人工基因線路的應(yīng)用

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

“建物致知”——人工基因線路在基礎(chǔ)科研中的應(yīng)用

利用人工的基因線路元件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然的基因線路的重編程，構(gòu)建超越進(jìn)化法則的人造生命過(guò)程，用于探索傳統(tǒng)生物學(xué)難以研究的一些基本科學(xué)問(wèn)題。這種方法被稱(chēng)為“建物致知”。目前，該方法已經(jīng)為生命起源、生物進(jìn)化、生命網(wǎng)絡(luò)調(diào)控等方面的研究開(kāi)啟了更加廣闊的空間。

例如，細(xì)胞在應(yīng)激調(diào)控中會(huì)專(zhuān)一性地利用某種特定的調(diào)控拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。因此，可以通過(guò)替換拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中某些特定的元件對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(guó)加州理工大學(xué)?Elowitz?課題組在枯草芽孢桿菌中構(gòu)建了一個(gè)“先正后負(fù)”的人工負(fù)反饋基因線路，替換了天然的“先負(fù)后正”的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)（圖?2a）。他們發(fā)現(xiàn)，這種人工負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的感受態(tài)響應(yīng)持續(xù)時(shí)間短、噪聲小，而天然負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的感受態(tài)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(yīng)環(huán)境方面的生存策略，即利用放大基因表達(dá)噪聲來(lái)適應(yīng)環(huán)境的多變和不確定性。

相比于細(xì)菌，高等生物的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)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(guó)加州大學(xué)舊金山分校的?Lim?課題組在研究酵母細(xì)胞對(duì)環(huán)境信號(hào)的響應(yīng)策略時(shí)，通過(guò)對(duì)兩種完全不同的信號(hào)通路——有性生殖響應(yīng)和高滲透壓響應(yīng)的重編程，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的嫁接，以此證明了?MAPK?信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的支架蛋白是空間上區(qū)域化的信號(hào)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，該工作還證明了只要將基于支架蛋白的層次性信號(hào)——蛋白磷酸化反應(yīng)整合在一起，就能獲得完全依賴(lài)于蛋白質(zhì)相互作用的、可重新編程配置的人工信號(hào)通路（圖?2b）。類(lèi)似的調(diào)控拓?fù)涮鎿Q和信號(hào)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(kāi)關(guān)，被嫁接了輸入和輸出信號(hào)的雙組分調(diào)控系統(tǒng)等。這些研究不僅加深了人們對(duì)天然基因線路生理學(xué)功能的認(rèn)識(shí)，而且為基因線路的從頭設(shè)計(jì)提供了高質(zhì)量的基本調(diào)控元件。

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