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人工基因线路的研究进展和未来挑战

  中国网/中国发展门户网讯 合成生物学是一门利用工程学原理改造和创造生命的学科,目前已经在生物能源、新材料、环境污染治理、肿瘤治疗等方面展现出了巨大的潜力,能够在国家科技发展、产业升级过程中发挥重大作用,助力“中国制造 2025”。与传统生物工程相比,合成生物学最大的进步在于对工程设计原理的系统性应用:依据工程设计原理对天然存在的各种酶、调控分子等进行简单化、模块化处理,设计出具有各种基本功能的元件。人工基因线路是利用此类元件,根据类似于电子工程电路编程的思想设计的,对生命的运行过程进行的重新编程。这种对生命的重编程能够针对多样的需求对天然的各种功能进行优化,甚至引入自然界中不存在的人造法则,实现丰富的、可设计的生物学功能,为人类健康和社会发展服务。

  自然界中存在大量的天然基因线路,是生命体用于收集和处理各种体内生化信号和体外环境变化的动态调控系统,其与物质代谢、能量供给共同构成了生命过程的 3 个基本要素。所有生物体均由物质构成,由能量驱动,并由基因线路控制物质的代谢和能量的流动,以实现多样的生理活动,如细胞分裂、个体形态发育等。同时,生物体对外界环境变化的适应和抗逆反应也依赖于基因线路。例如:人体细胞在血糖浓度升高时对胰岛素的分泌;组织受损时启动组织再生;大量失血时促进造血干细胞分化等。与天然基因线路不同,人工基因线路存在的目的是根据人工生命体的设计目标,进行有针对性的控制,实现特定的控制逻辑,发挥类似于计算机控制芯片的功能。因此,人工基因线路是对生命进行可编程控制的具体体现,是合成生物学的标志性技术。

  对生命的编程如同电路编程一样,需要使用大量工程化的元器件,如计数器、脉冲信号产生器、逻辑信号门、信号过滤器等,以实现从低级到高级,由简单到复杂的控制。为了构建出此类元器件,需要在传统生物学多年来对生命调控法则的认识基础上,按照工程化设计原理对生命系统进行简单化处理,再进一步按照不同的方式进行组合而成。尽管人工基因线路与电子线路都是信号采集和处理的信息运算系统,两者在很多方面又是截然不同的。基因线路的工作环境是动态生长的活体细胞,是大量各种分子的混合物,而电子线路的工作环境是固体金属和半导体材料,各个元件之间很容易实现绝缘。这些差异决定了针对基因线路的设计与组装必须要探索新途径,而不是简单地照搬照抄电子线路的成功方案。

  在过去 20 年间,合成生物学领域出现了一批奠基性的工作,在人工基因线路设计、调控元件以及组装方法等方面实现了“从 0 到 1”的跃进。相应地,人工基因线路也经历了从基本型到组合型的升级,已经开始具备对高级的生命过程进行模拟和探索的能力。

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