Michael Elowitz在2000年發(fā)表的一項(xiàng)研究，成為合成生物學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)端工作之一。他現(xiàn)在是加州理工學(xué)院生物系、生物工程系及應(yīng)用物理系教授。圖片來(lái)源：Yitong Ma/David Jacobson。2000年1月，剛剛從普林斯頓大學(xué)博士畢業(yè)的Michael B. Elowitz和導(dǎo)師Stanislas Leibler在《自然》雜志報(bào)告，他們?cè)O(shè)計(jì)出首個(gè)基因表達(dá)振蕩器，利用3個(gè)基因模塊彼此間的抑制作用，實(shí)現(xiàn)下游基因表達(dá)信號(hào)的規(guī)律振蕩，就像振蕩電路輸出的規(guī)則波形。這一工作成為合成生物學(xué)這一新領(lǐng)域的關(guān)鍵成果之一。
Elowitz本科畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校物理系，博士訓(xùn)練在普林斯頓大學(xué)物理系完成，博士導(dǎo)師Leibler為生物學(xué)家和物理學(xué)家。
回顧這一開(kāi)創(chuàng)性工作的緣起，Elowitz說(shuō)：“當(dāng)你利用自上而下的策略來(lái)研究一個(gè)線路時(shí)，你無(wú)法確定自己是否遺漏了某些組件。但如果從零開(kāi)始，利用定義明確的組件和相互作用來(lái)構(gòu)建線路的話，那么就可以弄清楚這個(gè)線路是否真的足以控制某種細(xì)胞行為?！?/span>
1997年，Michael Elowitz在普林斯頓大學(xué)攻讀物理學(xué)博士學(xué)位時(shí)，突然萌生了一個(gè)絕妙的想法：如果我們能用 DNA 而不是電子設(shè)備構(gòu)建一個(gè)電路，并用它來(lái)“編程”活細(xì)胞，那會(huì)怎樣？在接下來(lái)的三年里，Elowitz和導(dǎo)師Stanislas Leibler一起努力，研究了這種合成基因線路，并取得了成功。他的最終設(shè)計(jì)，現(xiàn)在被稱為抑制振蕩器(Repressilator)，僅由三個(gè)基因組成，每個(gè)基因編碼一個(gè)抑制子蛋白，抑制環(huán)路中下一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄。具體而言，LacI蛋白特異性地結(jié)合并抑制用于控制TetR蛋白表達(dá)的啟動(dòng)子，TetR蛋白特異性地結(jié)合并抑制用于控制cI蛋白表達(dá)的啟動(dòng)子，最后cI蛋白特異性地結(jié)合并抑制用于控制LacI蛋白表達(dá)的啟動(dòng)子，首尾相連，形成了一個(gè)閉合的遺傳線路。將編碼綠色熒光蛋白的基因置于上述3個(gè)啟動(dòng)子當(dāng)中一個(gè)的下游，當(dāng)工程化的細(xì)胞從一個(gè)抑制子蛋白的表達(dá)循環(huán)到下一個(gè)蛋白表達(dá)時(shí)，它們就會(huì)開(kāi)始在綠色和黑暗之間交替閃爍。至此，Elowitz創(chuàng)造出了基于細(xì)胞的活體振蕩器。
上述材料來(lái)源于1998年在德國(guó)海德堡的一次報(bào)告。Credit: Michael Elowitz
（譯者注：在右圖所示的數(shù)學(xué)公式中，mRNA的濃度取決于自身降解、受抑制子蛋白控制的轉(zhuǎn)錄合成、以及本底的轉(zhuǎn)錄水平。抑制子蛋白的濃度取決于自身降解，以及來(lái)自mRNA的翻譯合成。這兩個(gè)看似簡(jiǎn)單的式子組成了振蕩器的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。）2000年1月，這篇關(guān)于抑制振蕩器的文章發(fā)表在《自然》雜志上。同期背靠背發(fā)表還有另外一篇文章，報(bào)道了被稱為撥動(dòng)開(kāi)關(guān)(Toggle switch)的合成基因線路。這兩篇文章成為了一個(gè)新興學(xué)科領(lǐng)域——合成生物學(xué)——的旗幟性文章。總之，這些早期的合成基因線路證明，工程師們的確可以在活體細(xì)胞里重新創(chuàng)造一些復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)，并且操控它們執(zhí)行全新的功能。