來源：萊斯大學
摘要：研究人員正在制造模塊化的基因環路，該環路可以通過交換蛋白質構件塊完成更復雜的任務。這個根據非相關細菌細胞設計的模塊化基因環路可以被用來同時處理多個化學輸入并極受到相鄰化學物質的干涉。這項工作在科學家們為諸如生物燃料生產，環境修復或者人類疾病治療等特殊任務設計合成細胞時提供了更多選擇。
來自萊斯大學和堪薩斯大學醫學中心的研究員正在制造可以通過交換蛋白質構建塊執行更復雜任務的模塊化基因環路。
這個模塊化基因環路根據非相關細菌細胞的部分進行設計，可以被用來同時處理多個化學輸入并極少受到相鄰化學物質的干涉。
這項發表在美國化學學會期刊《ACS合成生物學》雜志上的研究，在科學家們為諸如生物燃料生產，環境修復或者人類疾病治療等特殊任務設計合成細胞時提供了更多選擇。
研究人員正在創建與搭建傳統的計算機和電子設備相類似的復雜的基因邏輯環路。在一個簡單的環路里，如果一個輸入和另一個輸入都存在，這個環路就執行指令。通過基于此類布爾邏輯的這種基因環路，一個感應到兩種化學物質的基因邏輯環路可能會激發產生一種特殊蛋白質，或者激發一個細胞的DNA以抑制該特殊蛋白質的產生。
隨著合成生物學家發明更多工具，制造簡單環路也變得更容易，但是他們需要更復雜的工具應對復雜的問題。萊斯的Matthew Bennett和他的同事有意向遵從計算機程序員的能力成長相類似的模式，該模式使程序員從簡單的乒乓球游戲進步到沉浸式的現代游戲世界。
生物化學和細胞生物學助理教授Bennett說：“這項技術的最終目標之一是使細胞以編程的方式對他們的環境作出感知并且回應，我們希望能夠程式化細胞，讓它進入一個環境并且做出期望他們做出的反應”
“當前，我們的主要方法之一是利用轉錄的邏輯門。這與我們的電子環路很類似——計算機中的邏輯門，在細胞內，他們的作用有所不同，但是有很多相似之處。
Bennett的團隊和其他人設計的邏輯門在直接接觸的環境中感應到化學物質時會以設定的方式反饋。如果特定的化學物質組合出現在環境中，這個門限會調動一組基因，這組基因可能抑制或者促進一個蛋白質的表達。
Bennett說：“大量投入到合成生物學中的工作已經使程序式細胞更好且更有效的做出決定，這就是這篇文章所針對的。我們找到了一種制造非常模塊化且易用的基因系統的方法，這種方法可以制造高效應答的轉錄式邏輯。”
由美國萊斯大學研究生大衛領導的這項研究，借鑒了嵌合轉錄因子（部分因子來自其他不同來源）的遺傳工具箱。這些模塊化蛋白質同時包含一個轉錄因子的基因調控能力和另一個轉錄因子對環境的感知能力。研究人員已證明，擁有相同DNA模型的四個嵌合體能夠共同發揮作用，作為多輸入門來抑制或釋放特定基因。他們已成功測試出大腸桿菌中這種嵌合體組合的功能，并以此來上調或下調編碼綠色熒光蛋白的一種基因的表達。
貝內特說：“通常制作一個遺傳邏輯門，必須要有大量基因在后臺來讓邏輯門工作。我們通過編程轉錄因子--一種調控基因開或關的特定蛋白質--去除了這個必要條件，對其環境直接作出反應，并通過模塊化的方式激活特定基因。現在，我們可以同時將環境感知和下游基因調控這兩種能力編程入同一個模塊。”
貝內特認為合成生物學解決了許多問題。“我們可以利用細胞報告或修復環境污染，或通過編程細胞來發現人體內的腫瘤并對其作出反應。為此，我們須能夠命令細胞感應腫瘤所處的環境，依據細胞測定的化學物質進行相應的反應。”
代謝工程師也許能夠即時調節復雜的合成電路，他說：“例如，在發酵過程中，人們可能希望細胞中的基因調控如同進行進化那樣發生改變，這些新型電路能夠察覺到培養物中不同的糖和直接的基因調控，從而擴大生產。”
