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研生試劑-生命科學(xué)生物工程將成為組裝生命的生物工廠
更新時(shí)間:2014-05-27   點(diǎn)擊次數(shù):652次

                   研生試劑-生命科學(xué)生物工程將成為組裝生命的生物工廠

對(duì)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(gè)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(gè)原因就是,現(xiàn)有的生物工具,在標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)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(gè)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(guó)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(duì)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),工程師們不僅能夠出品質(zhì)穩(wěn)定的、簡(jiǎn)潔的集成電路,還能通過改變光掩模的模式,出各種類型的電路。此后不久,工程師們就可以對(duì)前人所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單電路進(jìn)行選擇組合,設(shè)計(jì)出更加復(fù)雜、應(yīng)用范圍更廣的電路。

  在那個(gè)年代,電子電路的標(biāo)準(zhǔn)方法還比較原始,只是將電路的各個(gè)晶體管(transistor)逐一串連起來。這是一種手工過程,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(jì)技術(shù)與方法學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物—— 芯片廠(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—— 生物體系業(yè),提供了寶貴的發(fā)展模式。

  實(shí)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(guó)麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)階段的同時(shí),就不得不充當(dāng)解決目前研究課題的實(shí)驗(yàn)工具。”

  生物工程在方法和組件上的標(biāo)準(zhǔn)化,可以促使兼容組件設(shè)計(jì)庫(kù)建立,并使組件的加工外包成為可能。理論與的分離,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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)),來處理由此而來的復(fù)雜性。

  生物零件

  2000年,當(dāng)時(shí)就職于美國(guó)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(guó)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)了*批基本電路元件:一個(gè)環(huán)形振蕩器和一個(gè)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(shí)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(gè)質(zhì)粒(plasmid,環(huán)狀DNA),該質(zhì)粒帶有三個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)基因的啟動(dòng)子結(jié)合。如此一來,LacI蛋白與tetR的啟動(dòng)子結(jié)合,λcI蛋白與lacI基因的啟動(dòng)子結(jié)合,而TetR蛋白則與λcI基因的啟動(dòng)子結(jié)合。這種關(guān)聯(lián)性使得一個(gè)基因的蛋白產(chǎn)物能夠阻遏聚合酶與另一個(gè)基因的啟動(dòng)子結(jié)合。因此,這三種蛋白的生成構(gòu)成了一個(gè)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(gè)過程不斷循環(huán)。

  若將該循環(huán)中的一個(gè)基因與表達(dá)綠色熒光蛋白的基因相連,再將整個(gè)電路轉(zhuǎn)入一個(gè)細(xì)菌中,那么你就會(huì)發(fā)現(xiàn)神奇的一幕:這個(gè)細(xì)菌會(huì)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(huì)出現(xiàn)一種跳躍著綠色熒光的“菌苔”!

 

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