換句話說(shuō)，他們可以“編程生物”。Elowitz現(xiàn)在是加州理工學(xué)院生物系、生物工程系及應(yīng)用物理系教授。他最近接受了Asimov Press的專訪。他回顧了自己在研究抑制振蕩器時(shí)的早期疑慮，思考了物理學(xué)家為生物學(xué)帶來(lái)的獨(dú)特哲學(xué)理念，并重點(diǎn)介紹了團(tuán)隊(duì)最近在開(kāi)發(fā)解碼活細(xì)胞機(jī)制的技術(shù)方面已發(fā)表和未發(fā)表的項(xiàng)目。本次采訪內(nèi)容經(jīng)過(guò)了編輯，以便簡(jiǎn)潔明了。Asimov Press：一開(kāi)始就問(wèn)你關(guān)于抑制振蕩器的問(wèn)題，我有點(diǎn)不好意思。每個(gè)人肯定都會(huì)問(wèn)你這個(gè)問(wèn)題。但是當(dāng)我把你的論文和撥動(dòng)開(kāi)關(guān)基因線路的論文放在一起閱讀時(shí)，我注意到了一點(diǎn)，在論文的討論部分你重點(diǎn)關(guān)注合成基因線路對(duì)探究自然生物系統(tǒng)的重要性，而另一篇論文更關(guān)注合成基因線路的商業(yè)潛力。你可以就此展開(kāi)談?wù)剢幔?/span>Michael Elowitz: 嗯，我從事合成生物學(xué)的動(dòng)力往往更多是來(lái)自于基礎(chǔ)研究的角度，希望以此來(lái)探索細(xì)胞的工作原理。不過(guò)我也一直想探究這個(gè)問(wèn)題：我們是否真的可以像計(jì)算機(jī)編程一樣對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編程。這真是一個(gè)非常吸引人的想法。但早年間，實(shí)驗(yàn)室里的一切進(jìn)展都非常慢且困難。甚至像構(gòu)建只有3個(gè)基因，以今天的標(biāo)準(zhǔn)看起來(lái)很簡(jiǎn)單的基因線路，也花了我好幾年的時(shí)間。我不得不去表征每一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元，并嘗試搭建一種方法，使我能夠獨(dú)立測(cè)量每個(gè)抑制子蛋白到下一個(gè)蛋白的傳遞函數(shù)，然后嘗試將它們串聯(lián)成雙基因線路，以此類推。Asimov Press：2000年那一期《自然》雜志出版后不久，合成生物學(xué)領(lǐng)域就開(kāi)始騰飛。你如何看待它的快速發(fā)展？Michael Elowitz: 最初的一段時(shí)間，這個(gè)領(lǐng)域由少數(shù)實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)，但這些實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量不斷增加，他們小步推進(jìn)，逐一實(shí)現(xiàn)了新的生物學(xué)功能：數(shù)字邏輯、計(jì)算和群體感應(yīng)。這些嘗試為后來(lái)更加復(fù)雜的功能奠定了基礎(chǔ)。不過(guò)，我始終堅(jiān)信編程細(xì)胞的愿景，并且覺(jué)得要實(shí)現(xiàn)這一愿景，我們必須了解一些更基本的東西。為了讓我們的遺傳線路發(fā)揮作用，并能夠利用核心的細(xì)胞功能，我們需要了解各種細(xì)胞系統(tǒng)的“應(yīng)用程序接口（API: Application Programming Interface）”，比如轉(zhuǎn)錄、信號(hào)傳遞和細(xì)胞周期等。我們還需要弄清楚一些尚未被定量研究或在單細(xì)胞水平上進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)行為的基本問(wèn)題。例如，在發(fā)表那篇抑制振蕩器的文章后不久，我又開(kāi)展了另一項(xiàng)研究，測(cè)量一種簡(jiǎn)單的響應(yīng)函數(shù)——即抑制子蛋白對(duì)其目標(biāo)基因的定量影響。這是一個(gè)基礎(chǔ)的傳遞函數(shù)，其形狀和波動(dòng)對(duì)于預(yù)測(cè)更大規(guī)模的遺傳轉(zhuǎn)錄線路的行為至關(guān)重要。那是與 Nitzan Rosenfeld、Jon Young、Uri Alon 和 Peter Swain 合作完成的。