Nature重大突破：最复杂的环路

　　

生物通报道  利用基因作为互换元件，合成生物学家曾成功地设计出能够执行如感知环境条件等新功能的细胞环路（cellular circuits）。然而由于一个关键的瓶颈，难于组装彼此互不干扰的遗传组分，使得这些回路的复杂性受到限制。

不同于硅芯片上的电子电路，细胞内的生物环路无法在物理上相互隔离。“细胞可以说像一个墨西哥玉米煎饼，它将所有的东西混合在一起，”麻省理工学院生物工程学副教授Christopher Voigt说。

因为所有阅读基因和合成蛋白质的细胞机器被混杂在一起，研究人员必须小心对待控制他们合成环路每个部分的蛋白质，避免阻碍环路的其他部分。

Voigt和他的学生们现在开发出了互不干扰的环路组件，使得他们构建出了有史以来最复杂的合成环路。这一环路集成了四个针对不同分子的感受器。这样的回路可用于细胞中准确监测它们的环境，并适当地作出反应。相关论文发表在10月7日的《自然》（Nature）杂志上。

Voigt说：“将所有这些碎片拼接到一起，是极其复杂的。”Voigt和学生们现正开发计算机程序以构建更大的环路，使得他们能够以新的有用的方式将成百上千的环路组合到一起。

扩大可能性

从前，Voigt设计了可以对光做出反应并捕捉摄影图像，以及能够检测低氧水平和高细胞密度（这两种情况通常存在于肿瘤中）的细菌。然而，不论最终结局如何，他的大部分项目以及其他的合成生物学家都是利用一些已知的遗传组件。“我们只是在一次又一次地重装相同的环路，”Voigt说。

为了扩大可能的环路数量，研究人员需要不会相互干扰的组件。他们开始研究沙门氏菌，这种细菌有一条信号通路控制着蛋白进入人类细胞。“这是一个非常严密调控的环路，这使得它成为了一个好的合成环路，”Voigt说。

这一信号通路由三个组件组成：一个激活子、一个启动子和一个伴侣蛋白。启动子是蛋白质结合启动基因转录的DNA区域。激活子是这样的一种蛋白。一些激活子在结合在DNA上启动转录前还需要一种伴侣蛋白。

研究人员在其他种类的细菌中发现了60个不同版本的这种信号通路，并发现每种细菌中大部分相关的蛋白都非常的不同以致它们不会相互干扰。由于只在少数的环路组件之间存在少量的串扰，因此研究人员利用了称作定向进化（directed evolution）的方法来减少它。定向进化是一个涉及突变某个基因生成成千上万的相似变异体，随后测试它们鉴定理想性状的试错法。不断地突变和筛查最好的候选，直至生成最佳的基因。

劳伦斯伯克利国家实验室工作人员Aindrila Mukhopadhyay说研究人员为构建每个功能模块所做的故障排除数令人惊叹。许多人都对构建复杂的遗传环路的想法着迷。这一研究提供了为了达成这一目标他们或许不得不开展的这类优化的宝贵的例子。

多层环路

设计出能够层叠在一起的合成环路，它们的输入与输出必须相匹配。一个电路，输入输出的是通常电流。而这些生物学环路，输入输出的控制下一个环路（或是激活子或是伴侣蛋白）的蛋白。

这些组件可用于构建能够感知多种环境条件的环路。“如果细胞需要寻找适合的微环境——糖、pH、温度和渗透性——单个地它们并不是很特异，但获得所有四个感受器真的可以缩小范围，”Voigt说。

研究人员现正将这一工作应用到构建一种传感器，这种传感器可使酵母在工业发酵罐中检测它们自身的环境，相应地调整它们的产量。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Genetic programs constructed from layered logic gates in single cells

Genetic programs function to integrate environmental sensors, implement signal processing algorithms and control expression dynamics1. These programs consist of integrated genetic circuits that individually implement operations ranging from digital logic to dynamic circuits2, 3, 4, 5, 6, and they have been used in various cellular engineering applications, including the implementation of process control in metabolic networks and the coordination of spatial differentiation in artificial tissues. A key limitation is that the circuits are based on biochemical interactions occurring in the confined volume of the cell, so the size of programs has been limited to a few circuits……