Nature：合成生物学的五个硬道理！基因表征、细胞兼容、计算建模上的难点！

生物部分可以是任何东西，从编码特定蛋白质的DNA序列到启动子（促进基因表达的序列）。问题是许多部分没有很好地表征。它们并不总是经过测试以显示它们的作用，即使经过测试，它们的性能也会随着不同的细胞类型或不同的实验室条件而改变。

例如，位于剑桥麻省理工学院的标准生物部件登记处有5,000多个部件可供订购，但不保证其质量，主任RandyRettberg说。大多数是由参加国际基因工程机器(iGEM)竞赛的本科生送来的，这是一项始于2004年的年度赛事。在竞赛中，学生使用“工具包”中的零件或开发新零件来设计合成生物系统。但是许多竞争对手没有时间彻底表征零件。

Keasling说，即使知道每个部分的功能，将这些部分放在一起时也可能无法按预期工作。合成生物学家经常陷入费力的试错过程，这与其他现代工程学科中更可预测的设计程序不同。

“我们仍然像莱特兄弟一样，把木头和纸放在一起，”西班牙巴塞罗那基因组调控中心的系统生物学家LuisSerrano说。“你驾驶一种东西，它坠毁了。你尝试另一种东西，也许它飞得更好一些。”

马萨诸塞州波士顿大学的生物工程师吉姆·柯林斯(JimCollins)和他的同事在酵母中实施一种称为拨动开关的系统时多次失败。他的实验室大约十年前在大肠杆菌中建立了一个实验室：该团队想让细胞表达一个基因——称之为基因A——然后用化学信号提示它们关闭A并表达另一个基因B。但是细胞拒绝连续表达B；他们总是转回表达A。Collins说，问题在于控制这两个基因的启动子不平衡，因此A压倒了B。他说，花了大约三年的时间调整系统才能使其发挥作用。计算机建模可以帮助减少这种猜测。

随着电路变得越来越大，构建和测试它们的过程变得更加艰巨。由Keasling的团队开发的系统使用大约十几个基因在微生物中产生抗疟化合物青蒿素的前体，这可能是该领域被引用最多的成功案例。Keasling估计它已经花费了大约150人年的工作，包括发现参与该途径的基因以及开发或改进部分以控制它们的表达。例如，研究人员必须测试许多零件变体，然后才能找到能够充分增加消耗有毒中间分子所需的酶产量的结构。

在伯克利，合成生物学家J.ChristopherAnderson和他的同事正在开发一种让细菌完成这项工作的系统。经过改造的大肠杆菌细胞，称为“组装”细胞，正在配备可以切割和缝合DNA部分的酶。其他被设计为“选择”细胞的大肠杆菌细胞将从剩余部分中挑选出完整的产品。该团队计划使用称为噬菌粒的病毒样颗粒将DNA从组装器运送到选择细胞。安德森说，该系统可以将一个BioBrick组装阶段所需的时间从两天缩短到三个小时。

合成生物学家还必须确保系统可靠运行。细胞内的分子活动容易出现随机波动或噪音。生长条件的变化也会影响行为。从长远来看，随机产生的基因突变可以完全破坏功能。

帕萨迪纳加州理工学院的合成生物学家迈克尔·埃洛维茨(Michael Elowitz)大约在十年前观察到细胞的随机能力，当时他的团队建造了一个基因振荡器。该系统包含三个基因，它们的相互作用导致荧光蛋白的产生上下波动，使细胞闪烁。然而，并不是所有的细胞都以同样的方式做出反应。有些更亮，有些更暗；有些人眨眼更快，有些则更慢；有些细胞完全跳过了一个周期。

Elowitz说，差异的产生可能有多种原因。细胞可以突发而不是稳定地表达基因。细胞还可能含有不同数量的mRNA和蛋白质生产机制，例如聚合酶和核糖体。此外，细胞中遗传回路的拷贝数会随时间波动。

尽管面临挑战，合成生物学家还是取得了进步。研究人员最近开发了一种设备，可以让大肠杆菌对事件进行计数，例如它们分裂的次数，并检测明暗边缘。一些系统已经从细菌发展到更复杂的细胞。

在伦敦帝国理工学院建立了一个新的合成生物学中心，在哈佛大学最近启动了位于波士顿的生物启发工程研究所的一个项目。Fussenegger说，现在是合成生物学家开发更多实际应用的时候了。他说。“现在它需要交付产品。”