由細(xì)菌制成的首個(gè)同步基因振蕩器在美誕生

美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的杰夫·海斯第及其同事在最近出版的《自然》雜志上發(fā)表研究報(bào)告指出，他們通過合并群體效應(yīng)制成了新型細(xì)菌振蕩器。不過，該振動(dòng)器不是典型的時(shí)鐘，它既沒有石英機(jī)芯，也沒有旋轉(zhuǎn)的秒針，它的“心臟”是一群經(jīng)基因工程改造的菌群。
　　群體效應(yīng)是一種分子通信形式，許多細(xì)菌利用群體效應(yīng)來(lái)協(xié)調(diào)它們的活動(dòng)。振蕩器則是生物學(xué)世界的一個(gè)主要組成部分，可用于定義心跳、腦波及日夜節(jié)律的周期。它們還可提供一個(gè)重要的電子電路控制機(jī)制。
　　生物學(xué)家最先著手設(shè)計(jì)生物振蕩器是在10年前，他們建立了一個(gè)名為“壓制振蕩子”的電路。帶有基因開關(guān)的遺傳振蕩子在2000年的誕生，被認(rèn)為是合成生物學(xué)的開端。然而，早期的振蕩器精度不高，節(jié)奏下降很快，且頻率和振幅也無(wú)法控制。
　　2008年，海斯第及其同事曾創(chuàng)造了一個(gè)更強(qiáng)大的振蕩器，它可通過適于細(xì)菌生長(zhǎng)的溫度、細(xì)菌得到的養(yǎng)分及特殊的化學(xué)觸發(fā)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，這個(gè)振蕩器仍受限于個(gè)別細(xì)胞，無(wú)法適時(shí)地一起閃爍。
　　而最新研制的振蕩器包含一個(gè)雙基因簡(jiǎn)單電路，由此建立起正、負(fù)反饋回路。該電路由一個(gè)信令分子激活，從而觸發(fā)信令分子本身及綠色熒光蛋白分子越來(lái)越多地產(chǎn)生。該信令分子在細(xì)胞外擴(kuò)散后即可激活周邊細(xì)菌的電路。
　　被激活的電路還可產(chǎn)生一個(gè)能分解信令分子的蛋白，給循環(huán)提供延時(shí)制動(dòng)。在單個(gè)和相鄰細(xì)胞中的不同電路發(fā)生動(dòng)態(tài)相互作用，即可建立起信號(hào)分子和熒光蛋白的定期脈沖，并以同步活動(dòng)波的形式出現(xiàn)。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的電路允許微生物與熒光燈的同步脈沖保持合拍，以50分鐘到100分鐘的節(jié)奏緩慢閃爍。瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院的生物工程學(xué)家馬丁·富塞內(nèi)格爾在論文評(píng)注中稱，這個(gè)壯舉類似于讓全世界的交通燈步調(diào)一致地閃爍。
　　這些細(xì)菌菌落生長(zhǎng)在定制的微流體芯片內(nèi)，該設(shè)備使科學(xué)家得以精確控制微生物所處的環(huán)境條件。改變養(yǎng)分流入芯片的速率就可改變振蕩的周期。
　　對(duì)生物醫(yī)藥和生物能源等許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，對(duì)群體細(xì)胞的活動(dòng)進(jìn)行同步是一個(gè)重要的基礎(chǔ)條件。例如，細(xì)菌可被設(shè)計(jì)用來(lái)檢測(cè)特定的毒素，熒光的閃爍頻率即表示其在環(huán)境中的濃度。雖然目前尚需要顯微鏡才能讀取輸出結(jié)果，但研究人員表示，他們正在開發(fā)用裸眼即可觀測(cè)的版本。
　　該細(xì)菌振蕩器也可用于傳遞藥物，其可按一定的時(shí)間間隔釋放藥物以達(dá)到最佳的效用。藥物的劑量和振蕩器的振幅相關(guān)，藥物的投放時(shí)間則由其振蕩頻率決定。