與此同時(shí)，雖然這些真實(shí)的（對(duì)我來(lái)說(shuō)非常令人興奮的）實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行，而且一些實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了一些有趣的論文，數(shù)量也在不斷增加，但合成生物學(xué)卻被炒作得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。這種炒作似乎超出了該領(lǐng)域的實(shí)際發(fā)展水平。由于我本身比較焦慮的性格，當(dāng)時(shí)我擔(dān)心，如果整個(gè)領(lǐng)域做出的承諾根本無(wú)法在合理時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這種過(guò)度的炒作會(huì)反噬我們所有人。現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看，這種擔(dān)憂其實(shí)是多余的。Asimov Press：你能詳細(xì)解釋一下細(xì)胞應(yīng)用程序接口是什么意思嗎？Michael Elowitz: 我的意思是，這些具有生化性質(zhì)的接口，通過(guò)它們，天然的細(xì)胞功能能夠被合成線路所控制。轉(zhuǎn)錄和翻譯是最明顯不過(guò)的例子，因?yàn)樗鼈兛梢杂脕?lái)表達(dá)任何你感興趣的基因。但是合成線路的性能取決于它們控制盡可能多的內(nèi)源性功能的能力：細(xì)胞周期、生長(zhǎng)、形態(tài)狀態(tài)、與其他細(xì)胞的通信、細(xì)胞的死亡程序、細(xì)胞成分的輸出等等。然而，我們并不清楚這些細(xì)胞系統(tǒng)實(shí)際上如何能夠被合成線路以一種特定的方式所控制，同時(shí)又不會(huì)干擾其他過(guò)程。因此，發(fā)現(xiàn)這些控制節(jié)點(diǎn)——定義細(xì)胞的天然應(yīng)用程序接口——是合成生物學(xué)中非常重要的方面。Asimov Press：抑制振蕩器的想法最初是怎么來(lái)的？Michael Elowitz: 那應(yīng)該是在1996或者1997年的某個(gè)時(shí)候。我還是普林斯頓Stanislas Leibler實(shí)驗(yàn)室的研究生。非常多的人當(dāng)時(shí)在嘗試給不同的生物線路建模，比如趨化性。我當(dāng)時(shí)閱讀了大量關(guān)于不同生物系統(tǒng)的分子生物學(xué)論文，特別是關(guān)于生物鐘的研究，還有一本由Thomas和D’Ari撰寫(xiě)的書(shū)《Biological Feedback》，書(shū)中概述了各種反饋線路的簡(jiǎn)單模型。當(dāng)我閱讀所有這些論文時(shí)，我注意到很多都會(huì)總結(jié)一個(gè)模型，用來(lái)描述從論文的遺傳或者生化測(cè)定中推導(dǎo)出的生物線路。我最深的感受是，這些線路模型真的足夠用來(lái)解釋生物行為嗎？還是它們僅僅是對(duì)觀察到的相互作用的總結(jié)，而可能忽略了很多其他的關(guān)鍵組件？這讓我抓狂。我一直在想，人們?cè)趺床拍軌蛑朗裁聪嗷プ饔煤徒M件是足以用來(lái)解釋某種細(xì)胞行為的？當(dāng)你利用自上而下的策略來(lái)研究一個(gè)線路時(shí)，你無(wú)法確定自己是否遺漏了某些組件。但如果你從零開(kāi)始，利用定義明確的組件和相互作用來(lái)構(gòu)建線路的話，那么就可以弄清楚這個(gè)線路是否真的足以控制某種細(xì)胞行為。這就是我當(dāng)時(shí)的想法。我只想要構(gòu)建一個(gè)基因線路，看看能否讓它執(zhí)行某種特定的細(xì)胞行為。抑制振蕩器就是源于這一高層次的目標(biāo)。但我選擇專注于振蕩器而非其他線路，與我在物理學(xué)中研究各種振蕩器、閱讀過(guò)關(guān)于生物鐘的內(nèi)容密切相關(guān)。最重要的是，我想制作出一些會(huì)發(fā)光閃爍的細(xì)菌的酷炫視頻。我覺(jué)得構(gòu)建出一個(gè)可以“閃爍”的基因線路簡(jiǎn)直太酷了。Asimov Press：抑制振蕩器？一直是這個(gè)名字么？Michael Elowitz: 至少在1999年之前，我一直把它稱為“oscillon”，這個(gè)名字是“oscillator”（振蕩器）和“operon”（操縱子）的混合。