人工基因線路的應用

目前，人工基因線路已經在基礎科研和實際應用兩方面發揮了重要作用。在基礎科研領域，合成生物學對天然的生物系統進行干擾、重建乃至再創的能力已經成為生物學家探索生命的強大工具，能夠用于研究復雜生物的運行規律。在實際應用領域，人工基因線路也已經在代謝工程、醫學、農業、能源等領域展現出了巨大的應用潛力，極大推動了這些領域的發展。

“建物致知”——人工基因線路在基礎科研中的應用

利用人工的基因線路元件，可以實現對天然的基因線路的重編程，構建超越進化法則的人造生命過程，用于探索傳統生物學難以研究的一些基本科學問題。這種方法被稱為“建物致知”。目前，該方法已經為生命起源、生物進化、生命網絡調控等方面的研究開啟了更加廣闊的空間。

例如，細胞在應激調控中會專一性地利用某種特定的調控拓撲網絡。因此，可以通過替換拓撲網絡中某些特定的元件對該網絡進行重編程，從而深入了解天然基因線路的某些特性。2009?年，美國加州理工大學?Elowitz?課題組在枯草芽孢桿菌中構建了一個“先正后負”的人工負反饋基因線路，替換了天然的“先負后正”的負反饋網絡（圖?2a）。他們發現，這種人工負反饋網絡產生的感受態響應持續時間短、噪聲小，而天然負反饋網絡的感受態持續時間長短不一，分布特別寬。這一發現揭示了一種生命體在適應環境方面的生存策略，即利用放大基因表達噪聲來適應環境的多變和不確定性。

相比于細菌，高等生物的調控網絡更加復雜，也存在更多的未知領域，能夠賦予“建物致知”研究方法更大的發揮空間。早在?2003?年，美國加州大學舊金山分校的?Lim?課題組在研究酵母細胞對環境信號的響應策略時，通過對兩種完全不同的信號通路——有性生殖響應和高滲透壓響應的重編程，成功實現了對兩種輸入信號和輸出信號的嫁接，以此證明了?MAPK?信號轉導通路的支架蛋白是空間上區域化的信號節點。同時，該工作還證明了只要將基于支架蛋白的層次性信號——蛋白磷酸化反應整合在一起，就能獲得完全依賴于蛋白質相互作用的、可重新編程配置的人工信號通路（圖?2b）。類似的調控拓撲替換和信號通路嫁接工作還有很多，比如人工改變了調控順序的?lambda?噬菌體開關，被嫁接了輸入和輸出信號的雙組分調控系統等。這些研究不僅加深了人們對天然基因線路生理學功能的認識，而且為基因線路的從頭設計提供了高質量的基本調控元件。

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