可自组织细胞极化的合成调控网络

生物通,2012-10-14

来自加州大学旧金山分校和北京大学的研究人员日前在合成生物学研究中取得重大突破，设计并构建出了可自组织细胞极化的合成调控网络。相关论文“Designing Synthetic Regulatory Networks Capable of Self-Organizing Cell Polarization”发表在10月4日的《细胞》（Cell）杂志上。

加州大学旧金山分校的Wendell A. Lim博士和北京大学的汤超（Chao Tang）教授是这篇论文的共同通讯作者。汤超教授现任美国加州大学旧金山分校教授，北京大学前沿交叉学科研究院理论生物学中心主任，北京大学-加州大学定量生物医学联合研究中心主任等。目前致力于生物分子的网络的理论和实验研究、系统生物学以及生物系统中的理论问题。

生命的本质是以本能为指向，以信息为先导，在环境因素的诱导下进行的自组织过程，这种过程的物质基础是细胞。然而目前对于细胞是如何利用遗传编码分子规则形成整体、自组织结构的还并不是很清楚。

合成生物学是生物科学在二十一世纪出现的一个新兴分子科学。与传统的生物学通过生命体以研究其内在构造的思路不同，合成生物学是从最基本的要素开始逐步构建生物体的零件，通过元件及基因线路从生物装置、模块、细胞到多细胞系统各个层次进行设计和建造工程细胞组成各种生命元件来建立人工生物体体系，使生物体按预想方式完成各种生物学功能，并可由此来了解生物学的基本机制。

在这篇文章中，研究人员利用合成生物学方法探讨了模拟细胞极化的环路设计原理。首先，他们利用一种计算机模型，搜索了所有可能获得极化的简单网络。研究人员发现所有都涉及三个小模体中的一个：正反馈、相互抑制，有正反馈的抑制子。在有限条件下这些小模体可单独获得极化，而组合两个或更多这样的模体则可使环路明显更为稳定。

利用这样的设计原理作为蓝图，研究人员在酵母中构建出了人工的极化网络，利用嵌合信号蛋白工具箱在空间上指导磷脂酰肌醇-3磷酸(PIP3)合成与降解。具有组合模体的环路生成了明确的人造PIP3极化网络，可以持续近一个小时。

在新研究中通过利用定位调控的信号分子，研究人员成功设计出了能够可靠地执行空间自组织程序的简单分子环路。为研究生命的自组织机制提供了一条有潜力的新途径。

论文链接：Designing Synthetic Regulatory Networks Capable of Self-Organizing Cell Polarization