動態調控合成生物學元器件研究綜述,生物工程論文近年來，合成生物學遭到世界各國的廣泛關注，發展特別迅速。人工合成生物體系不僅可用于理解生命本質，還為發展先進生物制造與診療技術、催生新的生物產業革命、促進經濟可持續發展提供重大機遇。當前，國際合成生物學的研究存在代謝調控兩種發展方向。代謝和應答是生命的基本特征。生命體能夠有效利用環境中的物質與能源進行新陳代謝活動，精準地處理體內外的各種信息并對生命活動進行動態的調控。合成生物體系也應具有相應的代謝與應答調控特征〔圖1〕?！并　晨赏ㄟ^人工代謝途徑的構建，改變物質流動方向，進而發展生物化工產品、藥物等代謝物的生物制造技術?！并ⅰ惩ㄟ^動態可控的元器件及人工調控系統，調控信息的流動使之對體內外環境動態應答，可用于對生命行為的理解與操縱。1動態應答人工生物系統的需求與挑戰生物代謝通路調控網絡的模塊化設計和優化是國內外合成生物學研究的主要方向之一，已有多種生物藥物、生物基化學品都被微生物高效表示出并展現出很好的應用前景。隨著被操縱基因數目增加和代謝通路的復雜化[1,2],人們發現利用調控元件精細地調整各個基因間比例關系，可使代謝流通暢和高效[3~5].近期代謝通路的設計又出現了由靜態到動態調控演化的趨勢，例如，利用感應元件動態地感悟和平衡不同代謝通路[6],或防止有害中間物的胞內積累[7].在我們國家，國家科技計劃已立項的項目大多偏向細胞代謝途徑改造，即通過改變細胞內物質的流動方向，發展各種生物能源、生化工程產品、創新藥物與生物材料的生物制造，華而不實少量項目中有關于合成生物體系對體內外環境動態應答的研究內容，但都不是主要研究方向。人工調控系統的基礎研究在國際上一直是合成生物學主要發展方向之一。人們成功設計構建了各種邏輯門、計數器、振蕩器、信號過濾器、時空斑圖等基因回路[8~11],為發展復雜的合成生命體系打下了基礎。自然界中的生命有機體的應答與調控是極度動態和時空精致細密的，如新陳代謝、生物節律、細胞分化與死亡、發育。一旦調控出現紊亂，就會導致疾病的發生?？膳c人體互相作用并進行調控的人工生物系統為疾病的干涉提供了新的可能性。疾病干涉方面，合成生物學更是面臨簡單到復雜、靜態到動態的挑戰。相比微生物細胞，動物活體具有更復雜、動態的組織形式和行為。國際上在合成生物學的醫學與健康干涉應用的嘗試正不斷增加，有力推動了發展動態可控的復雜人工生物系統的需求。人們已經在試圖發展愈加復雜的動態調控基因回路，用于抑制蚊子〔Culicidae〕群體的繁衍控制傳染病擴散[12]、激活免疫細胞，其特異性免疫治療效應[13]、辨別與殺死腫瘤細胞[14,15]、調節體內代謝紊亂[16,17]等。華而不實，利用合成生物學技術干涉糖尿病是國際研究的熱門。人體內的糖代謝受飲食、運動、節律等諸因素影響，被復雜的動態應答生物網絡所調控。血糖、胰島素等參數具有強烈的動態性，而在糖尿病患者身上，血糖的控制發生了失調，促進糖尿病發展及心血管等各種并發癥發生。早期的嚴格血糖控制不僅能夠緩解糖尿病早期患者的病情與進展，還能夠有效預防糖尿病前期患者發展為糖尿病。但是由于患者糖代謝的動態變化和個體差異，口服降糖藥和胰島素等外源性藥物的作用難以與體內血糖的變化吻合，導致臨床干涉時血糖降低缺乏影響治療效果，或是血糖過度降低產生嚴重副作用。人源的胰島或胰腺移植能夠有效治療1型糖尿病，但受供體組織來源、胰島脆弱性的限制而很難推廣[18].利用生物微反響器技術，可將異源胰島包封在選擇透過、免疫隔離的高分子材料親水膜內，移植到患者體內發揮治療作用。