線路工程

合成生物學(xué)學(xué)科形成的標(biāo)志性工作就是人工基因線路的設(shè)計(jì)與合成。利用成熟表征的基因元件，按照電子工程學(xué)原理和方式設(shè)計(jì)、模擬，構(gòu)建簡單的、可被調(diào)控的基因線路模塊。這些簡單基因線路可被相對應(yīng)的簡單數(shù)學(xué)模型描述并利用環(huán)境信號加以調(diào)控，應(yīng)用這樣的模型，研究人員能夠?qū)ζ淠K設(shè)計(jì)方式進(jìn)行評估并可重設(shè)計(jì)、重合成，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。2000?年，Gardner等構(gòu)建的基因撥動開關(guān)，是構(gòu)建具備設(shè)計(jì)功能的工程基因線路的開創(chuàng)性工作。Elowitz?和?Leibler設(shè)計(jì)的振蕩器，利用?3?個(gè)基因模塊彼此間的抑制和解抑制作用實(shí)現(xiàn)輸出信號的規(guī)律振蕩。Weiss?和?Basu建立了工程轉(zhuǎn)錄邏輯門的方法，并為線路的語言設(shè)計(jì)作出了重要貢獻(xiàn)。通過基因線路可以了解原核、真核生物基因表達(dá)和分子噪聲之間的關(guān)系，這也體現(xiàn)了合成生物學(xué)能夠幫助人們深化對基礎(chǔ)生物學(xué)的認(rèn)識。合成生物學(xué)?1.0?會議以后，提出通過構(gòu)建組合型基因線路，以提高生物系統(tǒng)的工程化水平的目標(biāo)。一些有關(guān)大腸桿菌信號線路和元件設(shè)計(jì)的研究，已將合成線路設(shè)計(jì)的范圍從以轉(zhuǎn)錄調(diào)控為主，擴(kuò)大到轉(zhuǎn)錄后和翻譯調(diào)控。通過設(shè)計(jì)出群體感應(yīng)線路，開始用于多細(xì)胞模式的構(gòu)建。

工程設(shè)計(jì)和構(gòu)建方法的不斷優(yōu)化，加速了線路工程的發(fā)展進(jìn)程。在大腸桿菌中構(gòu)建的快速、具有魯棒性、可持續(xù)振蕩的基因振蕩子，是振蕩線路設(shè)計(jì)和理論研究方面的重大突破。哺乳動物細(xì)胞振蕩子的合成，首次在哺乳動物細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)了對基因表達(dá)的周期性調(diào)控。合成具有計(jì)數(shù)功能的基因線路，利用重組酶介導(dǎo)的?DNA?重排形成永久記憶，這是線路工程長期以來的一個(gè)目標(biāo)。在這期間，基于?RNA?的線路工程也不斷發(fā)展，生物傳感為?RNA?運(yùn)算提供了方法，構(gòu)建出可用于對基因表達(dá)的邏輯進(jìn)行調(diào)控的?RNA?器件。

近幾年來，模塊、線路設(shè)計(jì)能力不斷提升，以單基因簇為單位對基因邏輯線路進(jìn)行優(yōu)化，可將原核生物的基因線路移植到真核細(xì)胞中；利用細(xì)胞之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制來調(diào)節(jié)多種細(xì)胞的基因表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了雙信號偶聯(lián)的正、負(fù)反饋循環(huán)。合成線路賦予細(xì)胞更強(qiáng)大的功能，有力促進(jìn)了蛋白質(zhì)線路在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用；Andrews等通過定量手段在細(xì)胞內(nèi)設(shè)計(jì)可組合的具有反饋回路的時(shí)序邏輯，代表著在細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行高級計(jì)算的研究邁出了關(guān)鍵一步。

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