人工合成基因模仿细胞如何构建组织和结构

来自加州大学洛杉矶分校塞缪尔利工程学院和意大利罗马大学的研究人员已经开发出了与活细胞基因功能相似的合成基因。

人工基因可以通过一个级联序列构建细胞内结构，一个接一个地构建自组装结构。这种方法类似于用模块化单元建造家具，就像宜家（IKEA）的家具一样。使用相同的部件，可以构建许多不同的东西，并且很容易将集合分开并重新构建其他部件。这一发现为使用一套简单的构建模块提供了一条途径，这些模块可以通过编程来制造复杂的生物分子材料，比如DNA瓦片中的纳米管。同样的组件也可以被编程来分解不同材料的设计。

这项研究最近发表在《自然通讯》杂志上，由加州大学洛杉矶分校塞缪尔分校机械与航空航天工程和生物工程教授Elisa Franco领导。Daniela Sorrentino是弗朗哥动态核酸系统实验室的博士后学者，是这项研究的第一作者。

“我们的工作提出了一种方法，通过利用分子自组装指令的时间，而不是增加携带这些指令的分子的数量，来扩大生物分子材料的复杂性。”“这指出了一种令人兴奋的可能性，即通过简单地重新连接控制组装时间顺序的元素，可以从相同的有限部件中自发地‘发展’出不同的材料。”

复杂的有机体是由一个单细胞经过连续的分裂和分化而形成的。这些过程涉及许多由基因级联协调的生物分子，这些级联指导基因激活的时间和位置。当接收到分子信号时，它会触发一系列基因以特定的顺序组装，从而导致特定的生物反应。生物学中一个著名的例子是控制果蝇身体部分形成的基因级联。在这个过程中，基因以正确的顺序完美地定时触发特定身体部位的形成。

“我们的想法是在实验室里重现类似的基因级联，根据基因激活的时间，可以诱导合成材料的形成或分解，”罗马大学化学科学教授弗朗西斯科·里奇（francesco Ricci）说。

在他们的研究中，研究人员使用了由一些合成DNA链组成的DNA瓦片的构建块。然后，他们创造了一种包含数百万个这种瓷砖的溶液，这些瓷砖相互作用，形成微米级的管状结构。这种结构只有在触发形成的特定RNA分子存在的情况下才能形成。不同的RNA触发分子也可以诱导相同结构的分解。

然后，他们编写了不同的合成基因，在特定的时间产生RNA触发器，这样DNA结构的形成和溶解就可以精确地定时。

通过将这些基因连接在一起，他们创造了一个合成的基因级联，类似于果蝇的基因级联，它不仅可以控制某种类型的DNA结构何时形成或溶解，还可以控制特定时间内其特定的组成特性。

Sorrentino说：“我们的方法并不局限于DNA结构，它可以扩展到依赖于生化信号时间的其他材料和系统。”“通过协调这些信号，我们可以为相同的组件分配不同的功能，创造出从相同部件自发进化的材料。这开启了合成生物学令人兴奋的进步，并为医学和生物技术的新应用铺平了道路。”

这项研究得到了美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会、欧洲研究委员会、意大利癌症研究协会、意大利大学和研究部以及意大利国家恢复和恢复计划的支持，该计划由欧盟的刺激计划NextGenerationEU提供资金。索伦蒂诺拥有由意大利癌症研究协会支持的奖学金。

来自罗马大学的研究员西蒙娜·拉纳洛也是这项研究的作者之一。