在大鼠〔Rattusnorvegicus〕、狗〔Canislupusfamiliaris〕甚至是猴〔Primates〕的1型糖尿病模型中，含有胰島的生物微反響器可將血糖降低到正常水平，改善異常感覺和狀態并維持數月[19].2018年美國國立衛生研究院〔NationalInstitutesofHealth,NIH〕、食品藥品監督管理局〔FoodandDrugAdministration,FDA〕已經啟動微囊化豬〔Susdomesticus〕胰島移植治療1型糖尿病的臨床試驗方案和細節設計[20],在新西蘭微囊化豬胰島產品已經進入二期臨床研究。在人工胰島功能的細胞方面，20世紀90年代就有人嘗試利用S-14等葡萄糖響應的啟動子來控制轉基因的肝臟細胞內的胰島素合成[21],并在動物模型上實現了對1型糖尿病的長時間干涉[22].固然啟動子、mRNA等元件可進行優化，但這些系統響應速度仍較慢，難以做到快速動態的血糖控制[22,23].有人構建了能夠響應脂肪酸而動態釋放食欲抑制藥物普蘭林肽的器件[24],在小鼠〔Musmusculus〕上可減輕肥胖異常感覺和狀態，對糖尿病干涉也有一定的應用潛力。但是，這些合成生物器件仍然缺乏快速、定量干涉血糖的能力。最近，瑞士科學家與本研究組分別構建了光控合成生物學線路，有效控制了糖尿病小鼠體內的血糖濃度〔圖2〕[16,17].前者牽涉復雜級聯信號轉導途徑，易受內源信號干擾，難以優化；后者則簡單且模塊化強，更容易調控。除此之外，結合納米技術與生物技術，可用射頻信號激活應答調控系統，可以控制胰島素的釋放[25].這些研究為動態調控人工系統應用于人類糖尿病治療提供了有力支持。2動態調控合成生物學元器件人工生物系統需要根據可設計、程序化的工程化方式來實現動態應答的合成生物器件與網絡。這些系統通常包含感應元件、信息整合與處理器件、以及應答元件，這些元器件能夠動態感悟物理、化學信號，處理與整合這些信號，并輸出動態模擬信號。2.1動態應答基因線路各種元器件組裝成的基因線路是動態應答人工生物系統的核心，可完成多種調控功能?；谵D錄調控元件的遺傳雙穩態[26]和基因振蕩器[27]是合成生物學領域奠基型的兩個器件。此后相繼發展了信號過濾器、時空斑圖等可控合成生物器件。近期，人們已經能夠利用合成生物學正向工程和逆向工程的方式方法，實現了由多個功能模塊耦合而成的、具有按鈕式開關功能[28],或者可同步化的時鐘[29],使細菌的基因表示出呈現出復雜的時序邏輯形式。甚至能夠把多個邏輯門和雙穩態組裝成具有極其復雜應答功能的動態調控系統，如具有巴甫洛夫條件反射式的應答行為的調控網絡[30].由于基于轉錄調控的基因線路應答時間通常大于30min,為了實現更快的動態調控，基于RNA的轉錄后調控器件也開場出現[31].利用正交的核糖體RNA-mRNA正交對和利用不同的正交對拓撲構造，人們構建了多個翻譯水平的邏輯門[32];基于核糖開關〔riboswitch〕的調控機制可以得到模塊化的核糖調控子，執行反義RNA調控和短鏈RNA調控等多種形式的轉錄后調控。人們利用這些核糖調控子還搭建了能夠計數的基因網絡，該網絡能夠針對時間序列上不同位置的同一種信號做出不同的響應[9].基于蛋白互相作用或修飾的應答經過速度更快，華而不實，基于光敏元件的開關時間甚至能夠到達毫秒級。因而，對蛋白質互相作用系統進行重新編程也是合成生物學的一個重要的方向。如Lim研究組[33,34]在酵母細胞內將絲裂原活化蛋