基因电路设计策略推进合成生物学

在过去的17年中,科学家和工程师开发出了合成基因电路,可以对活细胞的功能,性能和行为进行编程。类似于无数电子产品的集成电路,工程基因电路可用于产生确定的动力学,重新连接内源网络,感知环境刺激,并产生有价值的生物分子。

这些基因回路在医学和生物技术应用中具有很大的前景,例如对抗超级细菌,生产先进的生物燃料和制造功能性材料。

到目前为止,大多数电路都是通过反复试验的方式构建的,这种方式很大程度上依赖于设计师的直觉,而且往往效率低下,伊利诺伊大学生物工程副教授Ting Lu说。“随着电路复杂性的增加,缺乏预测设计指南已成为实现合成生物学潜力的一项重大挑战,”Lu说,他还隶属于伊利诺伊州Carl R. Woese基因组生物学和物理系研究所。 。

研究人员已转向定量建模以解决这一基因电路设计挑战。Lu表示,典型的模型认为基因电路是不与宿主相互作用的孤立实体,只关注电路内的生化过程。

“尽管非常有价值,但目前的建模范式往往无法定量,甚至有时无法定性地描述电路行为,”他说。“越来越多的实验证据表明电路和它们的生物宿主密切相关,它们的耦合会显着影响电路行为。”

Lu和他的研究生Chen Liao和Andrew Blanchard最近通过构建用于定量描述和预测基因电路行为的集成建模框架来解决这一挑战。使用大肠杆菌(大肠杆菌)作为模型宿主,该框架由宿主生理学的粗粒度但机械描述组成,涉及动态资源分配,多层电路 - 宿主耦合以及外源电路的详细动力学模块。

该团队证明,经过培训,该框架能够捕获和预测大量关于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下组成型基因表达的关键,包括营养和抗生素的变化。该团队还展示了该平台的实用性,通过应用它来检查生长调制反馈电路,其动力学通过电路 - 主机耦合进行定性改变,并揭示了从单细胞动力学到种群结构以及空间生态学。

虽然Lu的框架是使用大肠杆菌作为模型宿主建立的,但它有可能被广泛用于描述多种宿主生物。“例如,我们发现,通过改变一个参数,该框架成功地预测了几种关键宿主指标,包括RNA-蛋白质比率,每个细胞的RNA含量和平均肽伸长率,对于鼠伤寒沙门氏菌和天蓝色链霉菌, “陆说。

Lu表示,这项工作推动了对基因电路行为的定量理解,促进了基因网络设计从反复试验构建到合理正演工程的转变。通过系统地说明关键细胞过程和多层电路 - 宿主相互作用,它进一步阐明了定量生物学,以更好地理解复杂的细菌生理学。