解读“底盘效应”：宿主生理学成为关键预测因子

遗传电路基于宿主环境的不同性能，被称为“底盘效应”，在合成生物学应用中产生了不确定性。然而，控制这种效应的潜在因素尚不清楚。来自挪威和英国的研究人员现在已经证明，遗传逆变电路的性能与六种工程γ变形菌的生理特性直接相关，而不是系统基因组相关性。他们的发现确立了宿主生理学是基因回路性能的一个强有力的预测指标。

　　

合成生物学是一门不断发展的学科，它涉及到重新设计自然存在的生物体以表达新的、有用的属性。这些工程生物可以用来解决传统方法无法解决的问题。

广泛宿主范围(BHR)合成生物学是一个新兴领域，旨在通过利用自然进化的微生物世界的丰富多样性来扩大模型宿主或“底盘”池。该底盘为来自不同生物体的异源基因的表达提供了一个平台。它们必须经过基因工程改造才能发挥作用。在探索这个新维度的过程中，合成生物学家发现，基因回路(编码RNA或蛋白质的生物部件的组装)的功能随着宿主环境的不同而不同。这种现象被称为“底盘效应”，可能会阻碍工程生物体的发展。然而，关于导致底盘效应的潜在生物学特性的信息缺乏。

为了填补这一知识空白，来自挪威北极大学的Hans C. Berstein教授和他的同事们开始研究系统基因组和生理关系与遗传回路性能的相关性。他们的研究发表在2023年8月16日的《生物设计研究》第五卷上。

Berstein教授表示:“填补这一知识空白不仅有助于减轻底盘效应带来的不确定性，而且还能为BHR合成生物学应用提供更多的预测能力，并有助于拓宽生物设计应用的设计空间。”

先前的研究表明，基因组亲缘性(基于相同基因等位基因的遗传)和生理属性可能是遗传回路性能的潜在预测因素。然而，这些研究只评估了单个底盘模型中的单个或几个属性。为了克服这一缺点，研究人员对模型生物和非模型生物中的大量变量进行了全面分析。他们通过在六种不同的γ变形菌种中描述遗传逆变电路(一种基因工程电路，接收一种抑制因子的浓度作为输入，并发送另一种抑制因子的浓度作为输出)的性能来证明底盘效应。

首先，他们将遗传电路逆变器克隆到pSEVA231载体(载体)中，并使用生物技术组装标准进行等幂克隆(BASIC)。逆变器包含以mKate(红色荧光蛋白)和Superfolder GFP (sfGFP，绿色荧光蛋白)为报告基因的2个诱导型拮抗表达盒。l -阿拉伯糖(Ara)和无水四环素(aTc)均可诱导该回路。

接下来，他们利用电孔法将pS4(含逆变器)引入6种伽马变形菌，即大肠杆菌、阿斯图尼氏杆菌、大洋杆菌、欺骗假单胞菌M1、荧光假单胞菌和恶臭假单胞菌。通过对基因工程细菌及其野生型(非基因工程)细菌的生长模式分析，他们发现关系密切的宿主具有相似的生理机能。

接下来，他们继续比较系统基因组亲缘关系对逆变器表达与宿主生理的影响。流式细胞分析显示，虽然所有含有逆变器的宿主在感应后都会发出荧光信号，但宿主之间逆变器的表达存在差异，建立了清晰且可量化的机箱效应。

为了量化底盘效应，在相同的诱导条件下，使用toggle实验评估宿主荧光。研究人员发现，相同的逆变器电路在生理上不同的底盘上表现截然不同。然后，研究人员继续评估底盘效应是受宿主生理学影响更大，还是受系统基因组相关性影响更大。两项测试都表明，逆变器性能仅与宿主生理相关，而与系统基因组相关性无关。这证实了宿主生理学属性是伽马变形菌宿主内逆变电路性能的有效和可靠的预测因子。

Hans教授总结说:“当我们驯化更多实用的微生物作为新的底盘时，我们控制和预测宿主环境效应的能力也必须提高。我们的研究结果通过改进底盘效应的预测，有助于实现这一目标。”

总的来说，这项研究为合成生物学新的高级篇章的开始铺平了道路。显然，在非模型或不太成熟的模型生物中使用遗传电路/装置用于生物学研究是可能的。