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生命科學(xué)生物工程將成為組裝生命的生物工廠

點(diǎn)擊次數(shù)：576 發(fā)布時間：2010-11-23

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對于以電子工程為模式的生物技術(shù)，生物組件是它的基礎(chǔ)

　　雖然“基因工程”這個詞已至少用了30年，DNA重組技術(shù)也是現(xiàn)代生物學(xué)研究的主流技術(shù)，但是大多數(shù)生物工程學(xué)家所進(jìn)行的生物相關(guān)研究，卻與工程技術(shù)鮮有共同之處。其中一個原因就是，現(xiàn)有的生物工具，在標(biāo)準(zhǔn)化和實用性方面還沒有達(dá)到與其他工程技術(shù)領(lǐng)域相應(yīng)的水平；而另一個原因，則是生物學(xué)的研究方法和思路還有待改進(jìn)，盡管生物學(xué)研究已經(jīng) 深受工業(yè)技術(shù)的影響。

　　舉例來說，電子工程的轉(zhuǎn)型起始于1957年。那一年，美國Fairchild半導(dǎo)體公司（這家公司的所在地就是后來的硅谷）的瓊·霍爾尼（Jean Hoerni）和羅伯特·N·諾伊斯（Robert N.Noyce）發(fā)明了平面技術(shù)。這是一種利用光掩模（photomask），在硅晶圓（silicon wafer）內(nèi)，對金屬及化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行層疊和刻蝕的系統(tǒng)。利用這種新技術(shù)，工程師們不僅能夠制造出品質(zhì)穩(wěn)定的、簡潔的集成電路，還能通過改變光掩模的模式，制造出各種類型的電路。此后不久，工程師們就可以對前人所設(shè)計的簡單電路進(jìn)行選擇組合，設(shè)計出更加復(fù)雜、應(yīng)用范圍更廣的電路。

　　在那個年代，電子電路的標(biāo)準(zhǔn)制造方法還比較原始，只是將電路的各個晶體管（transistor）逐一串連起來。這是一種手工制造過程，其產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，被新興電子工業(yè)界*為技術(shù)瓶頸。相反，平面技術(shù)則大步前進(jìn)，進(jìn)展速度驚人，與的摩爾定律（Moore’s Law）所提出的速度相差無幾。

　　半導(dǎo)體芯片的設(shè)計制造技術(shù)與方法學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物—— 芯片制造廠（chip fab），已成為*zui成功的工程范例之一。它也為另一新興技術(shù)領(lǐng)域—— 生物體系制造業(yè)，提供了寶貴的發(fā)展模式。

　　實際上，今天的基因工程師所使用的方法，仍處于較原始的階段。正如我們的同事，美國麻省理工學(xué)院人工智能實驗室的湯姆·奈特（Tom Knight）所說的那樣：“DNA序列的組裝技術(shù)沒有標(biāo)準(zhǔn)化，致使每一次DNA組裝反應(yīng)在自身還處于實驗階段的同時，就不得不充當(dāng)解決目前研究課題的實驗工具。”

　　生物工程在制造方法和組件上的標(biāo)準(zhǔn)化，可以促使兼容組件設(shè)計庫建立，并使組件的加工外包成為可能。理論與制造的分離，使生物工程師能夠自由地構(gòu)想更加復(fù)雜的裝置，并應(yīng)用強(qiáng)大的工程工具（例如計算機(jī)輔助設(shè)計），來處理由此而來的復(fù)雜性。
　　生物零件

　　2000年，當(dāng)時就職于美國普林斯頓大學(xué)（Princeton University）的邁克爾·埃洛威茨（Michael Elowitz）和斯坦尼斯拉斯·萊布勒（Stanislas Leibler），以及美國波士頓大學(xué)（Boston University）的柯林斯、蒂姆·加德納（Tim Gardner）和查爾斯·坎托（Charles Cantor）等人，利用生物零件（biobrick）制造了*批基本電路元件：一個環(huán)形振蕩器和一個扳鍵開關(guān)。他們的研究代表了人造功能性生物電路的成功。而早在1975年，科學(xué)家們就已經(jīng)知道，自然界的生物正是利用此類電路來調(diào)控它們的基因——從知道到成功，科學(xué)家們用了整整25年的時間！

　　埃洛威茨和萊布勒的環(huán)狀振蕩器很好地闡釋了何為生物電路。振蕩器的基本電路是一個質(zhì)粒（plasmid，環(huán)狀DNA），該質(zhì)粒帶有三個基因：tetR、lacI和λcI，分別編碼三種蛋白：TetR、LacI和λcI。任何基因翻譯成蛋白質(zhì)的首要條件是，聚合酶（polymerase）與基因上游區(qū)域的啟動子（promoter）結(jié)合。隨后，聚合酶將基因轉(zhuǎn)錄為信使RNA（messenger RNA），然后信使RNA被翻譯成蛋白質(zhì)。如果聚合酶不能與啟動子結(jié)合，那么基因就不能被翻譯，也就不能生成蛋白質(zhì)。

　　埃洛威茨和萊布勒給三個基因的蛋白產(chǎn)物分配了特殊的任務(wù)：選擇性地與另外一個基因的啟動子結(jié)合。如此一來，LacI蛋白與tetR的啟動子結(jié)合，λcI蛋白與lacI基因的啟動子結(jié)合，而TetR蛋白則與λcI基因的啟動子結(jié)合。這種關(guān)聯(lián)性使得一個基因的蛋白產(chǎn)物能夠阻遏聚合酶與另一個基因的啟動子結(jié)合。因此，這三種蛋白的生成構(gòu)成了一個振蕩循環(huán)：大量LacI蛋白的生成抑制了tetR基因的表達(dá)；TetR蛋白的缺失使λcI基因得以表達(dá)；而λcI蛋白又抑制LacI蛋白的生成，這個過程不斷循環(huán)。

　　若將該循環(huán)中的一個基因與表達(dá)綠色熒光蛋白的基因相連，再將整個電路轉(zhuǎn)入一個細(xì)菌中，那么你就會發(fā)現(xiàn)神奇的一幕：這個細(xì)菌會像節(jié)日彩燈般閃爍！與之相似，柯林斯小組研制的基因扳鍵開關(guān)也可用于細(xì)菌的程序化：一旦細(xì)菌的DNA受損，那么在細(xì)菌周圍就會出現(xiàn)一種跳躍著綠色熒光的“菌苔”！

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