导读：
2000年1月，刚刚从普林斯顿大学博士毕业的Michael B. Elowitz和导师Stanislas Leibler在《自然》杂志报告，他们设计出首个基因表达振荡器，利用3个基因模块彼此间的抑制作用，实现下游基因表达信号的规律振荡，就像振荡电路输出的规则波形。这一工作成为合成生物学这一新领域的关键成果之一。
Elowitz本科毕业于加州大学伯克利分校物理系，博士训练在普林斯顿大学物理系完成，博士导师Leibler为生物学家和物理学家。
回顾这一开创性工作的缘起，Elowitz说：“当你利用自上而下的策略来研究一个线路时，你无法确定自己是否遗漏了某些组件。但如果从零开始，利用定义明确的组件和相互作用来构建线路的话，那么就可以弄清楚这个线路是否真的足以控制某种细胞行为。”
本文原标题为“Synthetic Origins”，2024年4月2日首发于Asimov Press，《赛先生》获授权翻译并发布中文译文。
原文链接：
https://press.asimov.com/articles/synthetic-origins1997年，Michael Elowitz在普林斯顿大学攻读物理学博士学位时，突然萌生了一个绝妙的想法：如果我们能用 DNA 而不是电子设备构建一个电路，并用它来“编程”活细胞，那会怎样？在接下来的三年里，Elowitz和导师Stanislas Leibler一起努力，研究了这种合成基因线路，并取得了成功。他的最终设计，现在被称为抑制振荡器(Repressilator)，仅由三个基因组成，每个基因编码一个抑制子蛋白，抑制环路中下一个基因的转录。具体而言，LacI蛋白特异性地结合并抑制用于控制TetR蛋白表达的启动子，TetR蛋白特异性地结合并抑制用于控制cI蛋白表达的启动子，最后cI蛋白特异性地结合并抑制用于控制LacI蛋白表达的启动子，首尾相连，形成了一个闭合的遗传线路。将编码绿色荧光蛋白的基因置于上述3个启动子当中一个的下游，当工程化的细胞从一个抑制子蛋白的表达循环到下一个蛋白表达时，它们就会开始在绿色和黑暗之间交替闪烁。至此，Elowitz创造出了基于细胞的活体振荡器。
上述材料来源于1998年在德国海德堡的一次报告。Credit: Michael Elowitz
（译者注：在右图所示的数学公式中，mRNA的浓度取决于自身降解、受抑制子蛋白控制的转录合成、以及本底的转录水平。抑制子蛋白的浓度取决于自身降解，以及来自mRNA的翻译合成。这两个看似简单的式子组成了振荡器的数学基础。）2000年1月，这篇关于抑制振荡器的文章发表在《自然》杂志上。同期背靠背发表还有另外一篇文章，报道了被称为拨动开关(Toggle switch)的合成基因线路。这两篇文章成为了一个新兴学科领域——合成生物学——的旗帜性文章。总之，这些早期的合成基因线路证明，工程师们的确可以在活体细胞里重新创造一些复杂的基因网络，并且操控它们执行全新的功能。换句话说，他们可以“编程生物”。Elowitz现在是加州理工学院生物系、生物工程系及应用物理系教授。他最近接受了Asimov Press的专访。他回顾了自己在研究抑制振荡器时的早期疑虑，思考了物理学家为生物学带来的独特哲学理念，并重点介绍了团队最近在开发解码活细胞机制的技术方面已发表和未发表的项目。Asimov Press：一开始就问你关于抑制振荡器的问题，我有点不好意思。每个人肯定都会问你这个问题。但是当我把你的论文和拨动开关基因线路的论文放在一起阅读时，我注意到了一点，在论文的讨论部分你重点关注合成基因线路对探究自然生物系统的重要性，而另一篇论文更关注合成基因线路的商业潜力。你可以就此展开谈谈吗？Michael Elowitz: 嗯，我从事合成生物学的动力往往更多是来自于基础研究的角度，希望以此来探索细胞的工作原理。不过我也一直想探究这个问题：我们是否真的可以像计算机编程一样对细胞进行编程。这真是一个非常吸引人的想法。但早年间，实验室里的一切进展都非常慢且困难。甚至像构建只有3个基因，以今天的标准看起来很简单的基因线路，也花了我好几年的时间。我不得不去表征每一个转录单元，并尝试搭建一种方法，使我能够独立测量每个抑制子蛋白到下一个蛋白的传递函数，然后尝试将它们串联成双基因线路，以此类推。