但有一天，我看到了一期《自然》雜志的封面上印著“oscillon”這個(gè)單詞。我記得上面寫(xiě)著“發(fā)現(xiàn)oscillon！”或者類似的話。在那種情況下，“oscillon”指的是顆粒介質(zhì)中的一種相干振蕩模式。當(dāng)時(shí)我心想，“糟了，這個(gè)名字被用了?！辈贿^(guò)后來(lái)我很慶幸，因?yàn)椤皉epressilator” 這個(gè)名字其實(shí)更好。除了念起來(lái)很有趣之外，它還與一個(gè)傳統(tǒng)相連：以發(fā)現(xiàn)地命名化學(xué)振蕩器非線性動(dòng)態(tài)模型，比如“布魯塞爾振蕩器”（Brusselator）和“帕洛阿爾托振蕩器”（Palo Altonator）等。Asimov Press：回到你當(dāng)時(shí)正嘗試搭建抑制振蕩器的那個(gè)時(shí)候，你對(duì)這個(gè)項(xiàng)目有什么想法？周圍的人又是怎么評(píng)價(jià)的？Michael Elowitz: 嗯，我那個(gè)時(shí)候的確不知道它會(huì)不會(huì)成功。我不停地詢問(wèn)其他人對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的看法，得到了非常不同的回答。一些知名生物學(xué)家會(huì)說(shuō),“不，這個(gè)絕對(duì)行不通。這玩意兒就不會(huì)成功?！?/span>然后我會(huì)追問(wèn)他們，“那為啥行不通啊？”他們就會(huì)說(shuō)：“生物學(xué)就不是那樣搞的。你無(wú)法預(yù)測(cè)將要發(fā)生什么?！倍碛幸恍┤擞X(jué)得這個(gè)項(xiàng)目聽(tīng)上去很有趣。所以正面和負(fù)面反饋都有?，F(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看還挺有趣的。我那個(gè)時(shí)候真的對(duì)這個(gè)項(xiàng)目感到很興奮。我向非常多的人談起過(guò)它，但隨后又要求他們發(fā)誓保密。這真的有點(diǎn)幼稚。與此同時(shí)，我的導(dǎo)師Stanislas Leibler，一位真正具有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的科學(xué)家，也是我個(gè)人靈感的來(lái)源， 他從始至終都支持這個(gè)項(xiàng)目，我一直對(duì)此心存感激。實(shí)際上， 1998年我的導(dǎo)師在德國(guó)海德堡歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室EMBL學(xué)術(shù)休假期間，我開(kāi)始動(dòng)手構(gòu)建這個(gè)抑制振蕩器。那一年， 我一直都在尋找能找到的最合適的基因調(diào)控元件。Hermann Bujard曾對(duì)細(xì)菌啟動(dòng)子的特性進(jìn)行了非常細(xì)致的研究。這些特性可以讓啟動(dòng)子既有強(qiáng)大的轉(zhuǎn)錄活性又受到嚴(yán)格調(diào)控，而這正是抑制振蕩器正常運(yùn)作所需要的兩個(gè)關(guān)鍵屬性。他當(dāng)時(shí)正好也在海德堡。所以Stan和我從實(shí)驗(yàn)室下山去和他會(huì)面，并向他展示了抑制振蕩器的設(shè)計(jì)。Bujard看了我們的設(shè)計(jì)，提到他之前一直想設(shè)計(jì)構(gòu)造另一個(gè)東西，然后直接畫(huà)出了一個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)基因線路 （Toggle switch）!Asimov Press：哇，這太巧了！當(dāng)你們最終在2000年發(fā)表抑制振蕩器的時(shí)候，是否意識(shí)到它會(huì)與波士頓大學(xué)的 Timothy Gardner、Charles Cantor 和 Jim Collins 構(gòu)建的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)基因線路論文背靠背發(fā)表？估計(jì)當(dāng)時(shí)你認(rèn)為自己是唯一一個(gè)在構(gòu)建合成基因線路的人吧。