人工基因线路的研究进展和未来挑战
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细胞内的一些特殊生理机制会影响人工基因线路的功能
细胞内存在的一些生理机制也可能会对元件的功能产生意料之外的影响，如排队效应（queueing-up effect）和追溯效力（retroactivity）。合成生物元件和底盘细胞共同利用细胞内的酶、核糖体等有限资源，资源竞争会导致设计上本互不相关的基因线路元件产生功能上的干涉。例如，带有 LAA 蛋白降解标签的黄色荧光蛋白、青色荧光蛋白在同一大肠杆菌中过量表达时，可能过载细胞内的 ClpXP 降解机器，使得两种不同的荧光蛋白不得不排队进入 ClpXP 的降解通道，从而使两种不相关的蛋白降解过程产生干涉。这一机制被称为排队效应。与此类似，细胞内核糖体的数量不足时，mRNA 的翻译也会出现对核糖体的竞争，从而导致不相关的 mRNA 翻译产生排队效应。追溯效力是指信号通路下游的系统给上游系统带来信号反馈，从而影响上游系统功能的效应。具体而言，人工基因线路中一个基因被调控的程度，可能会被其他接受同类调控的基因的个数所影响，类似于一个电阻两端的电压差依赖于其他并联电阻的数目一样。排队效应和追溯效力都会给人工基因线路的功能带来严重影响，但设计时却很难被面面俱到地考虑到，因此为人工基因线路的可预测设计带来挑战。
结论与展望
人工基因线路设计、调控元件工具箱以及组装方法的开发在过去十几年间经历了巨大的发展，然而人工基因线路与底盘细胞的各种相互作用却阻碍了人工设计的生命系统的复杂度进一步提升。为了突破这个瓶颈，需要关注一些合成生物学领域的基本工程科学问题，如细胞生理系统对人工基因线路的影响及相关元件设计原则等，来获得对未来人工基因线路研究方向的启发。我们认为，未来研究应重点关注以下问题：①注重元件在不同培养条件下功能和行为的刻画，并对实验结果表述和定量方式进行标准化，便于数据的整合和分享；②开发基于转录组、蛋白质组等多层次的高通量技术，降低获取合成生物的全局表型数据库的金钱和时间成本，并做针对性的数据挖掘，为理解元件-宿主相互作用的产生机制提供数据支持；③根据需要开发新型的全细胞模型，用于描述资源分配等细胞生理规律，增强人工合成生物系统的预测性；④研发元件-宿主隔离技术和策略，总结消除两者相互作用影响的设计原则。相关方面的深入研究将使我们真正实现人工生命系统设计的精准化，促进合成生物学成果在应用领域的高效转化。（作者：娄春波，中国科学院微生物研究所；杜沛，中国科学院微生物研究所；孟凡康，中国科学院微生物研究所；季翔宇，中国科学院微生物研究所；张益豪，北京大学。《中国科学院院刊》供稿）