研生试剂-生命科学生物工程将成为组装生命的生物工厂

对于以电子工程为模式的生物技术，生物组件是它的基础

　　虽然“基因工程”这个词已至少用了30年，DNA重组技术也是现代生物学研究的主流技术，但是大多数生物工程学家所进行的生物相关研究，却与工程技术鲜有共同之处。其中一个原因就是，现有的生物工具，在标准化和实用性方面还没有达到与其他工程技术领域相应的水平；而另一个原因，则是生物学的研究方法和思路还有待改进，尽管生物学研究已经 深受工业技术的影响。

　　举例来说，电子工程的转型起始于1957年。那一年，美国Fairchild半导体公司(这家公司的所在地就是后来的硅谷)的琼·霍尔尼(Jean Hoerni)和罗伯特·N·诺伊斯(Robert N.Noyce)发明了平面技术。这是一种利用光掩模(photomask)，在硅晶圆(silicon wafer)内，对金属及化学物质进行层叠和刻蚀的系统。利用这种新技术，工程师们不仅能够出品质稳定的、简洁的集成电路，还能通过改变光掩模的模式，出各种类型的电路。此后不久，工程师们就可以对前人所设计的简单电路进行选择组合，设计出更加复杂、应用范围更广的电路。

　　在那个年代，电子电路的标准方法还比较原始，只是将电路的各个晶体管(transistor)逐一串连起来。这是一种手工过程，其产品质量参差不齐，被新兴电子工业界*为技术瓶颈。相反，平面技术则大步前进，进展速度惊人，与的摩尔定律(Moore’s Law)所提出的速度相差无几。

　　半导体芯片的设计技术与方法学相结合的产物—— 芯片厂(chip fab)，已成为*zui成功的工程范例之一。它也为另一新兴技术领域—— 生物体系业，提供了宝贵的发展模式。

　　实际上，今天的基因工程师所使用的方法，仍处于较原始的阶段。正如我们的同事，美国麻省理工学院人工智能实验室的汤姆·奈特(Tom Knight)所说的那样：“DNA序列的组装技术没有标准化，致使每一次DNA组装反应在自身还处于实验阶段的同时，就不得不充当解决目前研究课题的实验工具。”

　　生物工程在方法和组件上的标准化，可以促使兼容组件设计库建立，并使组件的加工外包成为可能。理论与的分离，使生物工程师能够自由地构想更加复杂的装置，并应用强大的工程工具(例如计算机辅助设计)，来处理由此而来的复杂性。

　　生物零件

　　2000年，当时就职于美国普林斯顿大学(Princeton University)的迈克尔·埃洛威茨(Michael Elowitz)和斯坦尼斯拉斯·莱布勒(Stanislas Leibler)，以及美国波士顿大学(Boston University)的柯林斯、蒂姆·加德纳(Tim Gardner)和查尔斯·坎托(Charles Cantor)等人，利用生物零件(biobrick)了*批基本电路元件：一个环形振荡器和一个扳键开关。他们的研究代表了人造功能性生物电路的成功。而早在1975年，科学家们就已经知道，自然界的生物正是利用此类电路来调控它们的基因——从知道到成功，科学家们用了整整25年的时间！

　　埃洛威茨和莱布勒的环状振荡器很好地阐释了何为生物电路。振荡器的基本电路是一个质粒(plasmid，环状DNA)，该质粒带有三个基因：tetR、lacI和λcI，分别编码三种蛋白：TetR、LacI和λcI。任何基因翻译成蛋白质的首要条件是，聚合酶(polymerase)与基因上游区域的启动子(promoter)结合。随后，聚合酶将基因转录为信使RNA(messenger RNA)，然后信使RNA被翻译成蛋白质。如果聚合酶不能与启动子结合，那么基因就不能被翻译，也就不能生成蛋白质。

　　埃洛威茨和莱布勒给三个基因的蛋白产物分配了特殊的任务：选择性地与另外一个基因的启动子结合。如此一来，LacI蛋白与tetR的启动子结合，λcI蛋白与lacI基因的启动子结合，而TetR蛋白则与λcI基因的启动子结合。这种关联性使得一个基因的蛋白产物能够阻遏聚合酶与另一个基因的启动子结合。因此，这三种蛋白的生成构成了一个振荡循环：大量LacI蛋白的生成抑制了tetR基因的表达；TetR蛋白的缺失使λcI基因得以表达；而λcI蛋白又抑制LacI蛋白的生成，这个过程不断循环。

　　若将该循环中的一个基因与表达绿色荧光蛋白的基因相连，再将整个电路转入一个细菌中，那么你就会发现神奇的一幕：这个细菌会像节日彩灯般闪烁！与之相似，柯林斯小组研制的基因扳键开关也可用于细菌的程序化：一旦细菌的DNA受损，那么在细菌周围就会出现一种跳跃着绿色荧光的“菌苔”！