細胞內的一些特殊生理機制會影響人工基因線路的功能

細胞內存在的一些生理機制也可能會對元件的功能產生意料之外的影響，如排隊效應（queueing-up effect）和追溯效力（retroactivity）。合成生物元件和底盤細胞共同利用細胞內的酶、核糖體等有限資源，資源競爭會導致設計上本互不相關的基因線路元件產生功能上的干涉。例如，帶有?LAA?蛋白降解標簽的黃色熒光蛋白、青色熒光蛋白在同一大腸桿菌中過量表達時，可能過載細胞內的?ClpXP?降解機器，使得兩種不同的熒光蛋白不得不排隊進入?ClpXP?的降解通道，從而使兩種不相關的蛋白降解過程產生干涉。這一機制被稱為排隊效應。與此類似，細胞內核糖體的數量不足時，mRNA?的翻譯也會出現對核糖體的競爭，從而導致不相關的?mRNA?翻譯產生排隊效應。追溯效力是指信號通路下游的系統給上游系統帶來信號反饋，從而影響上游系統功能的效應。具體而言，人工基因線路中一個基因被調控的程度，可能會被其他接受同類調控的基因的個數所影響，類似于一個電阻兩端的電壓差依賴于其他并聯電阻的數目一樣。排隊效應和追溯效力都會給人工基因線路的功能帶來嚴重影響，但設計時卻很難被面面俱到地考慮到，因此為人工基因線路的可預測設計帶來挑戰。

結論與展望

人工基因線路設計、調控元件工具箱以及組裝方法的開發在過去十幾年間經歷了巨大的發展，然而人工基因線路與底盤細胞的各種相互作用卻阻礙了人工設計的生命系統的復雜度進一步提升。為了突破這個瓶頸，需要關注一些合成生物學領域的基本工程科學問題，如細胞生理系統對人工基因線路的影響及相關元件設計原則等，來獲得對未來人工基因線路研究方向的啟發。我們認為，未來研究應重點關注以下問題：①注重元件在不同培養條件下功能和行為的刻畫，并對實驗結果表述和定量方式進行標準化，便于數據的整合和分享；②開發基于轉錄組、蛋白質組等多層次的高通量技術，降低獲取合成生物的全局表型數據庫的金錢和時間成本，并做針對性的數據挖掘，為理解元件-宿主相互作用的產生機制提供數據支持；③根據需要開發新型的全細胞模型，用于描述資源分配等細胞生理規律，增強人工合成生物系統的預測性；④研發元件-宿主隔離技術和策略，總結消除兩者相互作用影響的設計原則。相關方面的深入研究將使我們真正實現人工生命系統設計的精準化，促進合成生物學成果在應用領域的高效轉化。（作者：婁春波，中國科學院微生物研究所；杜沛，中國科學院微生物研究所；孟凡康，中國科學院微生物研究所；季翔宇，中國科學院微生物研究所；張益豪，北京大學。《中國科學院院刊》供稿）

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