Michael Elowitz: 是的，我當(dāng)時(shí)完全不知道有人正在構(gòu)建撥動(dòng)開(kāi)關(guān)基因線路，直到我打開(kāi)那期雜志的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)。Asimov Press：當(dāng)你終于讓抑制振蕩器成功運(yùn)行，你是否意識(shí)到那一刻的意義？你是否知道自己正在開(kāi)創(chuàng)一個(gè)全新的生物學(xué)領(lǐng)域？Michael Elowitz: 嗯，在普林斯頓的時(shí)候，沒(méi)有人告訴我如果做成了這個(gè)將會(huì)有多了不起。我完全沒(méi)有收到過(guò)那樣的反饋。而且我自己也從來(lái)沒(méi)有從那些方面考慮過(guò)。我只是覺(jué)得它會(huì)很酷。我是真的想知道它是不是可以實(shí)現(xiàn)，而且腦海里在不斷地想象它實(shí)際運(yùn)行的畫(huà)面。論文發(fā)表后，我做了很多關(guān)于它的學(xué)術(shù)報(bào)告，我覺(jué)得反響是積極的。但直到幾年后，大概是2000年代中期，合成生物學(xué)領(lǐng)域才真正迎來(lái)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。Asimov Press：你發(fā)表抑制振蕩器的研究以后，我聽(tīng)說(shuō)其他人復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果遇到了困難。這個(gè)系統(tǒng)有點(diǎn)難以調(diào)試運(yùn)行。這是真的嗎？Michael Elowitz: 我認(rèn)為情況并不完全是那樣的。不過(guò)，在那篇論文中，我們確實(shí)強(qiáng)調(diào)了動(dòng)態(tài)過(guò)程中的可變性。而且我們觀察到基底熒光水平隨時(shí)間的增加。這是因?yàn)槲耶?dāng)時(shí)使用的實(shí)驗(yàn)條件——將細(xì)菌放在瓊脂糖平板上——并不是穩(wěn)定狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，培養(yǎng)基中的廢棄產(chǎn)物會(huì)逐漸積累，細(xì)胞的生長(zhǎng)速度也變得越來(lái)越慢。多年以后，Laurent Potvin-Trottier、Johan Paulsson及其團(tuán)隊(duì)使用原始的抑制振蕩器，將經(jīng)過(guò)工程改造的細(xì)胞放入微流控通道中的“母機(jī)”（Mother Machine）中。在這種裝置中，他們能夠在恒定條件下追蹤數(shù)百代細(xì)胞的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。結(jié)果顯示，抑制振蕩器基本上能夠永遠(yuǎn)持續(xù)振蕩。不過(guò)，這個(gè)系統(tǒng)確實(shí)存在很大的可變性，而Laurent和Johan后來(lái)在他們的論文中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的解釋。Michael Elowitz: 嗯，這有些反直覺(jué)。最初的抑制振蕩器包含三個(gè)抑制子蛋白，每個(gè)抑制子蛋白都會(huì)抑制下一個(gè)。其中一個(gè)抑制子蛋白是 tetR，它與其操縱子序列結(jié)合得非常緊密。Johan 的研究表明，由于這種結(jié)合非常緊密，振蕩過(guò)程中由tetR 參與階段的結(jié)束需要 tetR 離得足夠遠(yuǎn)才能解除對(duì)其操縱子序列的抑制。但是，由于其結(jié)合過(guò)于緊密，這就需要等待 tetR 的最后幾個(gè)蛋白分子從細(xì)胞中被稀釋掉，這使得系統(tǒng)對(duì)隨機(jī)波動(dòng)非常敏感。而這實(shí)際上是抑制振蕩器動(dòng)態(tài)過(guò)程中最大的不確定性來(lái)源之一。因此Johan 修復(fù)了這個(gè)問(wèn)題，并構(gòu)建了一個(gè)版本，這個(gè)版本的線路精度非常高，可以可靠地振蕩更長(zhǎng)時(shí)間，在約 180 代細(xì)胞分裂過(guò)程中保持其振蕩相位。Asimov Press：當(dāng)人們開(kāi)始使用“合成生物學(xué)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)時(shí)，你對(duì)此怎么看？