超越细胞：揭示单个DNA分子上遗传回路的潜力

在《自然通讯》的一项新研究中，研究人员探索了单个DNA分子上遗传回路的构建，证明了定位蛋白质合成是耗散纳米器件的指导原则，为人工细胞设计和纳米生物技术应用提供了见解

术语“遗传回路”是对细胞内遗传元件（如基因、启动子和调节蛋白）复杂网络的隐喻性描述，这些元件相互作用以控制基因表达和细胞功能

在人工细胞设计领域，科学家的目标是复制和设计这些基因回路，以创建功能齐全的独立单元。这些电路作为分子机制，通过精确调节蛋白质和其他分子的产生，负责协调细胞过程

通过理解和操纵这些电路，研究人员可以设计具有可编程行为的人工细胞，模仿自然细胞的功能

在上述研究的背景下，重点是在单个DNA分子上构建遗传回路。这代表了一种新的方法，因为它摆脱了传统的细胞环境，探索了在无细胞条件下创建遗传回路的可能性

第一作者Dr。以色列魏兹曼科学研究所的Ferdinand Greiss向Phys.org解释了研究人员的动机：“我们正试图在复杂的活细胞回路之外重建生物过程，希望能提高我们对自然界指导原则的理解。这项研究旨在构建未来的人工细胞，而单个DNA分子可能是这方面的遗传基础。”

基因调控

基因调节是细胞控制基因表达的过程，决定基因信息何时以及在多大程度上被用于蛋白质或RNA等功能分子的合成。它在维持细胞功能、应对环境变化和确保正常发育方面发挥着至关重要的作用

基因表达的调控涉及转录和翻译。在转录过程中，DNA的一个特定片段充当RNA聚合酶合成互补信使核糖核酸分子的模板。这种信使核糖核酸将遗传密码从细胞核带到细胞质，在细胞质中进行翻译

翻译涉及将信使核糖核酸转化为蛋白质。核糖体读取信使核糖核酸序列，促进氨基酸组装成多肽链，形成基因编码的蛋白质

“在原核系统中，转录和翻译过程是耦合的。这意味着一旦RNA聚合酶从DNA中产生信使核糖核酸，核糖体就可以在新生信使核糖核酸上找到核糖体结合位点，开始合成蛋白质。新生蛋白质可以折叠和发挥作用，同时仍然通过RNA聚合酶-信使核糖核酸-核糖体复合体与DNA相连转录或翻译，新生蛋白质从DNA上脱落并分散到大量溶液中。以色列魏茨曼科学研究所的Shirley Shulman Daube

其意义在于新生蛋白质的局部浓度增加，比周围的整体溶液高出约1000倍。这种空间组织和浓度的提高可能对细胞功能有影响，并可能在使用单个DNA分子构建人工细胞中发挥作用

在单个DNA分子上构建遗传回路

明尼苏达大学的合著者Vincent Noireaux博士说：“遗传回路基于基因编码的分子，如转录因子，这些分子由DNA产生，并与DNA结合，以调节自身和其他分子的产生。”

为了在单个DNA分子上构建遗传回路，研究人员用λ噬菌体（大肠杆菌）基因设计了特定的序列

遗传回路涉及负级联，由CI阻遏物基因及其操作员结合位点引导，复杂地控制HT基因。这种HT基因编码HaloTag（HT）蛋白，这是在单个DNA分子上观察新生蛋白质的关键元件

该研究采用了严格的条件，包括低DNA表面密度，以确保精确的局部蛋白质合成

同时，T7噬菌体RNA聚合酶（HT-T7 RNAP）和HT蛋白的融合展开了阳性级联，从而能够通过下游报告基因GFP实时监测基因表达

一种远红色荧光染料（MaP655 Halo）增强了对新生蛋白质的检测，提供了对遗传回路动力学的全面了解

负级联或抑制，在某些条件下调节和抑制特定蛋白质的产生。另一方面，正级联有助于遗传回路中特定基因的激活和表达

这项研究超越了单纯的观察，结合了一个以合成dCro阻遏物为特征的反馈电路。该成分在通过精心设计的合成启动子调节基因表达方面至关重要

无细胞限制

研究人员发现，单个DNA分子上的局部蛋白质合成可以在无细胞条件下驱动遗传回路，而不受细胞隔室的限制。遗传回路的动力学是在非常稀的条件下仔细观察到的

以色列魏兹曼科学研究所的首席作者Roy Bar-Ziv博士强调了他们发现的重要性：“基因表达的调节取决于与DNA结合的蛋白质，阻断或增加基因的活性