Cell：浙大/西湖大学/国防科大/之江实验室合成生物学领域再创新高！

来源：丁香学术

你知道么，计算机居然也可以辅助进行全细胞设计了！众所周知，精准控制基因表达对于实现高效、安全的基因和细胞治疗至关重要。其中，合成生物学在细胞疗法就是通过设计和改造细胞来治疗疾病。合成生物学，是一门基于多学科交叉，采用工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造、乃至重新合成 「人工生命」 的学科。此外，合成生物学的一大目标就是通过设计基因线路来控制生物系统的行为，从而使它们执行多样的功能。目前，多种合成生物系统（如细菌、酵母、植物和哺乳动物细胞等）已经被应用于疾病的诊断和治疗等领域。然而，合成生物学基因开关大多基于转录调控系统，不仅信号感知和决策速率慢，而且在应对位于细胞质内的疾病标记物时，也表现的束手无策。此外，面对如此多样的应用场景，对基因线路设计也提出了巨大的挑战。因此，发掘调控基因表达的生物元件并提出不同的基因线路设计策略就显得尤为重要。

2024 年 7 月 31 日，浙江大学邵佳伟、西湖大学解明岐、之江实验室王慧、以及国防科技大学朱凌云研究团队共同在 Cell 发表研究，探讨了一种「三态门」电路/逻辑（TriLoS）基因网络的多层次计算模型，并利用该方法来设计基因线路的策略，为人体细胞编写「代码」，旨在实现在哺乳动物细胞中的精确基因调控和生物计算。研究表明，工程化的基因网络不仅可以用于调控基因表达水平，同时也还能够实现特定条件下的 mRNA 环化及蛋白质水平的精确调节。总的来说，该研究通过工程化的三态逻辑基因网络展示了在哺乳动物细胞中实现精确基因调控和生物计算的可能性，为未来生物医学研究和治疗方法的发展提供了新的思路和技术支持！

图 1 相关研究（图源：Cell）

1. VA 和 Gra 调控三态缓冲器的设计和构造

本研究所设计的「三态门」缓冲器在合成生物学方面有哪些应用呢？为了探究该科学问题，研究人员设计并构建了受 Vanillic acid（VA）和 Grazoprevir（Gra）调控的「三态门」缓冲器，并在哺乳动物细胞中通过遗传工程的方法加以实现。研究结果显示，通过这种设计，能够实现四种不同类型的「三态门」缓冲器：BUFIF1、NOTIF1、BUFIF0 和 NOTIF0。此外，这些缓冲器在生物学上也能够模拟电子电路中的 AND、NOR 和 NIMPLY 等逻辑门的功能。具体而言，该研究发现 BUFIF1 类似于 AND 门，NOTIF0 类似于 NOR 门，而 BUFIF0 和 NOTIF1 则类似于 NIMPLY 门（图 2）。这种基于 VA 和 Gra 所调控的「三态门」缓冲器设计不仅有助于提高基因电路的模块化和灵活性，同时也将为细胞治疗策略的设计提供了新的工具和方法。

图 2 遗传「三态门」缓冲器的分子结构和设计原理（图源：Cell）

2. 基于扩展 TriLoS 的基因电路，用于多输入、多输出的生物计算

基于「三态门」电路/逻辑（tristate-based logic synthesis, TriLoS）框架在生物计算领域有哪些应用呢？为了探究该科学问题，研究人员利用工程化的「三态门」缓冲器作为基本信号处理单元，并构建了多层次的计算基因网络。这些网络可以灵活地组合成各种生物医学应用中的计算逻辑（例如，布尔计算器的构建）。研究结果表明，当由 Gra 触发时，每个单独的开关都以高度自主的方式运行，并在哺乳动物细胞中能够表现出稳健且无干扰的性能（图 3）。除此之外，研究人员还将两组 Gra 稳压的 BUF/NOT 开关插入 VA 控制的上游模块的输出线上，并建立了一个基于 TriLoS 的开关板，结果发现其能够处理输入和输出基因表达逻辑（图 3），这进一步展示了如何构建各种生物医学应用的计算逻辑。总的来说，该研究展示了利用 TriLoS（三态逻辑综合框架）构建复杂计算基因网络的潜力，并将能够为生物医学领域中的个性化治疗和精确医学提供了新的技术支持和研究方向。

