教授。他正在开发有机反应策略，可以将合成组分附着到蛋白质表面的特定位置，目的是创建具有有用电子和生物功能的新杂交材料。他的具体研究兴趣包括用于药物和成像剂递送的病毒衣壳的功能化，使用病毒衣壳蛋白构建人工光捕获系统，用于废水处理的蛋白质材料，以及通过其将活细胞整合到装置形式中。引入其质膜上的合成DNA链的杂交。他拥有博士学位。他曾在哈佛大学获得有机化学专业，并于2001年加入加州大学伯克利分校。他获得了德雷福斯基金会新教师奖，获得NSF职业奖和葛兰素史克青年研究员奖。他还曾两次荣获部门教学奖，诺伊斯本科教学卓越奖和2009年加州大学伯克利分校杰出教学奖。

Jay T. Groves

http://groveslab.cchem.berkeley.edu/

加州大学伯克利分校化学教授Jay T. Groves长期以来一直关注细胞膜的物理和生物学方面，并致力于弥合物理和生物科学之间的鸿沟。他的实验室专注于空间组织如何影响细胞膜上的信号转导过程。他拥有博士学位。在斯坦福大学的生物物理学。他是霍华德休斯医学研究所的研究员，并获得了许多其他荣誉，包括生物医学科学的Burroughs Wellcome职业奖，塞尔学者奖，麻省理工学院技术评论100，贝克曼青年研究员奖和NSF CAREER。奖。自2006年以来，他一直担任物理化学年度评论的副主编。

Cheryl A. Kerfeld

https://www.kerfeldlab.org/

Dan Nomura

http://nomuraresearchgroup.com/

Jasper Rine 

http://mcb.berkeley.edu/labs/rine/index.html

Jasper Rine 是加州大学伯克利分校的遗传学，基因组学和发展教授。他的研究主要集中在表观遗传机制上，通过细胞分裂以稳定和可遗传的方式表达基因组中的信息。他使用酵母酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来发现染色质结构的特定结构域是如何建立，维持和遗传的。他的实验室最近将注意力转向探索人类遗传和表观遗传变异的功能性后果，目的是了解神经管缺陷，这是最常见的先天缺陷形式之一。Rine博士拥有博士学位。他是俄勒冈大学的分子遗传学家，并于1982年加入加州大学伯克利分校。他是美国国家科学院院士，美国艺术与科学学院院士，美国微生物学会和美国科学促进会。他还于2006年获得加州大学颁发的杰出教学奖。

David Schaffer

http://www.cchem.berkeley.edu/schaffer/

Wenjun Zhang

http://www.cchem.berkeley.edu/wzgrp/index.htm

Wenjun Zhang是化学和生物分子工程专业的学者。她的研究中心是生物分子工程，用于医学和生物能源。该实验室的工作包括基因组挖掘，用于新的生物活性小分子发现，途径酶鉴定和表征，以及通向组合天然产物生物合成和生物燃料生产的途径设计。她在加州大学洛杉矶分校获得化学工程博士学位，是哈佛医学院的研究员。她获得了总部位于加州大学伯克利分校的能源生物科学研究所颁发的2011年提案奖。