『合成生物』精准微调遗传电路工具包

　　他们创建了一个启动子库，其中富含许多模块，每种模块可以对一种或多种化学输入做出特殊反应，通过自定义动态区间设计，实现内部代谢通量微调控制，甚至能构建出“无渗漏”启动子操纵基因电路。

　　“益生菌在很多方面影响人类健康，许多合成生物学家都在研究可用于疾病诊断或治疗的工程益生菌，让微生物在人体内生产药物或其他复杂分子，以对抗癌症、炎症性肠病等疾病，”Rice大学生物学教授Matthew Bennett说。

　　“合成生物学家需要创造根据环境线索自动开启或关闭的基因，”他说。“它们将作为益生菌的传感器，指导它们在何时何地进行药物生产。”

　　以埃希氏大肠杆菌（Escherichia coli）为研究对象，Bennett的研究生Ye Chen、博后研究员Joanne Ho等人正在运用模块化分子拼图的方式创造调节基因表达开启/关闭的启动子。

　　虽然基因电路在某些方面类似电子电路，但这些分子元件的开和关却相对比较复杂。基因本身无法直接转化为蛋白质，它们需要依赖一系列特异性酶解读基因，然后根据遗传密码生产蛋白质。基因启动子则是这一过程中另外一种必不可少的元件。

　　“一个启动子驱动一个基因，”Bennett说。“它们决定了基因打开或关闭的时机。”

　　但是，在合成基因电路中，天然启动子对化学反应的控制行为经常不如预期，例如，它可能不会像人们所期望的使目标基因打开或关闭。科学家们希望，细菌能根据环境线索，智能地选择微调一点点或大量生产。

　　“以前，我们对此一直缺乏控制权，”Bennett说。此外，许多启动子都存在“渗漏”情况，即使它们关闭了某个基因，仍然会有少量蛋白产出。“有进化的原因在里面，但我们需要的是精准的合成电路。”

　　因此，在休斯顿大学数学家Kresimir Josic、Chinmaya Gupta和William Ott的帮助下，团队先计算出每个模块拼图都需要哪些特定性能，随后莱斯大学团队在E. coli中对其进行一一验证。各种模块被混合和配对成一个启动子库，每种特定的组合方式能对一种或多种化学输入做出反应。

　　例如，在基因电路中，在某个特定信号刺激下一个基因被编程打开，该基因的产物可能是一种小分子蛋白质，这种蛋白能激活或关闭另一个基因。排列组合将这些基因集合在一起，合成生物学家就可以轻松构建复杂电路。

　　“为了满足精确的输入和输出关系，”Bennett和同事在文中写道。“本文提供了简单的、成本效益高的、具有自定义动态范围的工程启动子工具，能在活细胞合成生物或化学电路中实现代谢通量微调。”

　　Bennett说，该项目的另一个关键是设计当存在两条以上线索才能启动的启动子。“天然的多输入驱动的启动子数量不多，为了开发无渗漏电路，我们还需设计更多这些高效好用的多输入启动子（multi-input promoters）。”