青年华人学者连发两篇Cell 解析基因网络

　　

生物通报道：早年毕业于北京大学的尹鹏（Peng Yin）教授现就任哈佛大学Wyss研究院助理教授，主要从事分子工程，生物学与信息科学等方面的研究，曾荣获2010年美国NIH院长创新奖。近期其研究组接连在Cell杂志上发表文章，聚焦合成生物学基因网络设计。

自2000年首次亮相以来，合成生物学研究已经走过了十多个年头，经过这些年的发展，这门学科已经成为了包含复杂生物系统，构建工程设计的一个充满活力的研究学科。今年TSRI就获得了这一领域的一项重大成果：构建出了一种细菌，其遗传物质中加入了自然中不存在的DNA碱基对。只要供给分子构件，这一独特细菌的细胞可以几乎正常地复制这些非天然的DNA碱基。

要想构建一个“随心所欲”的活细胞并不容易，首先需要了解细胞的各种调控元件和相关动态分子机制，由此设计出自己所需的构成元件。在第一篇文章“Toehold Switches: De-Novo-Designed Regulators of Gene Expression”中，尹鹏等人就报道了一种从头设计（de-novo-designed）的原核细胞调控因子：riboregulators，研究人员将其称为支点开关（toehold switches，生物通译）。

这种开关能对任何序列的同源RNAs作出应答，激活基因表达，从而提供了一种高水平正交性，能用于平均动态范围400以上工程应用。研究人员还发现这种开关也能整合到基因组中，用于调控内源基因，作为内源性基因的感应器。

由此研究人员利用toehold switches单独调控了12种基因，构建出了一个遗传环路，这表明这种新设计元件能作为一种通用的强大翻译调控平台，用于分子生物学、合成生物学和生物技术中。

另外一篇文章则提出了一种基于纸张的合成生物学研究平台。

合成基因网络在重编程和生物机体改写方面具有广泛的用途，然而迄今为止还没有一种方法，能利用这种网络的强大功能。在这篇文章中，研究人员提出了一种体外基于纸张的平台，为合成生物学家进行安全有效的实验室外研究提供了可供选择的强大场所。

文章的另外一位作者，来自波士顿大学的James J. Collins教授是合成生物学的前沿科学家之一，这些科学家希望能创造出人工的生物体。合成生物学还是处于萌芽阶段的学科，许多优秀的青年科学家用证明概念性的实验相互称奇并且发表充斥着整页的数学公式的研究论文。而Collins是创造出由合成生物学发展的先进商业化技术的第一人。更进一步，他证明合成生物学已经为市场做好了准备，这远远快于其他人的预期。

这位教授曾在2004年第一次描述的最有前途的一项技术是一个RNA核糖调控子。它包含一段DNA序列，这段序列在经过基因工程改造过的病毒的携带下，整合到宿主细菌的基因组上。这段DNA接着产生一个环状的信使RNA，信使RNA结合到核糖体(细胞内蛋白质工厂)上，就可以阻断特定蛋白的生产。同样，调控子也可以干相反的事情。为了开始合成这种蛋白质，也可以命令调控子停止阻断核糖体。实际上，核糖体调控子使得科学家以接近100%的准确度和效率来控制蛋白质的生产。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Toehold Switches: De-Novo-Designed Regulators of Gene Expression

Efforts to construct synthetic networks in living cells have been hindered by the limited number of regulatory components that provide wide dynamic range and low crosstalk. Here, we report a class of de-novo-designed prokaryotic riboregulators called toehold switches that activate gene expression in response to cognate RNAs with arbitrary sequences. Toehold switches provide a high level of orthogonality and can be forward engineered to provide average dynamic range above 400. We show that switches can be integrated into the genome to regulate endogenous genes and use them as sensors that respond to endogenous RNAs. We exploit the orthogonality of toehold switches to regulate 12 genes independently and to construct a genetic circuit that evaluates 4-input AND logic. Toehold switches, with their wide dynamic range, orthogonality, and programmability, represent a versatile and powerful platform for regulation of translation, offering diverse applications in molecular biology, synthetic biology, and biotechnology.
 

Paper-Based Synthetic Gene Networks

Synthetic gene networks have wide-ranging uses in reprogramming and rewiring organisms. To date, there has not been a way to harness the vast potential of these networks beyond the constraints of a laboratory or in vivo environment. Here, we present an in vitro paper-based platform that provides an alternate, versatile venue for synthetic biologists to operate and a much-needed medium for the safe deployment of engineered gene circuits beyond the lab. Commercially available cell-free systems are freeze dried onto paper, enabling the inexpensive, sterile, and abiotic distribution of synthetic-biology-based technologies for the clinic, global health, industry, research, and education. For field use, we create circuits with colorimetric outputs for detection by eye and fabricate a low-cost, electronic optical interface. We demonstrate this technology with small-molecule and RNA actuation of genetic switches, rapid prototyping of complex gene circuits, and programmable in vitro diagnostics, including glucose sensors and strain-specific Ebola virus sensors.