Science：在活细胞中构建出基于重组酶的状态机器

　　2016年07月23日讯 科学家们能够利用合成生物学对细胞进行编程以便执行一些新功能，如对一种特殊的化学物质作出反应产生荧光，或是针对疾病特异性标志物设计药物。

　　在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院（MIT）等机构的研究人员朝着设计出复杂得多的回路迈进了一步，对细胞进行编程，让它们记住一系列的事件并对这些事件作出反应。相关研究结果发表在2016年7月22日那期Science期刊上，论文标题“Synthetic recombinase-based state machines in living cells”。论文通信作者为麻省理工学院电子工程、计算机科学和生物工程系副教授Timothy Lu博士。

　　研究人员说，这些细胞经编程后按照正确的顺序记住了三个不同的输入信号，不过这种方法应当能够可扩展至更多的输入信号（或者说刺激信号）。利用这一系统，科学家们可以追踪按照特定顺序发生的细胞事件，构建出环境传感器来储存复杂的历史，或是对细胞的运动轨迹进行编程。

　　这种方法使得科学家们能够构建出生物“状态机器”--根据它们接收输入信号的特性和顺序以不同的状态存在的装置。研究人员还能设计出软件帮助用户设计一些回路，模拟具有不同状态的状态机器，随后在细胞中进行测试。

　　在这项新的研究中，研究人员编码的状态机器回路依赖于所谓的重组酶（recombinase）。当遭受细胞内的特定输入信号（例如化学信号）激活时，重组酶会根据被称作为识别位点的两个DNA靶序列的方向删除或颠倒一段特殊的DNA。这两个识别位点之间的DNA序列可能包含对不同输入信号作出反应的其他重组酶的识别位点。如果随后第二或第三个重组酶也被激活的话，翻转或删除这些位点会改变DNA序列上将要发生的事件。因此，对这段DNA序列进行测序可以确定一个细胞的历史。

　　在只具有两种输入信号的系统最简单版本中，这一回路具有5种可能的状态：不对任何输入信号作出反应，只对输入信号A作出反应，只对输入信号B作出反应，先对输入信号A作出反应然后是对输入信号B作出反应，以及先对输入信号B作出反应然后是对输入信号A作出反应。研究人员还设计并构建出了记录三种输入信号的回路，该回路具有16种可能的状态。

　　在这项研究中，研究人员对大肠杆菌细胞进行编程，让它们对实验室实验中常用的一些物质---包括Atc（抗生素四环素的一种类似物），一种被称作阿拉伯糖（arabinose）的糖分子和一种被称作DAPG的化学物质---作出反应。而要实现医学或环境应用，可以重新改造这些重组酶对其他的条件如酸性或特异转录因子的存在作出反应。

　　在设计出可以记录一系列事件的回路后，研究人员随后将一些基因与一些遗传调控元件整合到了一系列重组酶结合位点中。在这些回路中，当重组酶重排DNA时，这些回路不仅记录了信息，还控制了基因开启或关闭。

　　研究人员利用编码绿色、红色和蓝色荧光蛋白的三种基因，构建出对应于两种具有不同性质和顺序的输入信号来表达不同荧光蛋白组合的回路对这种方法进行测试。比如，当细胞携带着先接收输入信号A再接收输入信号B的回路时，它们会发红光和绿光，先接收输入信号B然后是输入信号A的细胞会发红光和和蓝光。

　　论文的第一作者、麻省理工学院研究生Nathaniel Roquet说，“我们可以记录生物事件的组合和它们的发生顺序，并且对这些事件作出反应。这种具有大量的潜在应用。我们对于哪些因子调控了特定细胞的分化或导致了某些疾病产生已了解了许多，但对于这些因子的时间组织仍然知之甚少。这是我们希望利用我们的方法探索的一个领域。”例如，科学家们可以利用这一技术追踪干细胞或其他未成熟细胞分化为成熟细胞的轨迹。他们还可以追踪癌症这类疾病的发展。之前的研究已表明，致癌突变的发生顺序可以决定疾病的行为，包括癌细胞如何对药物作出反应以及如何产生肿瘤。此外，工程师们可以利用这项研究中开发出的这些状态机器平台来对细胞进行编程，使得它们具有一些新的细胞功能。