科学家发现生理属性直接影响某些细菌宿主的遗传回路性能

合成生物学是一门不断发展的科学学科，涉及重新设计自然存在的生物体以表达新的、有用的属性。这些工程生物体可用于解决传统方法无法解决的问题。

广泛宿主范围(BHR)合成生物学是一个新兴领域，旨在通过利用自然进化的微生物世界的丰富多样性来扩大模型宿主或“底盘”库。底盘提供了表达来自不同生物体的异源基因的平台。它们必须经过基因改造才能发挥作用。在探索这个新维度时，合成生物学家发现遗传回路(编码 RNA 或蛋白质的生物部分的组合)根据宿主环境发挥不同的功能。这种现象被称为“底盘效应”，可能会阻碍工程生物的发展。然而，关于底盘效应的潜在生物特性的信息很少。

为了填补这一知识空白，挪威北极大学的 Hans C. Berstein 教授及其同事着手研究系统发育和生理相关性与遗传回路性能的相关性。他们的研究发表在2023 年 8 月 16 日的《BioDesign Research》第 5 卷上 。

Berstein 教授表示：“填补这一知识空白不仅有助于减轻底盘效应带来的不确定性程度，还可以为 BHR 合成生物学应用提供更强的预测能力，并有助于拓宽生物设计应用的可用设计空间。”

先前的研究表明，基因组相关性(基于血统相同的基因等位基因相关)以及生理属性可能是遗传回路性能的潜在预测因子。然而，这些研究仅评估了单个底盘模型中的单个或少数属性。为了克服这个缺点，研究人员对模型和非模型生物体中的大量变量进行了全面分析。他们通过表征六种不同的伽马变形菌物种中基因反相电路(一种基因工程电路，接收一种阻遏蛋白的浓度作为输入，并发送另一种阻遏蛋白的浓度作为输出)的性能，证明了底盘效应。

首先，他们通过幂等克隆(BASIC)协议的生物部分组装标准将遗传电路反相器克隆到 pSEVA231 载体(载体)中来组装质粒 pS4。该反相器包含两个诱导性拮抗表达盒，以 mKate(荧光蛋白)和 Superfolder GFP(GFP，绿色荧光蛋白)作为报告基因。该回路可以使用 L-阿拉伯糖 (Ara) 和脱水四环素 (aTc) 诱导。

接下来，他们使用电穿孔将 pS4(包含反相蛋白)引入 6 个 Gamma 变形菌种，即大肠杆菌、H. aestusnigri、H. oceani、假单胞菌 deceptionensis M1、荧光假单胞菌和 恶臭假单胞菌。通过对基因工程细菌及其野生型(非工程)细菌的生长模式分析，他们发现密切相关的宿主具有相似的生理机能。

接下来，他们继续比较系统发育相关性对反相器表达与宿主生理学的影响。流式细胞术分析表明，尽管所有含有宿主的反相器在诱导时都会发出荧光信号，但宿主之间的反相器表达存在差异，建立了清晰且可量化的底架效应。

为了量化底盘效应，使用切换测定评估相同诱导条件下的宿主荧光。研究人员发现，相同的逆变器电路在生理上不同的底盘中表现截然不同。然后，研究人员开始评估底盘效应是否更多地受到宿主生理学或系统发育相关性的影响。两项测试都表明，逆变器性能仅与宿主生理学相关，而不与系统发育相关性相关。这证实了宿主生理学属性是伽马变形菌宿主内逆变器电路性能的有效且可靠的预测因子。

汉斯教授最后说：“随着我们驯化更实用的微生物作为新的底盘，我们控制和预测宿主环境效应的能力也必须提高。我们的研究结果通过改进底盘效应的预测为实现这一目标做出了贡献。”

总的来说，这项研究为合成生物学新的高级篇章的开始铺平了道路。显然，在用于生物学研究的非模型或尚未建立的模型生物体中拥有遗传电路/装置是可能的。

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