《科學》雜志同期發(fā)表兩篇合成生物學重磅文章，著名學者Uri Alon同期發(fā)表評述
導語：9月21日，《Science》同期發(fā)表兩篇重磅合成生物學研究文章。分別是來Micheal Elowitz團隊的《Programmable protein circuits in living cells》和來自Christopher Voigt團隊的《Cellular checkpoint control using programmable sequential logic》。來自系統(tǒng)生物學領域的著名學者Uri Alon進行了評述，探討了“可組合性（Composability）”對于合成生物學的重要性。
撰文 | 孟凡康（中國科學院大學在讀博士）
《Programmable protein circuits in living cells》
蛋白質合成線路將賦予細胞更加強大的功能
合成生物學設計的目的之一是通過合成線路的理性設計賦予細胞新的功能。不過目前整個領域的發(fā)展主要聚焦在基因層次的調控設計。然而，自然細胞的諸多功能并不全部通過基因層次的調控實現(xiàn)，蛋白質層次的相互作用是另一種主要的調控方式。細胞利用蛋白之間的相互作用實現(xiàn)對特定的蛋白質本身的活性、定位以及穩(wěn)定性等諸多參數的調控。比如，Caspase介導的細胞程序性死亡過程即是蛋白質水平調控的案例之一：蛋白酶之間通過切割過程彼此激活，啟動下游信號的反應。
而合成蛋白線路相比于傳統(tǒng)的轉錄調控線路具有更多的優(yōu)勢，比如更加快速的調控過程、與內源信號通路更加直接的偶聯(lián)、可以直接將蛋白酶RNA轉錄本遞送進目的細胞，無需將基因整合進目的細胞基因組之中。
蛋白質水平的合成生物學線路可以幫助我們工程化改造和設計更加強大的細胞行為。可組合的蛋白質—蛋白質調控系統(tǒng)將促進理性的蛋白質線路設計，其中各個蛋白質組分通過相互調控可以產生多樣化的線路結構。
在這項研究中，研究人員展示了工程化的病毒蛋白酶可以作為可組合的蛋白質組分發(fā)揮作用。這種組合可以在哺乳動物細胞中實現(xiàn)多種功能。該系統(tǒng)中被稱為CHOMP（circuits of hacked orthogonal modular proteases，分裂的正交化-模塊化蛋白酶線路），其中作為輸入信號的蛋白酶可以與靶蛋白酶實現(xiàn)結構上的對接并切割靶蛋白酶，從而以抑制靶蛋白酶的功能。通過組合這些元件，研究人員展示了這些組合可以生成級聯(lián)調控、二進制邏輯門和動態(tài)模擬信號處理功能。
二進制邏輯門：OR、AND、NOR、NAND、IMPLY、NIMPLY、XOR、XNOR
Bandpass circuit & Adaptive pulse ciruit
為了證明該系統(tǒng)的實用性，研究人員理性地設計了一種合成線路，該線路可以響應Ras致癌基因的上游激活因子而誘導細胞死亡。CHOMP線路可以執(zhí)行復雜功能，同時可以編碼為單個轉錄本，并且無需基因組整合即可整合進細胞之中，這將有力的促進蛋白線路在生物技術領域的應用。
Ras-conditional Caspase-3 circuit
《Cellular checkpoint control using programmable sequential logic》
通過定量手段在細胞內設計可組合的具有反饋回路的時序邏輯
現(xiàn)代計算機計算過程主要基于時序邏輯，其中電路的狀態(tài)取決于當前輸入信號以及過去的輸入信號（記憶）。將時序邏輯植入活細胞可以使其通過離散狀態(tài)執(zhí)行相應的生物過程。例如，利用時序邏輯可以使細胞分化成多細胞結構或者令生物材料的組裝過程按照一定順序進行。然而，時序邏輯的設計存在著重大的挑戰(zhàn)，即時序邏輯的實現(xiàn)需要在基因線路中植入反饋調控，但反饋調控不僅難以設計同時很難擴大規(guī)模。
在這篇文章中研究人員提出了一種用于設計時序邏輯基因線路的定量方法。 此方法使用“NOT”邏輯門作為調控的核心單位【“NOT”邏輯：輸入啟動子驅動阻遏蛋白的表達，而阻遏蛋白酶用于關閉輸出啟動子】。 通過測定其響應函數（response function，改變輸入如何影響穩(wěn)態(tài)下的輸出），研究人員對每種NOT邏輯門進行了詳細的表征。 同時，響應函數被視為Nullclines，來自非線性動力學（相平面和分叉分析）的工具用來預測不同邏輯門的組合如何對穩(wěn)態(tài)和動力學行為產生影響。
The response functions are treated as nullclines, and tools from nonlinear dynamics (phase plane and bifurcation analyses) are applied to predict how combining gates leads to multiple steady states and dynamics.
