合成生物学家正在组装基因和模块化调节元件的人工网络

为了寻求明天的诊断，治疗以及生物生产的药物和精细化学品，合成生物学家正在组装基因和模块化调节元件的人工网络，类似于计算机芯片中的电子电路。引入细胞后，这些网络可以感知生物信号，例如病毒和炎症标志物或化学物质，并通过产生将一种物质转化为另一种物质的报告信号，治疗性蛋白质或酶来作出响应。

向前迈进了一步，哈佛大学怀斯生物启发工程研究所和亚利桑那州立大学(ASU)的一个团队最近设计了“核计算设备”，该设备可以同时感应多个生物RNA信号并充当“分子逻辑板”。仅当输入信号存在某种组合时，设备才会产生所需的输出蛋白。合成生物学的另一个理想的调节元件是可以完全相反的设备-当不再需要刺激时，可以有效地关闭蛋白质的表达。

现在，该团队与西北大学，伊利诺伊州埃文斯顿市和慕尼黑工业大学的研究人员一起，开发出了两种类型的可编程阻遏物元件，它们可以关闭合成生物学电路中高达300倍的合成蛋白质输出。对几乎任何触发核苷酸序列的应答。研究人员创建了一个包含100多个阻遏器的库，可供选择，其中多达15个可以在单个电路中并行工作。此外，他们在复杂分子逻辑板上的通用NAND(NOT-AND)和NOR(NOT-OR)门中组合了多达四个阻遏元件，计算出多个传入核苷酸信号的存在，以使传出的荧光报告基因信号静音。该研究发表在《自然化学生物学》上。

“我们的阻遏器开关设备为合成生物学工具箱增加了一项新功能，供研究人员设计合成生物学电路，”共同通讯作者兼威斯学院核心教研室成员彭寅博士说。他们有潜力在下一代诊断，环境报告以及生物制造的不同领域中引入更复杂，更准确的应用的可能性。” Yin还是哈佛医学院(HMS)系统生物学教授，也是Wyss Institute的分子机器人计划的负责人。

该团队先前开发了从头设计的RNA链“ Toehold Switches”，该链可检测具有几乎任意序列的触发RNA，以激活链接的编码蛋白质的RNA序列翻译成蛋白质。脚趾开关中的互补区域形成一个发夹状结构，该结构隐藏了短序列，从而使核糖体(将RNA转化为蛋白质序列的分子机器)与该装置结合并开始工作。传入的触发RNA与开关中的一个小的“ toehold”序列结合，从而打开发夹直至现在允许核糖体进入。

“在我们的阻遏物开关RNA中，我们基本上使用两种不同的策略反转了Toehold开关的功能。现在，触发RNA引起开关中的结构变化，从而隐藏了核糖体结合和编码蛋白的翻译起始位点，从而突然终止了蛋白质翻译”，这项研究的同时通讯作者Alexander Green和Yin一起说。“通过设计，完善和研究两个阻遏器开关元件的大型库，我们证明了“ Toehold阻遏器开关”实现了高动态范围，使我们能够将大肠杆菌中绿色荧光蛋白的产生从非常高的水平调节到非常低的水平，最高可以达到300倍。” Green，曾任殷博士后研究员，加入了ASU的生物设计学院和在2015年担任分子科学的助理教授。

共同第一作者Jongmin Kim博士说：“由于动态范围稍低，“三路结(3WJ)阻遏物开关”可以更有效地组合成复杂的模块化电路，以感测多个触发RNA，而不会互相干扰。 。他曾在尹的小组中担任博士后，现在是大韩民国浦项科技大学的助理教授。Kim与Green的研究生Yu Zhou分享了第一作者的著作，Yu Zhou最近为她的博士学位辩护。“我们在NAND和NOR门中组合了多达4个这样的阻遏元件，以有条件地停止输出蛋白质的产生。重要的是，这些元件可以自由互换。”

在对3WJ Repressor Switchs的优化中，研究人员与西北大学的Julius Lucks小组合作，他们开发了“ SHAPE-Seq”，该方法使科学家能够将RNA分子的功能与其在活细胞中的结构状态相关联。Lucks博士是埃文斯顿西北大学化学与生物工程系副教授。他的小组还正在使用不同的方法独立开发其他类型的基于RNA的阻遏物。

Wyss创办人唐纳德·英格伯(Donald Ingber)博士说：“这项研究很好地说明了Wyss研究所的分子机器人计划如何参与跨学科和机构障碍的协作活动，以创建可编程细胞设备，这些设备可以推动合成生物学向前发展，以满足现实世界的挑战。”博士，同时还是HMS和波士顿儿童医院血管生物学计划的犹大Folkman教授，以及哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的生物工程学教授。