符合工程化需求的生物元件设计

非催化元件设计的研究进展

自 2005 年启动子库被引入精细调控代谢途径理念后，多种宿主细胞（如大肠杆菌、酵母菌以及放线菌等）启动子库相继被开发和被设计。随着大数据和人工智能技术的发展，针对特定需求启动子序列，借助人工神经网络系统及计算机辅助设计，人工设计预测模型的训练集与测试集回归相关系数可达到98%。英国剑桥大学的 Rackham 与 Chin利用筛选法获得了正交的核糖体 RNA-mRNA 正交对。在细胞内，只有当两者都表达时，核糖体才能正常地识别特定的 mRNA 而产生功能蛋白。同时，他们还利用不同的正交对拓扑结构构建了更多翻译水平的逻辑门，为人工设计与宿主遗传背景正交的遗传线路奠定了基础。

目前，在生物元件方面已完成了多种不同来源的启动子、核糖体结合位点与终止子元件库的构建及预测设计，实现了强度跨度大、梯度密集的元件库。此外，越来越多新颖的元件不断被开发，如核酸开关（riboswitch）、核酸调节子（riboregulator）等顺式作用元件，以及转录激活样效应子（transcription activated-like effector，TALE）、CRISPR/Cas9 系统等反式元件，为代谢平衡优化与复杂遗传环路设计提供了坚实保障。如果将非催化元件作为“基础工具”，那么催化元件可看做“功能工具”，对实现代谢途径高效运行具有至关重要的作用。