生物学家使用遗传电路对植物根系进行编程

当物理学家理查德费曼于 1988 年去世时，他在黑板上留下了一张便条，上面写着：“我不能创造的东西，我不明白。”费曼可能一直在反思科学理解的本质，但这种情感也反映了合成生物学的精神。这个科学领域就是解构和精确操纵生物过程以测试我们对它们的掌握。

“合成生物学界的每个人都喜欢这句话，”加州大学伯克利分校的合成植物生物学家Patrick Shih说。 “这几乎是核心原则。”

植物方面的新工作标志着朝着实现合成生物学最雄心勃勃的目标迈出了重要的一步。上个月发表在《科学》杂志上的一项研究在植物根系中创造了一种遗传回路，实际上是对它们的生长方式进行了编程。由生物工程师Jennifer Brophy和植物系统生物学家José Dinneny领导的斯坦福大学研究人员开发了一种遗传工具包，可以控制两种植物的根系是横向还是横向生长，以及根部的分枝量。他们的工作证实了植物生长的遗传模型，并首次表明可以在复杂生物的特定组织中随着时间的推移对基因活动的功能模式进行编程。

新的遗传工具包应该对其他合成生物学家未来的实验非常有用。然而，研究人员的实验结果并不像 Brophy 和她的同事所希望的那样简单，这表明将数字逻辑门应用于凌乱的生命系统所面临的挑战。

重新布线根增长

尽管合成生物学家将基因控制系统插入细菌和培养复杂细胞已有大约 20 年的时间，但技术问题使他们更难以对复杂的多细胞生物（如植物）进行此操作。因此，为了构建他们的生物回路，Brophy、Dinneny 和他们的同事组装并改进了一套分子工具，包括经过修饰的病毒和导致植物肿瘤的细菌。合成生物学家经常为特定的生物体和实验创造他们需要的一次性技术和遗传元素，但斯坦福团队更感兴趣的是组装一个通用工具包，可以根据需要适应不同的生物体。

通过这个可定制的工具包，研究人员为他们的特定生物体定制了遗传回路。在这种情况下，他们使用了两种流行的模式生物——芥菜的近亲拟南芥和烟草的近亲本氏烟草。

研究人员创造了合成的启动子元件，就像开/关开关一样，会与参与根生长的各种靶基因结合并激活它们。然后，他们将这些控制元件相互连接起来，就像可编程电路中的布尔逻辑门一样。这些控制使研究人员能够招募植物自身的蛋白质来驱动或抑制根系生长。

他们使植物表达了广泛的程序根变化，从根毛的蔓延蜘蛛网到单一的长主根。他们的目标是展示灵活的控制，而不是产生特定的期望结果。 “这是一个概念证明，”没有参与这项新研究的法国国家农业、食品和环境研究所研究员奥利维尔·马丁说。

控制根系的生长对农业来说可能是革命性的，特别是在干旱地区，随着气候变化的持续，那里的生活可能变得更加可怕。可以对作物进行编程，使其长出浅根系，以快速吸收大雨但不频繁的降雨，或者将它们的根直接向下发送并将它们紧密地挤在一起以避免侵犯邻居的空间。

应用不仅限于农业。马丁说，植物是“大自然的化学家”。 “它们产生了令人难以置信的多样性化合物。”通过合成生物学利用这种能力可以使研究人员大规模生产新药。

对抗不一致

但是合成植物生物学的成果还没有准备好进入农贸市场或药店货架。尽管斯坦福实验中的大多数植物都按照它们的程序行事，但它们的基因表达并不像研究人员希望的那样黑白分明。 “即使称它为布尔值或数字值也很困难，因为‘关闭’状态并非完全关闭，而‘开启’状态是相对的，”Brophy 说。

在根部，一个“关闭”状态由一个完整的根冠表示，一个位于根卷须尖端的细胞层阻止了进一步的生长。 “开启”状态仅由根或小根的存在来定义。但研究人员观察到，一些处于“关闭”状态的根只形成了部分根冠——足以在某一点后停止生长，但不足以完全阻止它。当团队将为烟草开发的逻辑门应用于拟南芥植物时，这些异常表达最常出现。在工具包针对拟南芥基因进行调整后，它们往往会消失。

尽管这种部分表达增加了合成生物学所面临的挑战，但施说它也可能具有优势：它可能使植物比动物更容易进行实验测试，因为动物中的部分基因表达通常不那么明显（并且更致命） .

加拿大阿尔伯塔大学的系统生物学家Devang Mehta没有参与这项研究，他称 Brophy 和 Dinneny 的研究是生物合成生物学的“一大进步”。但是，他警告说，我们不应低估下一步的挑战。

“像布尔逻辑这样的东西在封闭环境中特别有用，你可以真正控制环境变量，”Mehta 说。 “这在自然环境中要难得多。”

这是因为植物和其他生物对环境的反应非常灵敏，而计算机则不然，这使得用可靠的遗传电路对它们进行编程的挑战变得复杂。 Brophy 将它们与计算器进行对比，每次 2 加 2 等于 4。 “如果 2 加 2 在寒冷时等于 3，而在太亮时等于 5，那将是有问题的，”她说。为了在田间种植的玉米或小麦等农作物中实施布尔基因回路，合成生物学家必须设计一种控制天气的方法，或者更现实地，防止植物对热、冷和雨做出强烈反应。

“这是该领域需要非常重视的一个重要限制，”Shih 说。他将 Brophy 和 Dinneny 的工作视为应对这一挑战的初步路线图。 “现在我们可以看到哪些 [工具] 有效，哪些无效。”

编者注：作为 HHMI-Simons 学院的学者，Dinneny 获得了 Simons 基金会的资助，该基金会还支持Quanta ，这本编辑独立的科学新闻杂志。