人工基因线路的研究进展和未来挑战

基本型人工基因线路

基本型的人工基因线路是基于生物学对生命系统的认识，以电子工程的方式设计、模拟并构建的基本生物控制器件，包括遗传开关、生物振荡器、计数器、脉冲信号产生器、逻辑信号门、信号过滤器等。2000 年，波士顿大学的 Collins 课题组设计出了第一个合成生物学功能模块——转录水平的双稳态开关（图 1a）。该模块成功地在大肠杆菌中实现了数学模型预测的双稳态效应，可以作为基本型的遗传开关使用。同年，普林斯顿大学的 Elowitz 和 Leibler 实现了更为复杂的功能模块——基因表达振荡器（图 1b）。该器件利用 3 个基因模块彼此间的抑制和解抑制作用实现了输出信号的规律振荡。以上两项工作在理论和实验层面证明了理性设计生物元器件的可能性，对合成生物学发展有重大指导意义，因此被称为“合成生物学的里程碑”。作为逻辑电路的基本元件，过去 20 年间还出现了各种逻辑门，包括“与门”“非门”“或门”等。例如，一种“与门”利用带有琥珀突变的 T7 噬菌体 RNA 聚合酶和能够拯救琥珀突变的 tRNA 构建的独立输入信号，可以整合处理环境中任意两种信号输入并相应地给出下游输出（图 1c）。类似的逻辑门、基因开关和振荡器等基本型人工基因线路不仅可由原核生物中各种基础调控元件拼装，还能由更复杂的调控元件和信号传导元件构建而成，在真核生物乃至人体细胞中发挥功能。

图 1基本型人工基因线路

（a）具备扳键开关功能的人工基因线路；（b）具备振荡器功能的人工基因线路；（c）具备逻辑“与门”功能的人工基因线路

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