MIT创建隔离基因电路的细胞，剑指下一个“阿里巴巴”

　　近日，有一则新闻《新的“阿里巴巴”将诞生？孙正义再次重金剑指全新领域－合成生物学”》，报道了日本软银（SoftBank）向一家名不见经转的初创公司Zymergen投资总计1.3亿美元，吸引孙正义投资的技术优势之一是该公司的合成生物学平台。

　　那究竟合成生物学是什么？“基因电路”作为其中重要一环，又是什么呢？

　　合成生物学中的“基因电路”

　　合成生物学主要致力于设计工程化的生命或是生物的体系，后者能够帮助人们完成特定任务，如制作研究工具让人们对生命的理解更加透彻，或者改造细菌、酵母生产高附加值的化学品或者药品。

　　与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学旨在建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们在细胞里像电路一样运行，获得生产药物或其他有用分子的新功能。

　　基因电路（genetic circuit），在合成生物学中是由各种调节元件和被调节的基因组合成的遗传装置，可以在给定条件下可调，可定时定量地表达基因产物。

　　理想情况下，利用基本的生物学元件设计和构建了基因开关、振荡器、放大器、逻辑门、计数器等合成器件，实现对生命系统的重新编程并执行特殊功能。然而，由于细胞里的基因电路远比生活中的电路复杂，尤其是各种遗传信息之间的相关干扰，使其难以实现更复杂的功能。

　　11月14日，MIT在其官网发布公告：该校研究团队通过创建人工合成细胞，将不同基因电路隔离，防止它们相互干扰；此外研究人员还可以用“程序”控制这些细胞之间的通讯，允许电路或产物在特定时间相结合。

　　文章的通讯作者、MIT生物工程和脑与认知科学副教授Edward S. Boyden表示，这是一种通过建立墙使得多组分遗传电路不会产生干扰的方式，即使是将它们都放入同一个单细胞或者烧杯中，这些遗传电路也不会产生干扰。

　　如何控制复杂的“基因电路”？

　　据悉，这项研究被发表在11月14日的《自然·化学》（Nature Chemistry）上。MIT的研究小组将他们的基因电路包裹在脂质体液滴中，这些脂质体拥有与细胞膜非常相似的脂肪膜，可扮演人工细胞的角色，除了能识别DNA和合成蛋白质外，没有其他任何细胞功能。

　　研究人员通过自己的脂质体来隔离电路，能够创建不能在同一个容器里同时运行的单独电路子程序，但通过“可控程序”，可以并行运行。该方法使得科学家们重新利用相同的遗传工具，包括基因和转录因子（编码蛋白质的启动子或终止子），在庞大的遗传网络里执行不同的任务。

　　这篇文章的一作Daniel Martin-Alarcon认为，如果将单独的电路插入两个不同的脂质体中，就可以使其在不同的脂质体中运行，这显然扩大了只在单一脂质体中的运行效率。

　　此外该方法也可以用于不同类型的生物，如细菌和哺乳动物的电路之间的通讯。例如，他们将含细菌基因电路的人工细胞暴露在茶碱分子中，诱导多西环素分子（一种治疗上呼吸道感染的药物）离开脂质体，并进入含哺乳动物基因电路的脂质体中，多环西素在此会激活遗传物质生成荧光蛋白——荧光素酶。

　　Boyden教授解释道，细菌遗传物质与哺乳动物遗传物质组成的混合线路系统中，细菌线路就像计算机程序，而哺乳动物线路更像工厂，两者结合后通过感应脑细胞或其他细胞发出的分子信号，可生成抗体等复杂生物药物。

　　研究人员还将一种名叫“SNAREs”的蛋白质插入脂质体的脂肪膜表面，不同脂质体通过这些表面蛋白键而融合在一起。抓住调控这些脂质体的融合时机，就能让它们生成的分子结合成想要的最终产品。

　　让“基因电路”模块化

　　能够使这些电路更模块化吗？在研究人员看来，这种方法可以用于几乎所有的应用程序，使用这种方法的修改后的版本，科学家可以创建一起工作以产生生物疗法的基因电路，并检测到到细胞释放出的抗体分子。

　　没有参与这项研究的明尼苏达大学物理学副教授Vincent Noireaux认为，这是一种比较新颖的方法用以了解生物系统是如何工作的。在他看来，用无细胞表达有几个优点：能够像活细胞一样处理相关信息且降低克隆技术工作；在隔离的环境中不影响其他基因表达。

　　这种方法的另一应用是，或将帮助科学家探索已经进化了数十亿年的细胞最早形态。文章的另一一作Kate Adamala表示，这个系统不仅能帮助合成生物学研究改进现有方法，还能用来模拟地球早期生物的行为特性，帮助建立地球生物的物理环境，从而有助于在太阳系和其他星系寻找生命迹象。

　　展望：合成生物学的应用前景

　　今年3月，Craig Venter报告合成了一个含有最小基因组的微生物，被称为Syn 3.0。这个新生物的基因组被压缩只剩生存和繁殖必需的473个基因，这是目前世界上最小的“合成细菌细胞”。

　　关于合成生物学的应用前景，转基因工程已经为其指明了方向。转基因工程细菌已经为我们提供大部分的蛋白质药物，而转基因通路的工程细菌已经可以做到分解塑料，生产新的材料与药物以及生产生物硬盘存储信息。

　　以这项研究为例，该方法可用来设计包含不同生物体基因电路的复杂线路，制造复杂的产品或作为传感器，响应在他们的环境中的变化，在其他应用程序中。

　　不过，合成生物学的“基因电路”仍处于婴儿期。实际上，最早的基因电路案例在2000年初才开始出现，其复杂程度令人生畏。

　　尽管如此，越来越多从事传统分子生物学研究的科学家都非常热切地希望，能够尝试这种基因设计。