人工基因線路的應用

目前，人工基因線路已經(jīng)在基礎科研和實際應用兩方面發(fā)揮了重要作用。在基礎科研領(lǐng)域，合成生物學對天然的生物系統(tǒng)進行干擾、重建乃至再創(chuàng)的能力已經(jīng)成為生物學家探索生命的強大工具，能夠用于研究復雜生物的運行規(guī)律。在實際應用領(lǐng)域，人工基因線路也已經(jīng)在代謝工程、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力，極大推動了這些領(lǐng)域的發(fā)展。

“建物致知”——人工基因線路在基礎科研中的應用

利用人工的基因線路元件，可以實現(xiàn)對天然的基因線路的重編程，構(gòu)建超越進化法則的人造生命過程，用于探索傳統(tǒng)生物學難以研究的一些基本科學問題。這種方法被稱為“建物致知”。目前，該方法已經(jīng)為生命起源、生物進化、生命網(wǎng)絡調(diào)控等方面的研究開啟了更加廣闊的空間。

例如，細胞在應激調(diào)控中會專一性地利用某種特定的調(diào)控拓撲網(wǎng)絡。因此，可以通過替換拓撲網(wǎng)絡中某些特定的元件對該網(wǎng)絡進行重編程，從而深入了解天然基因線路的某些特性。2009?年，美國加州理工大學?Elowitz?課題組在枯草芽孢桿菌中構(gòu)建了一個“先正后負”的人工負反饋基因線路，替換了天然的“先負后正”的負反饋網(wǎng)絡（圖?2a）。他們發(fā)現(xiàn)，這種人工負反饋網(wǎng)絡產(chǎn)生的感受態(tài)響應持續(xù)時間短、噪聲小，而天然負反饋網(wǎng)絡的感受態(tài)持續(xù)時間長短不一，分布特別寬。這一發(fā)現(xiàn)揭示了一種生命體在適應環(huán)境方面的生存策略，即利用放大基因表達噪聲來適應環(huán)境的多變和不確定性。

相比于細菌，高等生物的調(diào)控網(wǎng)絡更加復雜，也存在更多的未知領(lǐng)域，能夠賦予“建物致知”研究方法更大的發(fā)揮空間。早在?2003?年，美國加州大學舊金山分校的?Lim?課題組在研究酵母細胞對環(huán)境信號的響應策略時，通過對兩種完全不同的信號通路——有性生殖響應和高滲透壓響應的重編程，成功實現(xiàn)了對兩種輸入信號和輸出信號的嫁接，以此證明了?MAPK?信號轉(zhuǎn)導通路的支架蛋白是空間上區(qū)域化的信號節(jié)點。同時，該工作還證明了只要將基于支架蛋白的層次性信號——蛋白磷酸化反應整合在一起，就能獲得完全依賴于蛋白質(zhì)相互作用的、可重新編程配置的人工信號通路（圖?2b）。類似的調(diào)控拓撲替換和信號通路嫁接工作還有很多，比如人工改變了調(diào)控順序的?lambda?噬菌體開關(guān)，被嫁接了輸入和輸出信號的雙組分調(diào)控系統(tǒng)等。這些研究不僅加深了人們對天然基因線路生理學功能的認識，而且為基因線路的從頭設計提供了高質(zhì)量的基本調(diào)控元件。

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