论文标题： Toward predictable universal genetic circuit design

期刊：Quantitative Biology

作者：Yuanli Gao, Baojun Wang

发表时间：30 April 2024

DOI：https://doi.org/10.1002/qub2.48

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合成生物学（Synthetic Biology）旨在将工程学原理应用于基因线路设计中，从而实现对生物系统的控制和定制。除了常用的模式生物（如大肠杆菌），这些生物系统还包括非模式生物，其具有独特的代谢特性和对特定环境的适应性，因此具有不可替代的应用潜力。因此，设计可以在多种生物系统，尤其是非模式生物中工作的通用型基因线路（universal genetic circuit）具有重大的研究意义和应用价值。

近期，浙江大学王宝俊教授课题组在Quantitative Biology期刊发表了一篇题目名为“Toward predictable universal genetic circuit design”的特约评论文章。文章对合成生物学中多宿主通用型基因线路的发展进行了回顾，包括通用型基因线路的设计难点、基本组成和典型案例，并指出其未来的重点研究方向。

全文概要

在过去的20年中，合成生物学在基因线路设计领域取得了显著的进展，催生出一系列具有复杂功能的生物系统，例如布尔逻辑门、滤波器、振荡器和状态机等。然而，这些成就局限于少数模式生物，而在实际应用中，其他非模式生物由于具有独特的代谢特性（如对产物的分泌和对极端条件的耐受）和对特定环境（比如人体器官或肿瘤）的适应性，会更有优势。因此，设计可以在不同宿主中工作的通用型基因线路将极大地促进相关合成生物学应用的开发。本文作者总结了通用型基因线路的设计难点（即造成基因线路在不同宿主中表现差异的因素）、基本构成和典型案例，并指出了其未来的发展方向。

1. 通用型基因线路的设计难点

多种因素影响着基因线路在不同宿主中的表现（图1）。首先，不同的宿主细胞的基因表达机制可能不同（①），比如多形拟杆菌中RNA聚合酶识别的序列成分与大肠杆菌中的区别很大。其次，不同宿主细胞的培养条件和生长偏好不同，会造成基因元件（如荧光蛋白）的活性差异（②）。再次，不同宿主承载基因线路的DNA载体存在拷贝数的差异，会影响基因线路中各组分的表达量（③）。最后，将不同的基因元件组装成基因线路的过程可能意外地导致一些新元件的出现（比如启动子），这些元件在不同的宿主中的活性差异也会影响基因线路的行为（④）。

图1 通用型基因线路的设计难点：①基因表达机制差异，②生长环境差异，③拷贝数差异，④潜在元件活性差异

2. 通用型基因线路的基本组成

理想状态下，通用型基因线路应该尽可能低地受底盘细胞环境影响；也就是说，通用型基因线路不应该依赖于特定的生物过程和资源，并且应该对拷贝数的变化不敏感。因此，通用型基因线路应该由3部分组成：供给模块，处理模块和控制模块（图2）。供给模块编码外源基因表达系统，如RNA聚合酶和核糖体，降低对底盘细胞基因表达机制的依赖（图2左）。处理模块负责执行特定的信号处理功能，如逻辑计算（图2中）。控制模块负责维持基因线路行为在不同条件下的相对稳定，削弱来自底盘细胞的影响（图2右）。

图2 通用型基因线路的基本组成：供给模块（左），处理模块（中），控制模块（右）

3.通用型基因线路的发展方向

未来几个方向的研究将有助于通用型基因线路领域的发展。首先，研究者需要进一步扩大通用型基因元件的工具箱。目前多种基因元件已经展示出在不同宿主中较好的通用性，如内含肽、核糖开关、重组酶、T7 RNA聚合酶等。其次，研究者需要建立一个标准化的流程，指定标准来评估基因元件和基因线路的通用性，并把通用性强且表现良好的元件编译到数据库中。最后，研究者们可以开发相关的计算工具和基因线路设计软件，来使用数据库中的元件进行自动化的基因线路设计，并使用RNA测序等工具在转录、翻译等多维层面对基因线路的表现进行细致的鉴定和优化。

论文作者简介

王宝俊 教授

王宝俊，浙江大学求是讲席教授、教育部长江学者讲席教授。长期致力于合成生物学使能技术、基因线路设计研究及其在生物传感、智能诊疗、生物制造等领域的创新应用（https://wanglab.net/cn）。王宝俊教授于2005、2011年分别获浙江大学生物医学工程本科和帝国理工学院生物工程博士学位，2022年回国任职前曾任爱丁堡大学生物科学学院终身教授。现任浙江大学杭州科创中心生物与分子智造研究院副院长、合成生物学研究所所长。近五年以通讯作者发表重要学术论文30余篇（包括Nature Chem Biol 等7篇Nature子刊论文），主持英国自然科学基金会、比尔盖茨基金会、美国海军研究署和国家重点研发计划重点专项、国自然重点国合项目等20余项研究基金。担任PLOS Biology, ACS Synthetic Biology国际权威期刊编委。曾获重要奖项有：2015年盖茨基金会全球大挑战探索基金奖；2016年英国生物技术与科学基金会新研究员奖；2019年英国自然科学基金会杰出青年科学基金奖(全英仅41人)；2020年入选英国皇家化学学会会士；2022年入选教育部“长江学者奖励计划”讲席学者、浙江省“鲲鹏行动”计划。课题组长期邀请对合成生物学使能技术工具开发、基因线路设计及创新应用感兴趣的学者（研究员、博士后、科研助理、研究生等）加盟团队或者探讨课题合作。感兴趣者可将简历、拟申请岗位和工作设想发送邮件至baojun.wang@zju.edu.cn。

QB期刊介绍

Quantitative Biology （QB）期刊是由清华大学、北京大学、高教出版社联合创办的全英文学术期刊。QB主要刊登生物信息学、计算生物学、系统生物学、理论生物学和合成生物学的最新研究成果和前沿进展，并为 与计算机、数学、物理等交叉研究领域打造一个学术水平高、可读性强、具有全球影响力的交叉学科期刊品牌。

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由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、 、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

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