線路工程

合成生物學學科形成的標志性工作就是人工基因線路的設(shè)計與合成。利用成熟表征的基因元件，按照電子工程學原理和方式設(shè)計、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的簡單數(shù)學模型描述并利用環(huán)境信號加以調(diào)控，應用這樣的模型，研究人員能夠?qū)ζ淠K設(shè)計方式進行評估并可重設(shè)計、重合成，實現(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)計功能的工程基因線路的開創(chuàng)性工作。Elowitz?和?Leibler設(shè)計的振蕩器，利用?3?個基因模塊彼此間的抑制和解抑制作用實現(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)計作出了重要貢獻。通過基因線路可以了解原核、真核生物基因表達和分子噪聲之間的關(guān)系，這也體現(xiàn)了合成生物學能夠幫助人們深化對基礎(chǔ)生物學的認識。合成生物學?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。一些有關(guān)大腸桿菌信號線路和元件設(shè)計的研究，已將合成線路設(shè)計的范圍從以轉(zhuǎn)錄調(diào)控為主，擴大到轉(zhuǎn)錄后和翻譯調(diào)控。通過設(shè)計出群體感應線路，開始用于多細胞模式的構(gòu)建。

工程設(shè)計和構(gòu)建方法的不斷優(yōu)化，加速了線路工程的發(fā)展進程。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)計和理論研究方面的重大突破。哺乳動物細胞振蕩子的合成，首次在哺乳動物細胞中實現(xiàn)了對基因表達的周期性調(diào)控。合成具有計數(shù)功能的基因線路，利用重組酶介導的?DNA?重排形成永久記憶，這是線路工程長期以來的一個目標。在這期間，基于?RNA?的線路工程也不斷發(fā)展，生物傳感為?RNA?運算提供了方法，構(gòu)建出可用于對基因表達的邏輯進行調(diào)控的?RNA?器件。

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

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