你覺(jué)得這個(gè)領(lǐng)域現(xiàn)在是否已經(jīng)到了一個(gè)拐點(diǎn)？很多你最初擔(dān)心的炒作如今正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？Michael Elowitz: 我一直很喜歡“合成生物學(xué)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。它非常貼切，類似于化學(xué)領(lǐng)域中的合成化學(xué)和分析化學(xué)。至于這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，是的，我確實(shí)覺(jué)得如此。一些非常瘋狂的設(shè)想仍然遙不可及，但合成生物學(xué)可以讓我們改進(jìn)或創(chuàng)造有用的治療方法，比如真正利用對(duì)細(xì)胞編程的能力，這一基本前提正在慢慢成為現(xiàn)實(shí)。這非常令人興奮。一切都比人們預(yù)期的耗時(shí)更久，但細(xì)胞在很大程度上是一種可編程實(shí)體這一基本前提，似乎是成立的。Asimov Press：細(xì)胞是計(jì)算機(jī)嗎？或者有更好的類比嗎？Michael Elowitz: 用計(jì)算機(jī)作為類比是一把雙刃劍。這種類比很有用，因?yàn)榧?xì)胞是一種可編程的實(shí)體，可以執(zhí)行許多不同的功能。在我們的日常生活中，最接近這種功能的東西就是計(jì)算機(jī)。你可以對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，使其執(zhí)行各種任務(wù)。同樣地，我認(rèn)為細(xì)胞也具備這種特性：你可以編程讓細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂、改變形態(tài)、與其他細(xì)胞交互，甚至完成許多我們難以想象的事情。細(xì)胞是開(kāi)放的可編程系統(tǒng)。我們甚至可以對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編程，讓它們執(zhí)行一些在自然進(jìn)化過(guò)程中并未被賦予的功能。從這個(gè)角度來(lái)看，計(jì)算機(jī)的類比顯然是非常有用且準(zhǔn)確的。但細(xì)胞也在很多方面并不像計(jì)算機(jī)，我認(rèn)為這些區(qū)別同樣重要。細(xì)胞是噪聲化的系統(tǒng)，它們利用這種噪聲在群體水平上調(diào)控行為。細(xì)胞會(huì)自我復(fù)制，并呈指數(shù)增長(zhǎng)——計(jì)算機(jī)可不會(huì)這樣。此外，與通過(guò)導(dǎo)線連接的晶體管不同，細(xì)胞是通過(guò)特定分子相互作用的分子進(jìn)行連接。另一個(gè)例子是負(fù)數(shù)，對(duì)吧？在生物學(xué)中，不可能有一個(gè)分子的濃度為負(fù)的情況，這意味著生物學(xué)必須以獨(dú)特的方式解決問(wèn)題。還有組合性，在生物系統(tǒng)中，信號(hào)是通過(guò)分子組合來(lái)編碼的，這些分子通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)形成不同的復(fù)合體。這些系統(tǒng)在某些方面類似于數(shù)字計(jì)算，但又有很大的不同。所以，讓我對(duì)這個(gè)類比感到擔(dān)憂的是，當(dāng)我們開(kāi)始把電子工程套用在細(xì)胞內(nèi)部的神秘世界時(shí)，可能會(huì)忽略細(xì)胞的獨(dú)特之處。電子工程的一些原則確實(shí)適用于活細(xì)胞，但生物學(xué)最有趣的地方恰恰在于它們的與眾不同之處。Asimov Press：我最近和愛(ài)德華·博伊登（Ed Boyden）交談時(shí)，他有句話讓我深感共鳴：“在增強(qiáng)之前先理解?！?/span>我很好奇，你是否認(rèn)為我們應(yīng)該開(kāi)發(fā)一些工具來(lái)更深入地理解細(xì)胞，從而讓它們變得不那么神秘？在我們能夠可靠地對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編程之前，你覺(jué)得還有哪些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決？