『实验技术』哺乳动物合成生物学新方法

如何命令细胞做出决定，并设计出一个策略达成我们想要的细胞决定？波士顿大学的研究团队设计了一款有关哺乳动物基因路线设计的平台。针对更复杂的哺乳动物细胞遗传路线设计，也能利用这个新型简单平台更快更高效地完成。

　　

生物通报道：合成生物学（synthetic biology），是指人们将“基因”连接成网络，让细胞来完成设计人员设想的各种任务。例如把网络同简单的细胞相结合，可提高生物传感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置。简单来说，就是给细胞编程。

地球上的每种生物体（人、植物、动物、微生物）都能追根溯源到36亿年前地球尘土中出现的一个极微小的活细胞，它出现后不断地自我复制、变异、组合，最后生成了现在地球上千变万化的生物体。但是，近些年来科学家们已经不再局限于对现在生物体的改良，而想通过“合成生物学”的方法，扮演一次创造新生命的“上帝”：在实验室内创造出完全不同于自然生物体的全新人造生物体。

虽然听起来很玄，但“合成生物学”的思路很简单，它利用计算机工作原理，将细胞作为硬件，基因作为软件，来组装成一个人工的全新生物体。这个生物体软件中的可编程的“生物组件”是从生物公司就可以买到的、两端可连接的、人工合成的DNA片断，生物工程师就像组装一个玩具一样，将“生物组件”直接与细胞中的DNA组装连接，一旦连接后，每个“生物组件”就会像计算机的程序一样，修改、控制细胞的功能。人们可以通过放入和组合不同的DNA片段来“命令”细胞，使它产生不同的功能。

合成生物学被美国评为全球九个开拓性新兴科技领域之一，它所创造的这种有生命的、具有计算机功能的活细胞可以解决现在人们很难解决的问题。

Hobom B.于1980年提出表述基因重组技术，经过短短几十年的发展，合成生物学已经发展为基因片段、DNA分子、基因调控网络与信号传导路径以及细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，并逐渐将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域。

人体由数以万亿的细胞所组成，像一台微型计算机一样通过外界环境和内部相互信号做出复杂的行为。人工生物学家通过将基因转化为可编程的电路来控制活细胞的行为。由波士顿大学的Swapnil Bhatia和Wilson Wong领导的有关哺乳动物基因路线设计的研究，近期被发表于Nature Biotechnology杂志。针对更复杂的哺乳动物细胞遗传路线设计，通过这个新型简单平台也能够更快更高效地完成。

“合成生物学家试图解决的问题是我们如何命令细胞做出决定，并设计出一个策略使这个决定是我们想要的”Wong说，“通过这些路线，我们采取了一个完全不同的设计方法，我们创建了一个框架，使其能够针对特定类型的细胞执行不同的计算类型。从而有助于某些领域的研究，比如组织工程、干细胞研究、以及诊断应用等等。”

工程基因路线设计的灵感，实际上来自于电子电路设计。使用转录因子（诱导DNA转录为RNA的蛋白质）的方法都是类似的，但是过程是复杂的，因为预测一整条DNA链的遗传密码是一项困难的工作。而哺乳动物细胞更是特别棘手的工作，因为它们的环境更为多变，表达高度复杂的行为，致使哺乳动物细胞基因路线设计的时间被极度地浪费在不断权衡之中。

Wong的方法是利用DNA重组酶（剪切和黏贴DNA序列的酶类），更具针对性地操纵细胞和它们的行为。这个全新的合成生物学平台被称为“BLADE（刀片）”或“Boolean Logic and Arithmetic through DNA Excision”，指细胞编程所用的计算机语言以及实现编程的计算方法。BLADE将允许科研人员在一个流线型的设备上使用不同的信号，或输入数据，来控制输出，或细胞行为。

“当时的想法是建立一个简单而又足够灵活的系统，能适用于任何想要的定制结果，而不是针对不同的系统就要重建一个新的设计”Benjamin Weinberg说，Wong实验室的研究生也是本文的第一作者。“基本上利用BLADE你可以实现任何哺乳动物细胞中你所需要的计算组合，虽然本文我们并未构建你可能需要的特定细胞行为，但是我们想说明的是，利用BLADE，你将高效地实现你所需要的基因路线。”

图1 Benjamin Weinberg正在利用BLADE平台进行细胞编程

本文概述了利用BLADE平台所成功构建的超过100个基因路线。Weinberg指出，研究人员故意用一些复杂的路线来说明该平台的可行性，例如让人类细胞进行加减运算等。

该技术的开源在线知识库已经上线，全世界的研究人员都立即可以下载工具包，开始设计属于自己的细胞基因路线。Weinberg还将继续完善该项技术，并开发一款软件程序使其更容易使用。而Wong的下一阶段计划是使用该平台探索其在医疗诊断领域的应用。

图2 BLADE平台

Wong说，在BLADE出现之前，任意一个我们所构建的基因路线，可能都需要几年的不断探索才能被成功建立以及具有你想要的功能。我从事合成生物学研究已经15年了，我从未见过像这样的处理复杂路线研究的平台。我很高兴现在有这么多人可以享受它的便利，实现更多有创意的研究。

原文标题：Large-scale design of robust genetic circuits with multiple inputs and outputs for mammalian cells