線路工程

合成生物學學科形成的標志性工作就是人工基因線路的設計與合成。利用成熟表征的基因元件，按照電子工程學原理和方式設計、模擬，構建簡單的、可被調控的基因線路模塊。這些簡單基因線路可被相對應的簡單數學模型描述并利用環境信號加以調控，應用這樣的模型，研究人員能夠對其模塊設計方式進行評估并可重設計、重合成，實現優化。2000?年，Gardner等構建的基因撥動開關，是構建具備設計功能的工程基因線路的開創性工作。Elowitz?和?Leibler設計的振蕩器，利用?3?個基因模塊彼此間的抑制和解抑制作用實現輸出信號的規律振蕩。Weiss?和?Basu建立了工程轉錄邏輯門的方法，并為線路的語言設計作出了重要貢獻。通過基因線路可以了解原核、真核生物基因表達和分子噪聲之間的關系，這也體現了合成生物學能夠幫助人們深化對基礎生物學的認識。合成生物學?1.0?會議以后，提出通過構建組合型基因線路，以提高生物系統的工程化水平的目標。一些有關大腸桿菌信號線路和元件設計的研究，已將合成線路設計的范圍從以轉錄調控為主，擴大到轉錄后和翻譯調控。通過設計出群體感應線路，開始用于多細胞模式的構建。

工程設計和構建方法的不斷優化，加速了線路工程的發展進程。在大腸桿菌中構建的快速、具有魯棒性、可持續振蕩的基因振蕩子，是振蕩線路設計和理論研究方面的重大突破。哺乳動物細胞振蕩子的合成，首次在哺乳動物細胞中實現了對基因表達的周期性調控。合成具有計數功能的基因線路，利用重組酶介導的?DNA?重排形成永久記憶，這是線路工程長期以來的一個目標。在這期間，基于?RNA?的線路工程也不斷發展，生物傳感為?RNA?運算提供了方法，構建出可用于對基因表達的邏輯進行調控的?RNA?器件。

近幾年來，模塊、線路設計能力不斷提升，以單基因簇為單位對基因邏輯線路進行優化，可將原核生物的基因線路移植到真核細胞中；利用細胞之間的信號轉導機制來調節多種細胞的基因表達，實現了雙信號偶聯的正、負反饋循環。合成線路賦予細胞更強大的功能，有力促進了蛋白質線路在生物技術領域的應用；Andrews等通過定量手段在細胞內設計可組合的具有反饋回路的時序邏輯，代表著在細胞內執行高級計算的研究邁出了關鍵一步。

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