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MIT科学家在细胞外人造基因通路设计灵活生物功能
2016-11-21
合成生物学使科学家们可以设计新功能的基因回路，这些回路移植入细胞后，可以合成药物或其他有用的分子。但随着回路越来越复杂，不同功能的基因组件可能相互干扰，这限制了它们执行更复杂的功能。
麻省理工学院（MIT）的研究者发现这些回路可以在单个的合成 “细胞”中被分离，隔断彼此的相互干扰。研究人员还可以控制细胞间的交流，使这些回路或它们的产物在特定的时间建立。
MIT生物工程和脑研究所的副教授爱德华·博伊登（Edward Boyden）表示，“通过这种方式，我们可以设计有多个组件彼此耦联的基因回路，同时设法隔离它们，阻止它们的交流”。这样可以避免不同回路在同一个细胞或烧杯中产生复杂的相互作用。
这样一来，研究者可以设计制造复杂产物的回路，或者通过它们监测复杂环境的改变。
这项研究于11月14日发表在《自然?化学》（Nature Chemistry）杂志，博伊登是这篇文章的通讯作者。文章的*作者是之前在MIT工作的博士后凯特?阿达马拉（Kate Adamala）和毕业于MIT的博士生丹尼尔?马丁-阿拉尔孔（Daniel Martin-Alarcon）。MIT的前研究助理卡特里娜?格思里?霍纳（Katriona Guthrie-Honea）也是这篇文章的作者。
回路控制
MIT的研究团队将他们设计的基因回路包裹在脂质体小滴中。与生物膜类似，脂质体表面有一层油脂组成的膜。虽然这些合成的“细胞”不是活的，但是它们拥有正常细胞读取DNA、合成蛋白质所需的绝大部分构件。
通过脂质体隔离不同回路，研究者可以把不能同时或同地工作的回路分隔开，每个回路平行独立地工作，并在可控条件下交流。这种方法使科学家们重新审视基因工具的功能，如基因和转录因子（控制基因开关的部件），使它们在同一张网络中执行不同的功能。
“如果把这些回路分装到不同的脂质体中，同一种工具就可以在不同脂质体中执行不同功能。”马丁-阿拉尔孔表示，“这使一种工具能够执行更多功能”。
这种方法也使不同生物体内的回路可以相互，比如细菌和哺乳动物。
研究者用茶碱进行了演示。细菌体内的回路响应茶碱后，触发另一种分子——强力霉素离开原有的脂质体进入新的、含有哺乳动物基因回路的脂质体。在新的脂质体中，强力霉素激活合成发光蛋白——荧光素酶的级联反应。
这种方法经过改造可以用来合成生物药物，比如在脑细胞或者其他细胞分泌物质后，合成相应抗体。
博伊登表示：“可以把细菌的回路想象成写电脑程序，把哺乳动物中的回路想象成编码工厂。我们可以把细菌的回路和哺乳动物的回路工厂融合在一个特殊的杂交体系中。”
研究人员同样设计了在可控条件下能够彼此融合的脂质体。这种脂质体膜上有SNARE蛋白，SNARE蛋白可以识别不同脂质体表面的蛋白质，使脂质体融合。通过控制融合的时机，我们可以把生产不同分子的脂质体组装在一起。当细胞融合时，这些分子也组合在一起，产生zui终的产物。
更加模块化
研究人员相信，这种方法适用于目前合成生物学应用的所有领域，同时使科学家们重新考虑之前因为基因回路之间干扰不得不放弃的一些潜在应用研究。
博伊登表示，“这项研究并不是针对某种特定的应用。zui根本的问题是我们能否把这些回路模块化。仅仅把各种分子乱堆在细胞里，可能不能共存或者产生毒性。在这些反应中建一堵墙可以让它们恰当地交流，这将十分有用”。
明尼苏达大学物理系副教授文森特?诺爱洛克斯（Vincent Noireaux）把MIT这项研究称作“一种了解生物系统工作原理的*方法”。
没有参与这项研究的Noireaux表示，“这种不依赖细胞的表达体系存在多种优势：技术上它只需要进行简单快速的克隆，我们可以像活细胞一样把信息传递和生物功能在一起，此外单独研究一种基因可以避免其他基因的干扰。”
这种方法同样可以帮助科学家们探究几十亿年前的早期细胞的进化方式。通过把简单的回路组装在脂质体中，研究者可以探究细菌是如何获得感受环境变化、响应刺激、繁殖等能力。
阿达马拉表示，“这种方法可以用来模拟早期生命体的行为和性质，也可以让我们确定类似地球上的生命形成的物理界限，帮助我们探索外星生命”。