這項工作中，研究人員將時序邏輯應用于細胞檢查點（checkpoint ）的控制，其中只有正確的信號出現(xiàn)后，細胞才會轉向下一狀態(tài)。 研究設計的基因線路可以指導大腸桿菌進行線性或循環(huán)的狀態(tài)切換。
Sequential logic for checkpoint control
這項工作根據簡單的規(guī)則，通過組合可靠的調控邏輯，向我們展示了在細胞中實現(xiàn)時序邏輯線路的定量方法。 這種方法有利于相應自動化軟件的設計，同時自動化軟件可以利用這些規(guī)則來構建規(guī)模更大的由不同邏輯門組合線路。 這為建立具有反饋回路的調控基因網絡提供了一種可行的設計途徑。反饋回路這對許多細胞功能至關重要，并且在自然網絡中無處不在。 這項工作代表著我們向在細胞內執(zhí)行高級計算邁出了關鍵的一步。
這篇文章向我們展示Christopher Voigt實驗室強大的復雜基因線路設計功力，文章的深度和復雜性也讓讀者有點望而卻步。難怪帝國理工大學的合成生物學學者Tom Ellis Twitter發(fā)文稱：“Synthetic biology is getting pretty complex. Trying to wrap my head around these diagrams in the latest logic-based tour de force from the Voigt lab.”
David S. Glass & Uri Elon《Programming cells and tissues》
具有“可組合性”的合成生物學將具有一個光明的未來
《Science》同期刊發(fā)了David S. Glass和Uri Alon對兩篇合成生物學文章的評論文章，其中重點談及了“可組合性”對于合成生物學的重要性。
以下是對此篇文章的翻譯，并對部分內容進行了部分增添和修改。
合成生物學領域目的之一便是設計用于編程細胞和組織的遺傳線路。這些線路將使細胞能夠檢測疾病并采取行動對其進行補救；指導細胞產生有用的物質和材料；甚至允許細胞自組裝成新的、用戶定義的組織結構[1]。隨著合成生物學元件庫的逐漸增加，細胞中的基因線路從包含幾個元件的線路開始[2, 3]逐漸發(fā)展成為越來越大且復雜的線路。但這些基因線路的復雜性和規(guī)模卻一直是有限的，其中設計大型合成生物學系統(tǒng)的一個關鍵挑戰(zhàn)便是【可組合性（Composability）】：連接任意元件并實現(xiàn)可預測行為的能力。在本期《Science》，Gao 等人[5]描述了一種基于蛋白酶的可組合的合成生物學系統(tǒng)；Andrews 等人[6]描述了一種具有多種狀態(tài)的時序邏輯系統(tǒng)。最近，Toda 等人[7]使用合成細胞細胞信號傳導來驅動細胞的分化和粘附使其形成了多細胞結構。這些研究表明，對“可組合性”的研究可以使合成生物學超越傳統(tǒng)的限制，進一步拓展到更大的發(fā)展空間之中。
可組合性是一個相對微妙的概念，其中重要的是要記住幾個相關但不同的概念。合成生物學中的正交性（Orthogonality）指不會干擾或彼此干擾最小化的元件。這相當于元件之間缺乏串擾。例如，如果兩個轉錄因子不調節(jié)彼此的啟動子，則它們是正交的。模塊化（Modularity）是指可以劃分為子系統(tǒng)的系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都具有定義明確的功能。這些概念適用于蛋白質分子、轉錄基因線路和多細胞系統(tǒng)等多個層面。
可組合性是比正交性或模塊性更嚴格的標準?？山M合的元件是具有匹配輸入和輸出的模塊化單元，任何兩個元件可以相互連接并產生可預測的行為。元件及其接口的標準化是開發(fā)這種“即插即用（plug-and-play）”功能的一種方式。與生物線路相比，即使是通常被認為易于設計的電子電路也不一定是可組合的，如果輸入和輸出阻抗設計不合適，組合的電子元件也可能會失敗; 生物線路中的類似概念被稱為追溯效力（Retroactivity，指信號通路下游的系統(tǒng)給上游系統(tǒng)帶來信號反饋，從而影響上游系統(tǒng)功能的效應）。自然系統(tǒng)也具有大致上的模塊性和正交性，但是仍無法滿足合成生物學對元件的工程化要求。因此，合成生物學家必須仔細地改造自然元件來獲取可組合性。
