『合成生物』精準微調遺傳電路工具包

　　他們創建了一個啟動子庫，其中富含許多模塊，每種模塊可以對一種或多種化學輸入做出特殊反應，通過自定義動態區間設計，實現內部代謝通量微調控制，甚至能構建出“無滲漏”啟動子操縱基因電路。

　　“益生菌在很多方面影響人類健康，許多合成生物學家都在研究可用于疾病診斷或治療的工程益生菌，讓微生物在人體內生產藥物或其他復雜分子，以對抗癌癥、炎癥性腸病等疾病，”Rice大學生物學教授Matthew Bennett說。

　　“合成生物學家需要創造根據環境線索自動開啟或關閉的基因，”他說。“它們將作為益生菌的傳感器，指導它們在何時何地進行藥物生產。”

　　以埃希氏大腸桿菌（Escherichia coli）為研究對象，Bennett的研究生Ye Chen、博后研究員Joanne Ho等人正在運用模塊化分子拼圖的方式創造調節基因表達開啟/關閉的啟動子。

　　雖然基因電路在某些方面類似電子電路，但這些分子元件的開和關卻相對比較復雜。基因本身無法直接轉化為蛋白質，它們需要依賴一系列特異性酶解讀基因，然后根據遺傳密碼生產蛋白質。基因啟動子則是這一過程中另外一種必不可少的元件。

　　“一個啟動子驅動一個基因，”Bennett說。“它們決定了基因打開或關閉的時機。”

　　但是，在合成基因電路中，天然啟動子對化學反應的控制行為經常不如預期，例如，它可能不會像人們所期望的使目標基因打開或關閉。科學家們希望，細菌能根據環境線索，智能地選擇微調一點點或大量生產。

　　“以前，我們對此一直缺乏控制權，”Bennett說。此外，許多啟動子都存在“滲漏”情況，即使它們關閉了某個基因，仍然會有少量蛋白產出。“有進化的原因在里面，但我們需要的是精準的合成電路。”

　　因此，在休斯頓大學數學家Kresimir Josic、Chinmaya Gupta和William Ott的幫助下，團隊先計算出每個模塊拼圖都需要哪些特定性能，隨后萊斯大學團隊在E. coli中對其進行一一驗證。各種模塊被混合和配對成一個啟動子庫，每種特定的組合方式能對一種或多種化學輸入做出反應。

　　例如，在基因電路中，在某個特定信號刺激下一個基因被編程打開，該基因的產物可能是一種小分子蛋白質，這種蛋白能激活或關閉另一個基因。排列組合將這些基因集合在一起，合成生物學家就可以輕松構建復雜電路。

　　“為了滿足精確的輸入和輸出關系，”Bennett和同事在文中寫道。“本文提供了簡單的、成本效益高的、具有自定義動態范圍的工程啟動子工具，能在活細胞合成生物或化學電路中實現代謝通量微調。”

　　Bennett說，該項目的另一個關鍵是設計當存在兩條以上線索才能啟動的啟動子。“天然的多輸入驅動的啟動子數量不多，為了開發無滲漏電路，我們還需設計更多這些高效好用的多輸入啟動子（multi-input promoters）。”