Asimov Press：2000年那一期《自然》杂志出版后不久，合成生物学领域就开始腾飞。你如何看待它的快速发展？Michael Elowitz: 最初的一段时间，这个领域由少数实验室主导，但这些实验室的数量不断增加，他们小步推进，逐一实现了新的生物学功能：数字逻辑、计算和群体感应。这些尝试为后来更加复杂的功能奠定了基础。不过，我始终坚信编程细胞的愿景，并且觉得要实现这一愿景，我们必须了解一些更基本的东西。为了让我们的遗传线路发挥作用，并能够利用核心的细胞功能，我们需要了解各种细胞系统的“应用程序接口（API: Application Programming Interface）”，比如转录、信号传递和细胞周期等。我们还需要弄清楚一些尚未被定量研究或在单细胞水平上进行测量的系统行为的基本问题。例如，在发表那篇抑制振荡器的文章后不久，我又开展了另一项研究，测量一种简单的响应函数——即抑制子蛋白对其目标基因的定量影响。这是一个基础的传递函数，其形状和波动对于预测更大规模的遗传转录线路的行为至关重要。那是与 Nitzan Rosenfeld、Jon Young、Uri Alon 和 Peter Swain 合作完成的。与此同时，虽然这些真实的（对我来说非常令人兴奋的）实验正在进行，而且一些实验室发表了一些有趣的论文，数量也在不断增加，但合成生物学却被炒作得沸沸扬扬。这种炒作似乎超出了该领域的实际发展水平。由于我本身比较焦虑的性格，当时我担心，如果整个领域做出的承诺根本无法在合理时间内实现，这种过度的炒作会反噬我们所有人。现在回过头来看，这种担忧其实是多余的。Asimov Press：你能详细解释一下细胞应用程序接口是什么意思吗？Michael Elowitz: 我的意思是，这些具有生化性质的接口，通过它们，天然的细胞功能能够被合成线路所控制。转录和翻译是最明显不过的例子，因为它们可以用来表达任何你感兴趣的基因。但是合成线路的性能取决于它们控制尽可能多的内源性功能的能力：细胞周期、生长、形态状态、与其他细胞的通信、细胞的死亡程序、细胞成分的输出等等。然而，我们并不清楚这些细胞系统实际上如何能够被合成线路以一种特定的方式所控制，同时又不会干扰其他过程。因此，发现这些控制节点——定义细胞的天然应用程序接口——是合成生物学中非常重要的方面。Asimov Press：抑制振荡器的想法最初是怎么来的？Michael Elowitz: 那应该是在1996或者1997年的某个时候。我还是普林斯顿Stanislas Leibler实验室的研究生。非常多的人当时在尝试给不同的生物线路建模，比如趋化性。我当时阅读了大量关于不同生物系统的分子生物学论文，特别是关于生物钟的研究，还有一本由Thomas和D’Ari撰写的书《Biological Feedback》，书中概述了各种反馈线路的简单模型。当我阅读所有这些论文时，我注意到很多都会总结一个模型，用来描述从论文的遗传或者生化测定中推导出的生物线路。我最深的感受是，这些线路模型真的足够用来解释生物行为吗？还是它们仅仅是对观察到的相互作用的总结，而可能忽略了很多其他的关键组件？这让我抓狂。我一直在想，人们怎么才能够知道什么相互作用和组件是足以用来解释某种细胞行为的？当你利用自上而下的策略来研究一个线路时，你无法确定自己是否遗漏了某些组件。但如果你从零开始，利用定义明确的组件和相互作用来构建线路的话，那么就可以弄清楚这个线路是否真的足以控制某种细胞行为。这就是我当时的想法。我只想要构建一个基因线路，看看能否让它执行某种特定的细胞行为。抑制振荡器就是源于这一高层次的目标。但我选择专注于振荡器而非其他线路，与我在物理学中研究各种振荡器、阅读过关于生物钟的内容密切相关。最重要的是，我想制作出一些会发光闪烁的细菌的酷炫视频。我觉得构建出一个可以“闪烁”的基因线路简直太酷了。Asimov Press：抑制振荡器？一直是这个名字么？Michael Elowitz: 至少在1999年之前，我一直把它称为“oscillon”，这个名字是“oscillator”（振荡器）和“operon”（操纵子）的混合。但有一天，我看到了一期《自然》杂志的封面上印着“oscillon”这个单词。我记得上面写着“发现oscillon！”或者类似的话。在那种情况下，“oscillon”指的是颗粒介质中的一种相干振荡模式。