符合工程化需求的生物元件设计

中国网/中国发展门户网讯 2000 年，以拨动开关（toggle switch）与合成振荡器（synthetic oscillator）为标志的基因设计研究使合成生物学走进了人们视野。近年来，随着合成生物学的蓬勃发展，人们很快认识到，生物系统可以在定量模型指导下，用“模块化、标准化”的组成单元来设计构建人工复杂系统。其中，生物元件作为合成生物学三大基本要素之一，对其进行深入挖掘和改造已成为合成生物学领域的重要研究方向。为了方便利用模块化、标准化的“部件”拼装“机器”，2003 年，美国麻省理工学院相关合成生物学实验室成立了标准生物元件登记库（Registry of Standard Biological Parts），收集满足标准化条件的生物元件。截至 2018 年已有超过 20 000 个生物元件被登记，其中包括启动子、转录单元、质粒骨架、蛋白质编码区等 DNA 序列，以及核糖体绑定位点、终止子等 RNA 序列和蛋白质结构域。

天然生物元件来源于自然进化，在模块化、组装、集成等方面，难以符合特定工程需求。如果将细胞看成合成工厂，由 DNA 编码的蛋白质和 RNA 等转运、调控、催化基本元件在生命体系中体现出一定的交互性和模块性。如何让不同单元之间、单元与途径和网络之间可控、可组装，是工程化设计创建生物系统首要面临的问题。目前，大量已知功能的生物元件并未被标准化，许多元件体现出不兼容性，加之整合过程中的复杂性和整合后的可变性等因素，导致元件之间不能协调一致地工作，效率大幅降低，或无法实现设计功能。因此，设计具有良好协调行为、协同执行功能的生物系统是合成生物学的一项重大挑战，也是解决“人造生命”的重要突破口。本文简要介绍了近年来非催化元件的研究现状，重点介绍催化元件设计领域从头预测新酶结构的分子优化设计、人工金属催化酶设计、底物选择性重设计以及酶分子热稳定性设计 4 个方面的前沿研究进展，并综述了酶分子设计与工业生产的跨层次结合与技术互融，以期为合成可控、功能特定的人工生物体系提供重要线索，同时有助于推动合成生物学关键基础技术体系与工业生物过程的互作发展。