Michael Elowitz: 這是一個(gè)很好的問(wèn)題。我認(rèn)為還有許多不同的方面需要探索。比如，我們?cè)诶斫饧?xì)胞如何調(diào)控基因方面已經(jīng)有所進(jìn)步，但我們甚至沒(méi)有能力理性編程一個(gè)基因，讓它在所有類型的細(xì)胞中表達(dá)。 Asimov Press：我們甚至沒(méi)有能力在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)絕大多數(shù)類型的細(xì)胞。Michael Elowitz: 真的是。我們也無(wú)法追蹤一個(gè)細(xì)胞中所有激酶的活動(dòng)，或者類似的情況。因此，當(dāng)你考慮到在一個(gè)細(xì)胞中所有不同層次的信息和狀態(tài)，以及它的空間和時(shí)間上的組織結(jié)構(gòu)，然后再將這些與我們當(dāng)前能夠讀取和操控的能力進(jìn)行比較，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上相當(dāng)原始。在系統(tǒng)層面，遞送是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。我們可以設(shè)計(jì)出在培養(yǎng)皿中完美運(yùn)行的合成基因線路，但將這些基因?qū)爰?xì)胞仍然很困難。所以我認(rèn)為這是一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。另一個(gè)問(wèn)題是免疫原性。例如，當(dāng)我們開(kāi)始考慮治療性線路時(shí)，我們?nèi)绾斡媚骋环N方式設(shè)計(jì)這些組件以避免觸發(fā)免疫反應(yīng)？Asimov Press：看起來(lái)你的實(shí)驗(yàn)室正在嘗試開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)來(lái)填補(bǔ)這些空白。但我們?cè)谏飳W(xué)中的未知，是否會(huì)影響你們決定開(kāi)發(fā)哪些工具？還是你們只是根據(jù)自己的創(chuàng)造性興趣來(lái)選擇方向？Michael Elowitz: 都有。很多時(shí)候我們開(kāi)發(fā)工具，是因?yàn)槲覀兿胂蟮搅四承〇|西，并且真的希望它能夠成為現(xiàn)實(shí)。比如我實(shí)驗(yàn)室的Felix Horns等人開(kāi)發(fā)的RNA Exporter就是一個(gè)例子。這個(gè)工具的靈感源于這樣一個(gè)想法：每個(gè)人都在研究RNA，分析轉(zhuǎn)錄組及其隨時(shí)間的變化非常有價(jià)值，但這些工具都需要?dú)⑺兰?xì)胞。而我們想要了解動(dòng)態(tài)過(guò)程，探索如何跟蹤RNA的變化。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，讓細(xì)胞將RNA打包到胞外囊泡中并分泌出來(lái)。通過(guò)測(cè)定這些從細(xì)胞中分泌的RNA序列，你就可以在不殺死細(xì)胞的情況下追蹤細(xì)胞的動(dòng)態(tài)過(guò)程。RNA Exporter還催生了另一個(gè)與遞送問(wèn)題相關(guān)的應(yīng)用。我們一直想找到更好的方法，將合成基因線路遞送到細(xì)胞中，從而將其用作治療手段。我們想知道什么是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳遞送方式。我們認(rèn)為將合成線路運(yùn)送到細(xì)胞最好的遞送載體可能是另一種細(xì)胞本身。然后我們開(kāi)始思考：如果我們可以編程讓某種細(xì)胞定位到身體的特定部位，識(shí)別位于該部位的目標(biāo)細(xì)胞，然后讓這種“遞送細(xì)胞”啟動(dòng)并開(kāi)始分泌RNA，那會(huì)怎么樣？這些分泌的RNA可以只轉(zhuǎn)染目標(biāo)細(xì)胞。因此，RNA Exporter不僅為追蹤RNA分子隨時(shí)間的變化提供了一種手段，也可能成為一種遞送RNA的潛在新方法。Asimov Press：這非常有意思。你的研究是從富有想象力的大問(wèn)題開(kāi)始，逐步探索，最終開(kāi)發(fā)出實(shí)用但是極具創(chuàng)新性的技術(shù)。