細(xì)胞內(nèi)的一些特殊生理機(jī)制會(huì)影響人工基因線路的功能

細(xì)胞內(nèi)存在的一些生理機(jī)制也可能會(huì)對元件的功能產(chǎn)生意料之外的影響，如排隊(duì)效應(yīng)（queueing-up effect）和追溯效力（retroactivity）。合成生物元件和底盤細(xì)胞共同利用細(xì)胞內(nèi)的酶、核糖體等有限資源，資源競爭會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)上本互不相關(guān)的基因線路元件產(chǎn)生功能上的干涉。例如，帶有?LAA?蛋白降解標(biāo)簽的黃色熒光蛋白、青色熒光蛋白在同一大腸桿菌中過量表達(dá)時(shí)，可能過載細(xì)胞內(nèi)的?ClpXP?降解機(jī)器，使得兩種不同的熒光蛋白不得不排隊(duì)進(jìn)入?ClpXP?的降解通道，從而使兩種不相關(guān)的蛋白降解過程產(chǎn)生干涉。這一機(jī)制被稱為排隊(duì)效應(yīng)。與此類似，細(xì)胞內(nèi)核糖體的數(shù)量不足時(shí)，mRNA?的翻譯也會(huì)出現(xiàn)對核糖體的競爭，從而導(dǎo)致不相關(guān)的?mRNA?翻譯產(chǎn)生排隊(duì)效應(yīng)。追溯效力是指信號通路下游的系統(tǒng)給上游系統(tǒng)帶來信號反饋，從而影響上游系統(tǒng)功能的效應(yīng)。具體而言，人工基因線路中一個(gè)基因被調(diào)控的程度，可能會(huì)被其他接受同類調(diào)控的基因的個(gè)數(shù)所影響，類似于一個(gè)電阻兩端的電壓差依賴于其他并聯(lián)電阻的數(shù)目一樣。排隊(duì)效應(yīng)和追溯效力都會(huì)給人工基因線路的功能帶來嚴(yán)重影響，但設(shè)計(jì)時(shí)卻很難被面面俱到地考慮到，因此為人工基因線路的可預(yù)測設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

結(jié)論與展望

人工基因線路設(shè)計(jì)、調(diào)控元件工具箱以及組裝方法的開發(fā)在過去十幾年間經(jīng)歷了巨大的發(fā)展，然而人工基因線路與底盤細(xì)胞的各種相互作用卻阻礙了人工設(shè)計(jì)的生命系統(tǒng)的復(fù)雜度進(jìn)一步提升。為了突破這個(gè)瓶頸，需要關(guān)注一些合成生物學(xué)領(lǐng)域的基本工程科學(xué)問題，如細(xì)胞生理系統(tǒng)對人工基因線路的影響及相關(guān)元件設(shè)計(jì)原則等，來獲得對未來人工基因線路研究方向的啟發(fā)。我們認(rèn)為，未來研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下問題：①注重元件在不同培養(yǎng)條件下功能和行為的刻畫，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果表述和定量方式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，便于數(shù)據(jù)的整合和分享；②開發(fā)基于轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等多層次的高通量技術(shù)，降低獲取合成生物的全局表型數(shù)據(jù)庫的金錢和時(shí)間成本，并做針對性的數(shù)據(jù)挖掘，為理解元件-宿主相互作用的產(chǎn)生機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持；③根據(jù)需要開發(fā)新型的全細(xì)胞模型，用于描述資源分配等細(xì)胞生理規(guī)律，增強(qiáng)人工合成生物系統(tǒng)的預(yù)測性；④研發(fā)元件-宿主隔離技術(shù)和策略，總結(jié)消除兩者相互作用影響的設(shè)計(jì)原則。相關(guān)方面的深入研究將使我們真正實(shí)現(xiàn)人工生命系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)化，促進(jìn)合成生物學(xué)成果在應(yīng)用領(lǐng)域的高效轉(zhuǎn)化。（作者：婁春波，中國科學(xué)院微生物研究所；杜沛，中國科學(xué)院微生物研究所；孟凡康，中國科學(xué)院微生物研究所；季翔宇，中國科學(xué)院微生物研究所；張益豪，北京大學(xué)。《中國科學(xué)院院刊》供稿）

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