合成生物學的一個重要目標是將基因調控水平的線路設計（由于蛋白產生的緩慢時間，調控為小時級別）轉向蛋白質—蛋白質相互作用的調控線路，因為蛋白質—蛋白質相互作用可以在幾秒到幾分鐘內發(fā)生。蛋白線路不僅速度更快，而且還提供強大的功能，包括直接與細胞信號網絡偶聯(lián)、在不同的亞細胞位點執(zhí)行功能。但是目前蛋白線路的主要問題在于缺乏可組合、可預測的調控蛋白工具包。
Gao等人使用稱為病毒蛋白酶的分子剪刀解決了這個問題。利用結合結構域、降解標簽和正交化切割位點，他們設計這些蛋白酶以可編程的方式特異性地進行彼此之間的相互調控。
由于蛋白酶相關模塊之間的可組合性，研究人員設計了基于蛋白酶相互作用的雙輸入布爾邏輯門。研究人員還設計了更復雜的線路，包括脈沖發(fā)生器（pulse generator）。他們甚至使用蛋白線路選擇性地殺死攜帶驅動癌癥發(fā)生的蛋白質的細胞。所有這些都發(fā)生蛋白質水平，并且全部編碼在單個RNA分子上。這種能力擴大了使用合成線路作為治療方案的可能性，因為蛋白線路能夠通過RNA遞送進細胞之中，同時不需要對基因組進行任何編輯。
合成生物學的另一個目標是設計時序邏輯線路?；诳山M合的轉錄因子，Andrews 等設計了具有可逆狀態(tài)的時序邏輯線路。這種發(fā)展依賴于對置位—復位鎖存器（set-reset latches）庫的詳細表征，每個鎖存器由調節(jié)轉錄因子組成，受到其他轉錄因子的調節(jié)并能夠調節(jié)其對應的轉錄因子。研究人員將這些鎖存器與邏輯線路組合成可以記住多個事件的狀態(tài)機（稱為數據鎖存器）。這種鎖存器可以被設置不同的狀態(tài)，同時也可以鎖定在某一狀態(tài)，以及其可以在不同化學信號控制下在多個狀態(tài)之間進行循環(huán)切換。這些線路設計可用于環(huán)境信號的檢測，例如，在細胞響應信號合適之前必須發(fā)生的一系列和檢查點相關的“Go or No-Go”事件。
可組合性也可以應用于多細胞水平，將單個細胞視為可組合單元，不同細胞以可預測的方式彼此交互。合成多細胞系統(tǒng)有望幫助組織再生和產生能夠響應環(huán)境的結構化生物材料。這些能力的關鍵是細胞—細胞信號傳導，細胞分化和細胞粘附系統(tǒng)。研究人員已經使用合成信號傳導和分化（或記憶）上實現(xiàn)特定細胞的模式形成。最近，可組合細胞膠聯(lián)（粘附素）系統(tǒng)被用于從生物物理層次編程細菌中的細胞—細胞相互作用，這使得在單個細胞的尺度范圍內細胞自組裝成三維（3D）模式成為可能。
Toda 等人通過可組合的一組分子“鎖”和“鑰匙”（合成的鄰分泌信號傳導）對組織進行編程使其分化成為多細胞結構。相鄰細胞可以相互激活粘附分子的表達，并分化成新的細胞類型。此系統(tǒng)的時序步驟通過基于粘附的細胞分選過程實現(xiàn)自驅動（見下面視頻）。此處的細胞分選是一種生物物理過程，其使細胞直接接觸從而促進信號傳導。通過此種方式得到的多細胞結構讓人聯(lián)想到胚胎發(fā)育過程，兩者具有相似的行為，例如對稱性破壞和損傷后的再生。通過合成信號調控粘附過程使得該過程比純粘附結構更加可控和通用化，開辟了人工開發(fā)系統(tǒng)研究體外發(fā)育的研究道路。
在未來，特別是當集成不同調控水平的線路組成更強大的系統(tǒng)時，可組合性可能會扮演著重要的角色?；谥貙懟蚯谐鼶NA的記憶過程，如果運用靈活的時序邏輯調控實現(xiàn)，我們不僅可以設計具有長期穩(wěn)定性、規(guī)模更大狀態(tài)機，同時也就不再需要活躍的蛋白質表達過程來維持記憶。基于蛋白質的線路結合轉錄邏輯可以在多個時間尺度上協(xié)調合成生物學調控過程。在多細胞環(huán)境中，將信號傳導和粘附過程耦合時序邏輯可以使可設計的發(fā)育調控程序規(guī)模更大化。雖然這些整合性的合成生物學調控網絡在自然界中均可以找到對應物（例如，動物發(fā)育和細胞信號傳導網絡），但是合成線路可以更好的闡明原生系統(tǒng)：人們可以通過在真實的生物環(huán)境中構建線路來測試計算機模擬的結果，而這種過程并不會像那研究原生系統(tǒng)那樣充滿未知因素。隨著通過時序邏輯、蛋白線路和多細胞系統(tǒng)的可組合工具包解決掉合成生物學長期以來的部分限制因素，生物醫(yī)學的工程化設計和“Build to understand”的未來是光明的。
注：本文來自微信公眾號“再創(chuàng)”
