《NatureMicrobiology》發表合成生物學研究新工具

　　過去17年里，科學家和工程師們開發了可編程的功能性活細胞合成基因電路。類似無數電子產品的集成電路，人工基因電路也能生成自定義動態、再接內生網絡、感知環境刺激、生產有價值的生物分子。

　　合成生物學在醫學和生物技術領域的應用前景非常廣泛，例如狙擊超級病菌、生產高級生物原料、制造先進功能性材料等等。

　　但是，伊利諾伊大學香檳分校的生物工程副教授Ting Lu認為：“如今大多數電路的構建方式仍是笨拙的體力勞動，很大程度上依賴于設計者的直覺，往往效率不高。隨著電路復雜性的逐漸提升，缺乏預測指南是限制合成生物學發展的一大挑戰。”

　　研究人員認為“定量建模”可以解決這一挑戰。Lu指出，典型的模型通常把基因電路視為不與宿主發生互作的孤立實體，只關注電路內部的生物化學進程。

　　“一個電路單獨來看雖然極具價值，但以目前的建模范式無法對其進行定量，甚至無法定性，”他說。“越來越多證據表明，電路和生物宿主關聯密切，它們之間的耦合作用對電路行為影響顯著。”

　　在研究生Chen Liao和Andrew Blanchard的幫助下，Lu教授團隊最近構建了一個整合模型框架來定量描述和預測基因電路行為。

　　以大腸桿菌作為模型宿主，該框架由多層電路宿主耦合、外源電路動力學模塊和粗粒度宿主生理動態資源分配機械描述三部分組成。

　　研究小組證明，經過訓練，該框架可以捕捉和預測大量有關宿主和簡單基因過表達的實驗數據。例如，他們發現ppGpp介導的效應是理解環境變化（包括營養和抗生素改變）下組成性基因表達（在各生長階段都持續表達的基因表達）的關鍵。

　　通過檢查一個生長調節反饋電路，該電路的動力學在質量上受電路-宿主偶聯影響，文章還展示了該框架平臺的實用性。研究團隊在單細胞動力學、群體結構、空間生態學等多尺度上揭示了一個觸發器開關的行為。

　　盡管該框架原型是大腸桿菌模型宿主，但亦可用來描述多宿主生物。“例如，我們發現通過改變一個參數，可成功預測了幾個關鍵的宿主指標，包括鏈霉菌和鼠傷寒沙門氏菌的RNA和蛋白質的比例、RNA含量、平均肽段延伸率等。”

　　通過系統地闡明關鍵細胞進程和多層電路-宿主相互作用，準確的定量生物學將有助于科研人員更好地理解復雜細菌生理學。