Michael Elowitz: 是的。當(dāng)然，我們也可以僅僅使用現(xiàn)有的工具，專注于通過(guò)它們來(lái)構(gòu)建生物線路。但我覺(jué)得，每當(dāng)你擴(kuò)展合成生物學(xué)的工具箱時(shí)，這個(gè)過(guò)程總會(huì)帶領(lǐng)你發(fā)現(xiàn)一些有趣的新方向。當(dāng)然，你不可能做所有的事情，所以你需要選擇專注于哪些工具。很多時(shí)候，我的興趣在于那些在機(jī)制或?qū)徝郎虾軆?yōu)雅的東西：精巧美學(xué)的解決方案將為我們開(kāi)啟一種全新的生物學(xué)研究。Asimov Press：最后一個(gè)問(wèn)題：為什么物理學(xué)家在歷史上往往能成為最重要的生物學(xué)家之一？Michael Elowitz: 天真？自負(fù)？或者是一種對(duì)于自然可理解性的信念？我也不確定。有許多物理學(xué)家進(jìn)入生物學(xué)領(lǐng)域的精彩例子。但我認(rèn)為我們應(yīng)該對(duì)此保持謹(jǐn)慎。各種背景的人都以不同的方式為生物學(xué)做出了貢獻(xiàn)。Asimov Press：但這難道是一種巧合嗎？物理學(xué)家在分子生物學(xué)開(kāi)端的重要影響，或者包括你在內(nèi)的物理學(xué)家開(kāi)創(chuàng)了合成生物學(xué)領(lǐng)域。Michael Elowitz: 我覺(jué)得這也許和物理學(xué)的推理、思考和解決問(wèn)題的方式有關(guān)。物理學(xué)家注重將問(wèn)題簡(jiǎn)化到本質(zhì)，設(shè)想一個(gè)問(wèn)題的最簡(jiǎn)單案例，并以最簡(jiǎn)單的方法去解決。同時(shí)，他們也非常重視定量分析。如果你想想最初的合成基因線路，它們正是這種思維的體現(xiàn)。它們完全是任何人都想象得到的最簡(jiǎn)單但卻不凡的線路。但在生物學(xué)中，我們不斷發(fā)現(xiàn)生物系統(tǒng)比我們想象的要復(fù)雜得多。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了TGF-β信號(hào)通路，然后又發(fā)現(xiàn)了所有這些調(diào)控因子，以及這些調(diào)控因子調(diào)控其他的調(diào)控因子。因此，生物學(xué)本質(zhì)上是一個(gè)揭示和解構(gòu)所有這些復(fù)雜性的無(wú)止境的過(guò)程。而合成的方法——通過(guò)構(gòu)建來(lái)理解——其實(shí)是在倡導(dǎo)科學(xué)家應(yīng)該從最簡(jiǎn)單的可能的線路出發(fā)，觀察其功能，并在此基礎(chǔ)上逐步構(gòu)建。我認(rèn)為這種風(fēng)格對(duì)物理學(xué)家很有吸引力，對(duì)我而言也非常有吸引力。但這兩種方法——合成生物學(xué)和“真實(shí)”的生物學(xué)——是相輔相成的。我們不想要只存在其中一種方法的世界。對(duì)于諸如“細(xì)胞內(nèi)振蕩器如何工作？”這樣的問(wèn)題，需要從兩個(gè)方向同時(shí)入手。你需要有人繪制出天然振蕩器的組成部分并弄清它們是如何相互作用的。但同時(shí)，也需要有人提出這樣的思考：“好的，但是為什么我們需要這種復(fù)雜性？能夠產(chǎn)生這種行為的最小線路是什么？這種最小線路對(duì)噪聲或溫度有多敏感？如何使其運(yùn)行得更加穩(wěn)?。考?xì)胞內(nèi)是否存在振蕩器之外的其他補(bǔ)償機(jī)制來(lái)增強(qiáng)其穩(wěn)健性？”很多時(shí)候，真正弄清楚某件事物如何運(yùn)行的唯一方法，就是親自控制這些相互作用。這需要親手構(gòu)建這樣的系統(tǒng)，觀察它的運(yùn)作。我認(rèn)為這種沖動(dòng)在生物學(xué)領(lǐng)域由來(lái)已久，只是直到最近我們才有了所需的實(shí)現(xiàn)它的基礎(chǔ)遺傳工程工具。
譯者簡(jiǎn)介：
賴勇，香港科技大學(xué)助理教授；陳子博，西湖大學(xué)助理教授。
本文原標(biāo)題為“Synthetic Origins”，2024年4月2日首發(fā)于Asimov Press，《知識(shí)分子》獲授權(quán)翻譯并發(fā)布中文譯文。
原文鏈接：
https://press.asimov.com/articles/synthetic-origins
