科研人員提出功能基因線路“精準—魯棒性”原理

　　 2月28日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所婁春波課題組、北京大學湯超課題組、中國科學院微生物研究所于波課題組合作的最新研究成果發表于 Nucleic Acids Research。該研究面向合成生物學中人工基因線路穩定性差，功能脆弱、易受干擾的嚴峻問題，提出了功能基因線路“精準-魯棒性”設計原理，并以穩態自適應功能為例，成功地證實了這一設計原理的可行性，為基因線路工程的下一步發展與推廣應用提供了一種新范式。

　　復雜生命功能的實現依賴于精巧的基因線路，從合成生物學發展以來，無數基因線路被設計和驗證，但人工基因線路的脆弱性仍是該領域面臨的一大難題。除了內部調控元件的問題之外，外部環境易變性和宿主進化不穩定性已成為了阻礙基因線路功能的可預測設計的關鍵因素。

　　理論上，提高網絡拓撲冗余度和魯棒性可以使得基因線路抵御外界參數變化，但也導致基因線路的相互調控變得特別復雜，使得實驗上構建魯棒型基因線路的可行性變得極低。因此，怎樣兼顧理論的魯棒性和實驗的可操作性，是基因線路在復雜環境下執行預設功能是更高層次的挑戰，也是基因線路轉化到基因治療和動態代謝發酵等應用領域的關鍵瓶頸問題。為了解決上述問題，研究者提出了一種巧妙的設計方案，將實驗上可精準測量的關鍵參數進行精準的實驗設計，而其它易變的大部分參數進行魯棒性設計，換句話說就是關鍵參數精準設計而大部分參數進行魯棒性設計相結合的設計策略。這個全新的設計理念被稱作“精準-魯棒性”的設計原則。

　　另外，研究團隊發現這個基因線路就可以在不同環境培養條件下完成自適應功能，同樣的基因線路和同樣的功能序列可以從大腸桿菌的模式菌株搬到工業菌株，也可以搬到假單胞菌等其它菌株中，并且都能夠完美地完成自適應功能。這些實驗結果都證明這個基因線路的環境魯棒性和宿主魯棒性。

　　早在2009年湯超課題組發表于Cell的理論工作中，就系統地闡述了拓撲網絡窮舉的方法，建立了基因調控網絡“拓撲-功能”關系的普適性理論。

　　“本研究提出的精準-魯棒性原理，立足于上述基礎理論并充分結合生物學實踐中獲得約束條件，在環境易變性和宿主進化不穩定性的條件下實現了基因線路功能的可預測設計與構建，解決了當前基因線路設計領域‘因何設計、如何設計’的困局，為下一步指導實際應用中基因線路設計提供了理論設計基礎。”論文共同通訊作者、深圳先進院合成所研究員婁春波表示。