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(méi)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(guò)改變光掩模的模式，出各種類(lèi)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(lái)。這是一種手工過(guò)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(wú)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(shuō)的那樣：“DNA序列的組裝技術(shù)沒(méi)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(lái)處理由此而來(lái)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(kāi)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(lèi)電路來(lái)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(lái)，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(guò)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(kāi)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?chē)蜁?huì)出現(xiàn)一種跳躍著綠色熒光的“菌苔”！
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