《Nature Microbiology》发表合成生物学研究新工具
过去17年里，科学家和工程师们开发了可编程的功能性活细胞合成基因电路。类似无数电子产品的集成电路，人工基因电路也能生成自定义动态、再接内生网络、感知环境刺激、生产有价值的生物分子。
合成生物学在医学和生物技术领域的应用前景非常广泛，例如狙击超级病菌、生产高级生物原料、制造先进功能性材料等等。
但是，伊利诺伊大学香槟分校的生物工程副教授Ting Lu认为：“如今大多数电路的构建方式仍是笨拙的体力劳动，很大程度上依赖于设计者的直觉，往往效率不高。随着电路复杂性的逐渐提升，缺乏预测指南是限制合成生物学发展的一大挑战。”
研究人员认为“定量建模”可以解决这一挑战。Lu指出，典型的模型通常把基因电路视为不与宿主发生互作的孤立实体，只关注电路内部的生物化学进程。
“一个电路单独来看虽然极具价值，但以目前的建模范式无法对其进行定量，甚至无法定性，”他说。“越来越多证据表明，电路和生物宿主关联密切，它们之间的耦合作用对电路行为影响显著。”
在研究生Chen Liao和Andrew Blanchard的帮助下，Lu教授团队最近构建了一个整合模型框架来定量描述和预测基因电路行为。
以大肠杆菌作为模型宿主，该框架由多层电路宿主耦合、外源电路动力学模块和粗粒度宿主生理动态资源分配机械描述三部分组成。
研究小组证明，经过训练，该框架可以捕捉和预测大量有关宿主和简单基因过表达的实验数据。例如，他们发现ppGpp介导的效应是理解环境变化（包括营养和抗生素改变）下组成性基因表达（在各生长阶段都持续表达的基因表达）的关键。
通过检查一个生长调节反馈电路，该电路的动力学在质量上受电路-宿主偶联影响，文章还展示了该框架平台的实用性。研究团队在单细胞动力学、群体结构、空间生态学等多尺度上揭示了一个触发器开关的行为。
尽管该框架原型是大肠杆菌模型宿主，但亦可用来描述多宿主生物。“例如，我们发现通过改变一个参数，可成功预测了几个关键的宿主指标，包括链霉菌和鼠伤寒沙门氏菌的RNA和蛋白质的比例、RNA含量、平均肽段延伸率等。”
通过系统地阐明关键细胞进程和多层电路-宿主相互作用，准确的定量生物学将有助于科研人员更好地理解复杂细菌生理学。
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