MIT創建隔離基因電路的細胞，劍指下一個「阿里巴巴」

健康 11-17

近日，有一則新聞《新的「阿里巴巴」將誕生？孫正義再次重金劍指全新領域－合成生物學」》，報道了日本軟銀（SoftBank）向一家名不見經轉的初創公司Zymergen投資總計1.3億美元，吸引孫正義投資的技術優勢之一是該公司的合成生物學平台。

那究竟合成生物學是什麼？「基因電路」作為其中重要一環，又是什麼呢？

合成生物學中的「基因電路」

合成生物學主要致力於設計工程化的生命或是生物的體系，後者能夠幫助人們完成特定任務，如製作研究工具讓人們對生命的理解更加透徹，或者改造細菌、酵母生產高附加值的化學品或者藥品。

與基因工程把一個物種的基因延續、改變並轉移至另一物種的作法不同，合成生物學旨在建立人工生物系統（artificial biosystem），讓它們在細胞里像電路一樣運行，獲得生產藥物或其他有用分子的新功能。

基因電路（genetic circuit），在合成生物學中是由各種調節元件和被調節的基因組合成的遺傳裝置，可以在給定條件下可調，可定時定量地表達基因產物。

理想情況下，利用基本的生物學元件設計和構建了基因開關、振蕩器、放大器、邏輯門、計數器等合成器件，實現對生命系統的重新編程並執行特殊功能。然而，由於細胞里的基因電路遠比生活中的電路複雜，尤其是各種遺傳信息之間的相關干擾，使其難以實現更複雜的功能。

11月14日，MIT在其官網發布公告：該校研究團隊通過創建人工合成細胞，將不同基因電路隔離，防止它們相互干擾；此外研究人員還可以用「程序」控制這些細胞之間的通訊，允許電路或產物在特定時間相結合。

文章的通訊作者、MIT生物工程和腦與認知科學副教授Edward S. Boyden表示，這是一種通過建立牆使得多組分遺傳電路不會產生干擾的方式，即使是將它們都放入同一個單細胞或者燒杯中，這些遺傳電路也不會產生干擾。

如何控制複雜的「基因電路」？

據悉，這項研究被發表在11月14日的《自然·化學》（Nature Chemistry）上。MIT的研究小組將他們的基因電路包裹在脂質體液滴中，這些脂質體擁有與細胞膜非常相似的脂肪膜，可扮演人工細胞的角色，除了能識別DNA和合成蛋白質外，沒有其他任何細胞功能。

研究人員通過自己的脂質體來隔離電路，能夠創建不能在同一個容器里同時運行的單獨電路子程序，但通過「可控程序」，可以並行運行。該方法使得科學家們重新利用相同的遺傳工具，包括基因和轉錄因子（編碼蛋白質的啟動子或終止子），在龐大的遺傳網路里執行不同的任務。

MIT創建隔離基因電路的細胞，劍指下一個「阿里巴巴」

這篇文章的一作Daniel Martin-Alarcon認為，如果將單獨的電路插入兩個不同的脂質體中，就可以使其在不同的脂質體中運行，這顯然擴大了只在單一脂質體中的運行效率。

此外該方法也可以用於不同類型的生物，如細菌和哺乳動物的電路之間的通訊。例如，他們將含細菌基因電路的人工細胞暴露在茶鹼分子中，誘導多西環素分子（一種治療上呼吸道感染的藥物）離開脂質體，並進入含哺乳動物基因電路的脂質體中，多環西素在此會激活遺傳物質生成熒光蛋白——熒光素酶。

Boyden教授解釋道，細菌遺傳物質與哺乳動物遺傳物質組成的混合線路系統中，細菌線路就像計算機程序，而哺乳動物線路更像工廠，兩者結合後通過感應腦細胞或其他細胞發出的分子信號，可生成抗體等複雜生物藥物。

研究人員還將一種名叫「SNAREs」的蛋白質插入脂質體的脂肪膜表面，不同脂質體通過這些表面蛋白鍵而融合在一起。抓住調控這些脂質體的融合時機，就能讓它們生成的分子結合成想要的最終產品。

讓「基因電路」模塊化

能夠使這些電路更模塊化嗎？在研究人員看來，這種方法可以用於幾乎所有的應用程序，使用這種方法的修改後的版本，科學家可以創建一起工作以產生生物療法的基因電路，並檢測到到細胞釋放出的抗體分子。

沒有參與這項研究的明尼蘇達大學物理學副教授Vincent Noireaux認為，這是一種比較新穎的方法用以了解生物系統是如何工作的。在他看來，用無細胞表達有幾個優點：能夠像活細胞一樣處理相關信息且降低克隆技術工作；在隔離的環境中不影響其他基因表達。

這種方法的另一應用是，或將幫助科學家探索已經進化了數十億年的細胞最早形態。文章的另一一作Kate Adamala表示，這個系統不僅能幫助合成生物學研究改進現有方法，還能用來模擬地球早期生物的行為特性，幫助建立地球生物的物理環境，從而有助於在太陽系和其他星系尋找生命跡象。

展望：合成生物學的應用前景

MIT創建隔離基因電路的細胞，劍指下一個「阿里巴巴」

今年3月，Craig Venter報告合成了一個含有最小基因組的微生物，被稱為Syn 3.0。這個新生物的基因組被壓縮只剩生存和繁殖必需的473個基因，這是目前世界上最小的「合成細菌細胞」。

關於合成生物學的應用前景，轉基因工程已經為其指明了方向。轉基因工程細菌已經為我們提供大部分的蛋白質藥物，而轉基因通路的工程細菌已經可以做到分解塑料，生產新的材料與藥物以及生產生物硬碟存儲信息。

以這項研究為例，該方法可用來設計包含不同生物體基因電路的複雜線路，製造複雜的產品或作為感測器，響應在他們的環境中的變化，在其他應用程序中。

不過，合成生物學的「基因電路」仍處於嬰兒期。實際上，最早的基因電路案例在2000年初才開始出現，其複雜程度令人生畏。

儘管如此，越來越多從事傳統分子生物學研究的科學家都非常熱切地希望，能夠嘗試這種基因設計。

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