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來自加州大學(xué)舊金山分校和北京大學(xué)的研究人員日前在合成生物學(xué)研究中取得重大突破，設(shè)計并構(gòu)建出了可自組織細胞極化的合成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)論文“Designing Synthetic Regulatory Networks Capable of Self-Organizing Cell Polarization”發(fā)表在10月4日的《細胞》（Cell）雜志上。

加州大學(xué)舊金山分校的Wendell A. Lim博士和北京大學(xué)的湯超（Chao Tang）教授是這篇論文的共同通訊作者。湯超教授現(xiàn)任美國加州大學(xué)舊金山分校教授，北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院理論生物學(xué)中心主任，北京大學(xué)-加州大學(xué)定量生物醫(yī)學(xué)聯(lián)合研究中心主任等。目前致力于生物分子的網(wǎng)絡(luò)的理論和實驗研究、系統(tǒng)生物學(xué)以及生物系統(tǒng)中的理論問題。

生命的本質(zhì)是以本能為指向，以信息為先導(dǎo)，在環(huán)境因素的誘導(dǎo)下進行的自組織過程，這種過程的物質(zhì)基礎(chǔ)是細胞。然而目前對于細胞是如何利用遺傳編碼分子規(guī)則形成整體、自組織結(jié)構(gòu)的還并不是很清楚。

合成生物學(xué)是生物科學(xué)在二十一世紀出現(xiàn)的一個新興分子科學(xué)。與傳統(tǒng)的生物學(xué)通過生命體以研究其內(nèi)在構(gòu)造的思路不同，合成生物學(xué)是從zui基本的要素開始逐步構(gòu)建生物體的零件，通過元件及基因線路從生物裝置、模塊、細胞到多細胞系統(tǒng)各個層次進行設(shè)計和建造工程細胞組成各種生命元件來建立人工生物體體系，使生物體按預(yù)想方式完成各種生物學(xué)功能，并可由此來了解生物學(xué)的基本機制。

利用這樣的設(shè)計原理作為藍圖，研究人員在酵母中構(gòu)建出了人工的極化網(wǎng)絡(luò)，利用嵌合信號蛋白工具箱在空間上指導(dǎo)磷脂酰肌醇-3磷酸（PIP3）合成與降解。具有組合模體的環(huán)路生成了明確的人造PIP3極化網(wǎng)絡(luò)，可以持續(xù)近一個小時。

在新研究中通過利用定位調(diào)控的信號分子，研究人員成功設(shè)計出了能夠可靠地執(zhí)行空間自組織程序的簡單分子環(huán)路。為研究生命的自組織機制提供了一條有潛力的新途徑。

在這篇文章中，研究人員利用合成生物學(xué)方法探討了模擬細胞極化的環(huán)路設(shè)計原理。首先，他們利用一種計算機模型，搜索了所有可能獲得極化的簡單網(wǎng)絡(luò)。研究人員發(fā)現(xiàn)所有都涉及三個小模體中的一個：正反饋、相互抑制，有正反饋的抑制子。在有限條件下這些小模體可單獨獲得極化，而組合兩個或更多這樣的模體則可使環(huán)路明顯更為穩(wěn)定。