Nature子刊发表合成生物学新工具——meganuclease (I-SceI)

加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究人员发明了一种涉及动态控制DNA拷贝数同步变化的菌落基因表达设计新方法。研究结果发表于7月10日的《Nature Genetics》。

　　

生物通报道：迄今为止，控制或编辑微生物（如细菌）的方法包括转录和转录后调控。最近，在UCSD教授 Jeff Hasty带领下的研究团队开发了一种涉及切割细菌质粒的DNA破坏和关闭调节新方法。这项研究向我们展示了DNA通过增加浓度来开启合成基因电路的过程。通过控制DNA拷贝数，研究人员可以更有效地调节基因表达。

为了某些用途改造生物系统的合成生物学（synthetic biology）正在发展为一门独立的工程学科。这一领域的强势确立始于2000年，类似电子电路，一些细胞被引入了人工设计的合成生物学电路以执行某些具体功能，这些生物学电路可开可关。其中，“遗传钟（genetic clock）”的制作过程包括将基因按照特定顺序排列，以便在特定时间开启，这一模型有助于人类理解例如睡眠-觉醒周期的天然“钟摆（oscillators）”。

根据这些早期发明，Jeff Hasty团队曾经展示过如何通过质粒让工程细胞钟摆与细胞菌落同步。如今，这只研究队伍为他们的合成生物学工具箱又添加一员大将——“主时钟（master clock）”，它将令研究人员方便地协调工程细菌细胞内的子过程。

“这是一个了不起的微生物模块控制元件，” 联合受聘于UCSD计算机科学和工程项目的儿科教授Rob Knight说。“用相同的主时钟控制不同菌株我们可以在菌群水平动态策划微生物的特定功能。”可能的例子包括：在特定时间与宿主相互作用，定时释放由细菌产生的神经递质，因富含糖分食物引发抗真菌产物生产等。

研究人员使用了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的一种核酸内切酶，该内切酶与一个含有核酸酶识别序列的质粒一同表达，从而可以在自然状态下让质粒拷贝数暂时降低。

“我们发现我们无法将所有复制质粒全部切割，”Hasty说。“这项最新工具允许我们下调基因表达，而非消除基因表达。”

研究人员推测，该方法可用于调节一整套基因和启动子，于是他们用一个先前构建好的电路测试了他们的想法。

该已知电路通过一个被称为AHL的小分子来协调同一菌落中的一群细胞。电路开启后，包括AHL生产基因在内的由启动子驱动的基因也被激活。这是一个正反馈循环，AHL积累越多，AHL生产越活跃。因为AHL分子量很小，所以它能弥漫于细胞之间，打开附近细胞的启动子，使受其活化的基因大量生产，这种现象被称为群体感应（quorum sensing） 。Hasty和他的研究组引入新型内切酶后减少了菌落中这些质粒的数量，通过负反馈驱动基因表达中的钟摆，再通过群体感应将整个反馈系统耦合在细胞菌落中。

“我们在不同时间段观察了不同长度的菌落，发现微流体室（microfluidic chambers）中的基因表达水平呈规律性振荡，”Hasty说。“通过结合基因拷贝数目的正反馈和负反馈元素，从而可实现整条电路稳定性的提高。”

视频截图：在文章所提供的视频资料中，我们可以看到应用这一最新工具，微流体室内荧光基因水平呈现出非常规律的节律变化。

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原文标题：Synchronized DNA cycling across a bacterial population