卢冠达博士Cell重塑细胞的新技术

　　

生物通报道  近十多年来，合成生物学家们一直在致力寻找各种途径设计遗传电路执行例如制造新药物，生产燃料或甚至编写癌细胞自杀程序等细胞新功能。

实现这些复杂功能需要调控许多的遗传和细胞组件，不仅包括基因还包括开启和关闭它们的调控蛋白。在一个活细胞中，称为转录因子的蛋白往往调控了这一过程。

到目前为止，研究人员已经利用在细菌中发现的转录因子设计出了他们的合成电路。然而，这些并不总是很好地转变为非细菌性细胞，对于规模化是个挑战，使得难于构建复杂的电路。

近日来自麻省理工学院、波士顿大学、哈佛医学院等处的研究人员想出了一种为非细菌性细胞设计转录因子的新方法。他们初期的19个新转录因子文库将帮助克服目前限制合成生物学应用的瓶颈。研究人员将这一新的转录因子设计技术发布在8月3日的《细胞》（Cell）杂志上。

文章的通讯作者是华裔科学家、麻省理工学院电子研究实验室成员、电子工程和计算机科学系助理教授卢冠达(Timothy K. Lu)。其曾在噬菌体研发、病毒结构改造摧毁生物膜等研究中取得突出的成果。2010年被百年期刊《技术评论》（Technology Review）评为年度世界青年科技创新家。

新研究是一个更大型正在开展研究项目的一部分，该项目旨在开发出可组装到电路中获得特异功能的遗传“元件”。通过这一努力，卢博士和同事们希望能更容易地开发出执行要求任务的电路。

“如果你注意看零件记录表，会发现这些零件许多都源自不同生物体的混杂。你将选择的生物体放到一起，希望它能运转，”卢冠达说。

结合DNA

近期在DNA结合蛋白设计上取得的进展给予了研究人员所需的推动力开始建立一个转录因子的新文库。

转录因子包括一个部分可以识别和锁定称为启动子的特异DNA序列。这种蛋白质随后招募RNA核糖核酸聚合酶，启动将基因拷贝为信使RNA，将遗传指令携带到其他的细胞中。

在许多转录因子中，其DNA结合部分是由锌指蛋白构成，依赖于结构靶向不同的DNA序列。研究人员的新锌指设计是以天然存在的锌指蛋白为基础。“通过在锌指中修饰特异的氨基酸，你可以让它们与新的靶向序列结合，”卢冠达说。

研究人员将新锌指附着到了现有的活化片段上，使得它们构建出许多不同强度和特异性的组合。他们还设计出了协同作用的转录因子，因此只有这些因子彼此结合，基因才能被开启。

德克萨斯大学奥斯汀分校的生物化学教授Andrew Ellington说这项工作朝着在非细菌性细胞中构建出更复杂的电路迈出了重要的一步。“他们构建了一批新的转录因子，并以一种模块化的方式完成，构建出了人们可用来制作新电路的其他工具，”Ellington说。

朝着更大的复杂性

这样的转录因子应该会使合成生物学家设计出执行诸如感知细胞环境条件等任务的电路变得更容易。

在这篇文章中，研究人员在酵母中构建了一些简单的电路，他们计划在未来的研究中开发出更复杂的电路。“我们并没有构建庞大的10个或15个转录因子的电路，但是我们确实打算沿着这条路做下去。我们希望看看我们能够利用这一框架构造这种类型的电路模式化到何种程度。”

就像电子电路，合成生物学可以是模拟或数字。数字电路包括诸如与门（AND）和或门（OR）等逻辑功能，让细胞生成诸如是否执行程序性细胞自杀等明确的决定。模拟功能用于传感器对细胞或环境中某种特异的分子进行连续的测量。将这些电路组合到一起，研究人员生成了更为复杂的系统，一旦传感器达到某一阈值就会触发数字决定。

除了构建更复杂的电路，研究人员正计划在其他酵母中，并最终在哺乳动物中包括人类细胞中尝试新的转录因子。卢冠达说：“我们真的希望到最后，酵母会成为设计这些电路的很好的跳板。对哺乳动物开展工作更缓慢，更为繁琐，因此如果我们能够建立验证的电路和酵母中的部分，并导入它们，将会是理想的情况。但我们还没有证明我们可以这样做。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

A Synthetic Biology Framework for Programming Eukaryotic Transcription Functions

Eukaryotic transcription factors (TFs) perform complex and combinatorial functions within transcriptional networks. Here, we present a synthetic framework for systematically constructing eukaryotic transcription functions using artificial zinc fingers, modular DNA-binding domains found within many eukaryotic TFs. Utilizing this platform, we construct a library of orthogonal synthetic transcription factors (sTFs) and use these to wire synthetic transcriptional circuits in yeast. We engineer complex functions, such as tunable output strength and transcriptional cooperativity, by rationally adjusting a decomposed set of key component properties, e.g., DNA specificity, affinity, promoter design, protein-protein interactions. We show that subtle perturbations to these properties can transform an individual sTF between distinct roles (activator, cooperative factor, inhibitory factor) within a transcriptional complex, thus drastically altering the signal processing behavior of multi-input systems. This platform provides new genetic components for synthetic biology and enables bottom-up approaches to understanding the design principles of eukaryotic transcriptional complexes and networks.