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合成生物學使科學家們可以設計新功能的基因回路，這些回路移植入細胞后，可以合成藥物或其他有用的分子。但隨著回路越來越復雜，不同功能的基因組件可能相互干擾，這限制了它們執(zhí)行更復雜的功能。

麻省理工學院（MIT）的研究者發(fā)現(xiàn)這些回路可以在單個的合成 “細胞”中被分離，隔斷彼此的相互干擾。研究人員還可以控制細胞間的交流，使這些回路或它們的產(chǎn)物在特定的時間建立。

MIT生物工程和腦研究所的副教授愛德華·博伊登（Edward Boyden）表示，“通過這種方式，我們可以設計有多個組件彼此耦聯(lián)的基因回路，同時設法隔離它們，阻止它們的交流”。這樣可以避免不同回路在同一個細胞或燒杯中產(chǎn)生復雜的相互作用。

這樣一來，研究者可以設計制造復雜產(chǎn)物的回路，或者通過它們監(jiān)測復雜環(huán)境的改變。

這項研究于11月14日發(fā)表在《自然?化學》（Nature Chemistry）雜志，博伊登是這篇文章的通訊作者。文章的*作者是之前在MIT工作的博士后凱特?阿達馬拉（Kate Adamala）和畢業(yè)于MIT的博士生丹尼爾?馬丁-阿拉爾孔（Daniel Martin-Alarcon）。MIT的前研究助理卡特里娜?格思里?霍納（Katriona Guthrie-Honea）也是這篇文章的作者。

回路控制

MIT的研究團隊將他們設計的基因回路包裹在脂質(zhì)體小滴中。與生物膜類似，脂質(zhì)體表面有一層油脂組成的膜。雖然這些合成的“細胞”不是活的，但是它們擁有正常細胞讀取DNA、合成蛋白質(zhì)所需的絕大部分構(gòu)件。

通過脂質(zhì)體隔離不同回路，研究者可以把不能同時或同地工作的回路分隔開，每個回路平行獨立地工作，并在可控條件下交流。這種方法使科學家們重新審視基因工具的功能，如基因和轉(zhuǎn)錄因子（控制基因開關(guān)的部件），使它們在同一張網(wǎng)絡中執(zhí)行不同的功能。

“如果把這些回路分裝到不同的脂質(zhì)體中，同一種工具就可以在不同脂質(zhì)體中執(zhí)行不同功能。”馬丁-阿拉爾孔表示，“這使一種工具能夠執(zhí)行更多功能”。

這種方法也使不同生物體內(nèi)的回路可以相互，比如細菌和哺乳動物。

研究者用茶堿進行了演示。細菌體內(nèi)的回路響應茶堿后，觸發(fā)另一種分子——強力霉素離開原有的脂質(zhì)體進入新的、含有哺乳動物基因回路的脂質(zhì)體。在新的脂質(zhì)體中，強力霉素激活合成發(fā)光蛋白——熒光素酶的級聯(lián)反應。

這種方法經(jīng)過改造可以用來合成生物藥物，比如在腦細胞或者其他細胞分泌物質(zhì)后，合成相應抗體。

博伊登表示：“可以把細菌的回路想象成寫電腦程序，把哺乳動物中的回路想象成編碼工廠。我們可以把細菌的回路和哺乳動物的回路工廠融合在一個特殊的雜交體系中。”

研究人員同樣設計了在可控條件下能夠彼此融合的脂質(zhì)體。這種脂質(zhì)體膜上有SNARE蛋白，SNARE蛋白可以識別不同脂質(zhì)體表面的蛋白質(zhì)，使脂質(zhì)體融合。通過控制融合的時機，我們可以把生產(chǎn)不同分子的脂質(zhì)體組裝在一起。當細胞融合時，這些分子也組合在一起，產(chǎn)生zui終的產(chǎn)物。

更加模塊化

研究人員相信，這種方法適用于目前合成生物學應用的所有領域，同時使科學家們重新考慮之前因為基因回路之間干擾不得不放棄的一些潛在應用研究。

博伊登表示，“這項研究并不是針對某種特定的應用。zui根本的問題是我們能否把這些回路模塊化。僅僅把各種分子亂堆在細胞里，可能不能共存或者產(chǎn)生毒性。在這些反應中建一堵墻可以讓它們恰當?shù)亟涣?，這將十分有用”。

明尼蘇達大學物理系副教授文森特?諾愛洛克斯（Vincent Noireaux）把MIT這項研究稱作“一種了解生物系統(tǒng)工作原理的*方法”。

沒有參與這項研究的Noireaux表示，“這種不依賴細胞的表達體系存在多種優(yōu)勢：技術(shù)上它只需要進行簡單快速的克隆，我們可以像活細胞一樣把信息傳遞和生物功能在一起，此外單獨研究一種基因可以避免其他基因的干擾。”

這種方法同樣可以幫助科學家們探究幾十億年前的早期細胞的進化方式。通過把簡單的回路組裝在脂質(zhì)體中，研究者可以探究細菌是如何獲得感受環(huán)境變化、響應刺激、繁殖等能力。

阿達馬拉表示，“這種方法可以用來模擬早期生命體的行為和性質(zhì)，也可以讓我們確定類似地球上的生命形成的物理界限，幫助我們探索外星生命”。