图 3 基于 TriLoS 的基因电路以产生多个输出通道（图源：Cell）

3. 用于体内基于细胞的糖尿病治疗的生物计算机方法

生物计算机究竟能否用于疾病的治疗呢？为了探究该科学问题，研究人员通过寻求增量复杂性来构建基于细胞的布尔计算器，同时以糖尿病是这一慢性疾病为例开发可编程的基于基因和细胞的疗法。研究结果表明，输入信号可以根据实际发病精确协调不同治疗输出信号的分泌，尤其是对于大多数 2 型糖尿病（type 2 diabetes, T2D）患者来说，胰高血糖素样肽 1（glucagon-like peptide 1, GLP-1）或胰岛素（insulin, INS）都是符合要求的治疗方法。然而，随着 INS 耐药性的进展，GLP-1 可能成为主要的治疗选择。从生物计算的角度来看，该研究发现这种治疗方案可以通过简化的布尔真值表来进行概括（图 4）。除此之外，该研究也发现，由 BUFGLP-1IF0、NOTGLP-1IF1 和 BUFINS 所组成的分层网络也能够提供 INS 和 GLP-1 生产算法由两种不同的输入信号（图 4）。总的来说，TriLoS 不仅允许在哺乳动物细胞中使用最大简化的编码策略来映射各种复杂的目标逻辑公式，同时也提供了具有可设计和疾病特异性治疗逻辑的可编程细胞疗法的前景。

图 4 用于体内基于细胞的糖尿病治疗的治疗性生物计算机（图源：Cell）

总的来说，该研究不仅建立了针对多层次基因网络定制的标准化编程语言，同时也还展示了这种方法在布尔计算器和细胞治疗等方面的理论可行性。

该研究成果将能够为未来生物计算机设计的发展提供了重要的理论和实验基础，同时也有望在生物医学和其他领域带来深远的影响！

通讯作者：（上下滑动查阅）

邵佳伟，博士，浙江大学国际医学院、浙江大学国际健康医学研究院、浙江大学医学院附属第四医院，研究员，青年 PI。邵佳伟博士毕业于华东师范大学，并在西湖大学完成博士后研究工作，于 2021 年 11 月加入浙江大学。研究方向主要为哺乳动物合成生物学，完成远红光控制转基因表达技术平台的构建，实现光照治疗糖尿病，并将电子、电讯与光遗传学相结合，设计开发出基于智能手机的糖尿病智能诊疗系统；将光遗传学与 CRISPR/Cas9 技术相结合，开发出使用远红光控制内源基因表达的装置，并实现使用远红光操纵细胞命运。在国际学术期刊 Science Translational Medicine、PNAS、Science、Science Advances、Nature Communications 等发表论文 8 篇，并获得国家授权专利 6 项。目前课题组主要研究方向包括：1）新型合成生物学工具开发；2）新型疾病智能诊疗技术开发；3）新型智能病毒载体开发等。

朱凌云，教授，现为国防科技大学理学院生物与化学系系主任，主要从事合成生物学和分子代谢方面研究，主持国家自科基金、国防项目等项目；获教育部自然科学奖一等奖，发表 SCI 论文 40 余篇，入选 ESI 高被引用论文多篇；多次指导学员获得国际大赛金奖等，获挑战杯湖南省优秀指导教师等荣誉称号。

解明岐，2017 年在瑞士苏黎世联邦理工大学（Eth Zürich）获得博士学位，并于 2019 年 8 月全职加入西湖大学生命科学学院，担任研究员、助理教授（独立 PI）一职，同期成立生物系统工程实验室。长期从事合成生物学和代谢疾病治疗相关领域研究，主要涉及基因调控、细胞工程和细胞治疗等多个研究方向，并作为项目负责人或科研骨干主持/参与多个欧盟科研课题。通过利用合成生物学技术，对哺乳动物细胞进行独特的精准调控，从而设计出可自主治疗多种代谢病的「智能细胞」（designer cells）。解明岐博士设计、合成的人工类 β 细胞（β-cell-mimetic designer cells）能够实时检测葡萄糖等分子指标，并相应地生产和释放胰岛素等药物蛋白，从而实现糖尿病等代谢性疾病的自动化医疗。在未来，将实现自动化治疗的各类智能细胞有望革命性地取代医学上的多种传统诊断、治疗和防御措施。目前，解明岐博士主持或参与设计的针对糖尿病、肝损伤和神经性疼痛等多种智能细胞治疗方案总共在国际顶级学术期刊 Science、Cell、Science Translational Medicine、Nature Biomedical Engineering、Nature Reviews Molecular Cell Biology、Nature Communications 等发表论文 12 篇、综述 4 篇，引起了国际媒体的广泛关注和学术同行的正面引用。

参考资料：

Shao JW, Qiu XY, Zhang LH, et al. Multi-layered computational gene networks by engineered tristate logics. 2024 Sep 5;187:1-17.