清華新聞網(wǎng)2月14日電 合成生物學(xué)的核心目標(biāo)之一是通過(guò)設(shè)計(jì)并構(gòu)建基因線路,，精準(zhǔn)控制生物體的行為,，以實(shí)現(xiàn)特定的功能。在線路設(shè)計(jì)過(guò)程中,，可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)是提高設(shè)計(jì)效率和實(shí)現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵,。可預(yù)測(cè)的基因線路設(shè)計(jì)使科學(xué)家能夠更高效地調(diào)控生物體對(duì)外界刺激的響應(yīng),，從而動(dòng)態(tài)調(diào)控其表型,。植物作為地球上最重要的生命形式之一，因其在農(nóng)業(yè)和環(huán)境適應(yīng)方面的巨大潛力，成為了基因線路設(shè)計(jì)和改造的重要研究對(duì)象,。然而,，植物系統(tǒng)的高度復(fù)雜性與較長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期，使其在基因線路研究領(lǐng)域相對(duì)滯后,。因此,，開(kāi)發(fā)一種高效、可預(yù)測(cè)的基因線路設(shè)計(jì)框架,，對(duì)于加速植物合成生物學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義,。
近日，清華大學(xué)藥學(xué)院張數(shù)一團(tuán)隊(duì)提出了一種新型植物基因線路設(shè)計(jì)框架,。該研究通過(guò)引入相對(duì)啟動(dòng)子單位（RPU）概念,，結(jié)合原生質(zhì)體瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)和定量建模方法，實(shí)現(xiàn)了遺傳元件的快速表征,，大幅提高了研究效率,，將實(shí)驗(yàn)迭代周期從大于2個(gè)月縮短到了10天之內(nèi)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了正交傳感器和NOT門(mén)元件庫(kù),，并基于精確的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè),，成功設(shè)計(jì)并構(gòu)建驗(yàn)證了可在植物中動(dòng)態(tài)調(diào)控表型的基因線路。這一研究框架為植物基因線路的可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)和表型重編程提供了新方法,，探索了從基因線路可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)到表型重編程的連接,。
圖1.植物基因線路可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)框架
在基因線路設(shè)計(jì)中，遺傳元件的定量表征是確保設(shè)計(jì)可預(yù)測(cè)性的基礎(chǔ),。然而,，傳統(tǒng)的植物系統(tǒng)表征方法耗時(shí)且易受實(shí)驗(yàn)條件變化的影響，難以實(shí)現(xiàn)高效和穩(wěn)健的表征,。為此,，研究團(tuán)隊(duì)在本研究中引入了相對(duì)啟動(dòng)子單位（RPU, Relative Promoter Unit）的概念。RPU是一種基于標(biāo)準(zhǔn)化方法的定量指標(biāo),，能夠消除實(shí)驗(yàn)條件對(duì)啟動(dòng)子強(qiáng)度測(cè)量的影響,。結(jié)合原生質(zhì)體瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)成功建立了一個(gè)快速且準(zhǔn)確的遺傳元件表征平臺(tái),。
圖2.RPU作為原生質(zhì)體的標(biāo)準(zhǔn)化定量方法
在這一平臺(tái)上,，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并表征了一組正交的遺傳元件，包括不同強(qiáng)度的啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄因子,；隨后測(cè)試表征了一組正交傳感器與NOT門(mén)元件庫(kù),，為基因線路組裝和表型重編程奠定基礎(chǔ)。在得到了經(jīng)過(guò)良好表征的傳感器與NOT門(mén)元件之后,，研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建并驗(yàn)證了21個(gè)基因線路,，涵蓋14種邏輯運(yùn)算類型,。更為重要的是，通過(guò)將元件參數(shù)納入基因線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型,，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因線路性能的高度預(yù)測(cè)（R2=0.81）,。
圖3.可預(yù)測(cè)的基因線路設(shè)計(jì)
最后，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了這一框架在活體植物中的適用性,。分別以擬南芥和煙草為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，設(shè)計(jì)并測(cè)試了能夠?qū)崿F(xiàn)多狀態(tài)表型控制的基因線路。這些線路可根據(jù)輸入化學(xué)信號(hào)的不同動(dòng)態(tài)調(diào)控植物表型,。在擬南芥中,，通過(guò)基因線路設(shè)計(jì)精確調(diào)控了根部基因表達(dá)模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界信號(hào)的邏輯判斷,；在煙草中,，應(yīng)用基因線路成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)超敏反應(yīng)（HR, Hypersensitive Response）的邏輯控制。與目前植物中常見(jiàn)的硬編碼基因線路（hard-coded）相比,，這一設(shè)計(jì)框架表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),。硬編碼線路通常需要針對(duì)每種表型狀態(tài)獨(dú)立設(shè)計(jì)并轉(zhuǎn)化特定的DNA序列，過(guò)程復(fù)雜且難以靈活調(diào)控,。而新框架通過(guò)整合正交元件和精確建模,，在單一線路中實(shí)現(xiàn)了多狀態(tài)的控制，無(wú)需改造基因序列,。
圖4.可預(yù)測(cè)基因線路在活體植物中的表現(xiàn)
該研究提出的植物基因線路可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)框架為植物合成生物學(xué)開(kāi)辟了新方向,，加速了遺傳元件表征和線路設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)在植物系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高效,、可預(yù)測(cè)的表型重編程,。這一框架的成功應(yīng)用展示了植物基因線路可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的潛力，為植物的基因工程和代謝優(yōu)化等方面提供了更多可能,。隨著這一框架的進(jìn)一步完善和應(yīng)用,，未來(lái)植物的基因改造將變得更加精準(zhǔn)和高效，推動(dòng)植物生物技術(shù)和綠色農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,。
相關(guān)研究成果以“植物表型重編程的預(yù)測(cè)遺傳線路設(shè)計(jì)”（Predictive genetic circuit design for phenotype reprogramming in plants）為題,，于1月16日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)藥學(xué)院已畢業(yè)博士孔辭為論文第一作者（現(xiàn)工作單位為北京生命科技研究院）,，清華大學(xué)藥學(xué)院張數(shù)一副教授為論文通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院博士生楊銀和生命學(xué)院,、植物生物學(xué)研究中心齊天從研究員為該研究作出了重要貢獻(xiàn),。研究得到國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金,、清華大學(xué)篤實(shí)專項(xiàng)基金和北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心的資助,。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56042-2
供稿：藥學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
