可組合性
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可組合性（英語：Composability）是基因網絡設計的一個重要原則。在細胞內，人們可以集成不同調控水平的線路來構建更複雜基因網絡。任意連接基礎元件、網絡模體、模塊化的轉錄調控基因線路、蛋白級聯網絡等形成大型的合成生物系統，並且實現可預測行為的能力，是系統生物學家和合成生物學們追求的目標。[1]
- 可組合性=正交性+模塊化
- 適用於多層次系統（轉錄、翻譯層次，蛋白質、多細胞群體系統）
- 可組合性，使得生物元件之間具有可預測的互相作用
- 即插即用
如今實現人工合成網絡真正可設計性的局限性與細胞的生理條件息息相關。
人們預測單個元件時，模型的可靠性是值得信賴的。但是，當我們將元件組裝為系統時，便會出現很多問題。首先，制約預測可靠性的因素應為菌體生長的隨機性。在實驗中，同一實驗組的多個重複間可能存在差別，且同一實驗組兩次測量的數據進行擬合，得到的參數也會有所差別。在細胞內，各種層次的生理條件干涉會嚴重阻礙異源基因線路在宿主中的表達。
如何發展可組合性[編輯]
高度的模塊化[編輯]
- 挖掘正交性的元件，進行標準化的元件測試和表徵
- 轉錄調控基因線路的模塊化和可組合性
2018年，Christopher Voigt實驗室基於可組合的轉錄因子設計時序邏輯線路。通過可組合的調控邏輯-NOR gate 或非門實現細胞檢查點的控制。[2]
- 蛋白層次的調控線路，從原有蛋白中拆分出模塊化的片段後再進行重新組合，創造全新的功能性蛋白
2013年，張峰課題組在哺乳動物細胞中基於雙組分系統建立了光控開關系統-LITE system[3]。TALE的 DNA結合域與光敏感蛋白CRY2和VP64轉錄激活域融合在一起。當 CRY2 遇到藍光照射，蛋白複合體會改變結構與CIB1 結合，激活下游的基因的轉錄。CRY2與CIB1的相互作用發生在亞秒的時間尺度上。這裡的蛋白質結構域是模塊化的， CIB1也可以與激活因子或者抑制因子相結合。
- 基因元件之間的絕緣化：
合成生物學家希望生物系統也能像電子系統能被拆解為功能上相互獨立的模塊化基因元件。可是生物系統的偶聯性很強。如果每個元件之間能夠絕對的獨立，也可被稱為絕緣化或者去耦合化。2017年Zong, Y通過絕緣化處理消除了起始基因轉錄的核心元件—啟動子和轉錄調控因子結合的操作子之間的功能干涉。絕緣化可以提高了元件的模塊化屬性和實現組裝過程可預測性[4]。原核細胞中，轉錄與翻譯層次的絕緣化可以通過ribozymes-核糖酶實現，2012年，Lou 挖掘出正交的ribozymes ，能夠切割mRNA5'端非翻譯區，消除啟動子對RBS的二級結構的干涉效應[5]。2016年，Christopher Voigt實驗室開發的自動化的計算機輔助工具—Cello，組裝的元件中也使用了核糖酶調控序列。實驗上合成設計的基因線路轉入大腸桿菌中發揮功能，92%的輸出狀態定性來說與預測一致[6]。
在可預測設計的研究方法上，絕緣化是一個至關重要的點，而且仍具有很大的發展空間。
- 正交性
合成生物學已經涉及跨越多個宿主，每一種模式動物都有專有的元件庫。由於有些物種的遺傳背景不一樣，細胞間的轉錄和翻譯系統可能存在差異。正交化元件的通用性顯得尤為重要。生物元件的參數在不同宿主中保持一定的相關性才能實現模塊化基因線路的在不同宿主中的通用。
- 魯棒性的網絡結構提高可預測性
參考資料[編輯]
- ^ Alon, Uri; Glass, David S. Programming cells and tissues. Science. 2018-09-21, 361 (6408): 1199–1200 [2019-01-10]. ISSN 1095-9203. PMID 30237343. doi:10.1126/science.aav2497. （原始內容存檔於2020-08-15） （英語）.
- ^ Voigt, Christopher A.; Nielsen, Alec A. K.; Andrews, Lauren B. Cellular checkpoint control using programmable sequential logic. Science. 2018-09-21, 361 (6408): eaap8987 [2019-01-10]. ISSN 1095-9203. PMID 30237327. doi:10.1126/science.aap8987. （原始內容存檔於2020-08-14） （英語）.
- ^ Zhang, Feng; Church, George M.; Scott, David A.; Platt, Randall J.; Cong, Le; Heidenreich, Matthias; Hsu, Patrick D.; Trevino, Alexandro E.; Brigham, Mark D. Optical control of mammalian endogenous transcription and epigenetic states. Nature. 2013-08, 500 (7463): 472–476 [2019-01-10]. ISSN 1476-4687. doi:10.1038/nature12466. （原始內容存檔於2021-02-14） （英語）.
- ^ Lou, Chunbo; Ouyang, Qi; Guo, Xian; Hou, Junran; Ji, Xiangyu; Lyu, Cheng; Zhang, Haoqian M.; Zong, Yeqing. Insulated transcriptional elements enable precise design of genetic circuits. Nature Communications. 2017-07-03, 8 (1): 52 [2019-01-10]. ISSN 2041-1723. doi:10.1038/s41467-017-00063-z. （原始內容存檔於2020-06-11） （英語）.
- ^ Voigt, Christopher A.; Munsky, Brian; Chen, Ying-Ja; Stanton, Brynne; Lou, Chunbo. Ribozyme-based insulator parts buffer synthetic circuits from genetic context. Nature Biotechnology. 2012-11, 30 (11): 1137–1142 [2019-01-10]. ISSN 1546-1696. doi:10.1038/nbt.2401. （原始內容存檔於2022-03-19） （英語）.
- ^ Voigt, Christopher A.; Densmore, Douglas; Ross, David; Strychalski, Elizabeth A.; Paralanov, Vanya; Vaidyanathan, Prashant; Shin, Jonghyeon; Der, Bryan S.; Nielsen, Alec A. K. Genetic circuit design automation. Science. 2016-04-01, 352 (6281): aac7341 [2019-01-10]. ISSN 1095-9203. PMID 27034378. doi:10.1126/science.aac7341. （原始內容存檔於2021-02-13） （英語）.