当时我心想，“糟了，这个名字被用了。”不过后来我很庆幸，因为“repressilator” 这个名字其实更好。除了念起来很有趣之外，它还与一个传统相连：以发现地命名化学振荡器非线性动态模型，比如“布鲁塞尔振荡器”（Brusselator）和“帕洛阿尔托振荡器”（Palo Altonator）等。Asimov Press：回到你当时正尝试搭建抑制振荡器的那个时候，你对这个项目有什么想法？周围的人又是怎么评价的？Michael Elowitz: 嗯，我那个时候的确不知道它会不会成功。我不停地询问其他人对这个项目的看法，得到了非常不同的回答。一些知名生物学家会说,“不，这个绝对行不通。这玩意儿就不会成功。”然后我会追问他们，“那为啥行不通啊？”他们就会说：“生物学就不是那样搞的。你无法预测将要发生什么。”而另有一些人觉得这个项目听上去很有趣。所以正面和负面反馈都有。现在回过头来看还挺有趣的。我那个时候真的对这个项目感到很兴奋。我向非常多的人谈起过它，但随后又要求他们发誓保密。这真的有点幼稚。与此同时，我的导师Stanislas Leibler，一位真正具有远见卓识的科学家，也是我个人灵感的来源， 他从始至终都支持这个项目，我一直对此心存感激。实际上， 1998年我的导师在德国海德堡欧洲分子生物学实验室EMBL学术休假期间，我开始动手构建这个抑制振荡器。那一年， 我一直都在寻找能找到的最合适的基因调控元件。Hermann Bujard曾对细菌启动子的特性进行了非常细致的研究。这些特性可以让启动子既有强大的转录活性又受到严格调控，而这正是抑制振荡器正常运作所需要的两个关键属性。他当时正好也在海德堡。所以Stan和我从实验室下山去和他会面，并向他展示了抑制振荡器的设计。Bujard看了我们的设计，提到他之前一直想设计构造另一个东西，然后直接画出了一个拨动开关基因线路 （Toggle switch）!Asimov Press：哇，这太巧了！当你们最终在2000年发表抑制振荡器的时候，是否意识到它会与波士顿大学的 Timothy Gardner、Charles Cantor 和 Jim Collins 构建的拨动开关基因线路论文背靠背发表？估计当时你认为自己是唯一一个在构建合成基因线路的人吧。Michael Elowitz: 是的，我当时完全不知道有人正在构建拨动开关基因线路，直到我打开那期杂志的时候才发现。Asimov Press：当你终于让抑制振荡器成功运行，你是否意识到那一刻的意义？你是否知道自己正在开创一个全新的生物学领域？Michael Elowitz: 嗯，在普林斯顿的时候，没有人告诉我如果做成了这个将会有多了不起。我完全没有收到过那样的反馈。而且我自己也从来没有从那些方面考虑过。我只是觉得它会很酷。我是真的想知道它是不是可以实现，而且脑海里在不断地想象它实际运行的画面。论文发表后，我做了很多关于它的学术报告，我觉得反响是积极的。但直到几年后，大概是2000年代中期，合成生物学领域才真正迎来了转折点。Asimov Press：你发表抑制振荡器的研究以后，我听说其他人复现实验结果遇到了困难。这个系统有点难以调试运行。这是真的吗？Michael Elowitz: 我认为情况并不完全是那样的。不过，在那篇论文中，我们确实强调了动态过程中的可变性。而且我们观察到基底荧光水平随时间的增加。这是因为我当时使用的实验条件——将细菌放在琼脂糖平板上——并不是稳定状态。随着时间的推移，培养基中的废弃产物会逐渐积累，细胞的生长速度也变得越来越慢。多年以后，Laurent Potvin-Trottier、Johan Paulsson及其团队使用原始的抑制振荡器，将经过工程改造的细胞放入微流控通道中的“母机”（Mother Machine）中。在这种装置中，他们能够在恒定条件下追踪数百代细胞的动态表现。结果显示，抑制振荡器基本上能够永远持续振荡。不过，这个系统确实存在很大的可变性，而Laurent和Johan后来在他们的论文中对此进行了详细的解释。Michael Elowitz: 嗯，这有些反直觉。最初的抑制振荡器包含三个抑制子蛋白，每个抑制子蛋白都会抑制下一个。其中一个抑制子蛋白是 tetR，它与其操纵子序列结合得非常紧密。Johan 的研究表明，由于这种结合非常紧密，振荡过程中由tetR 参与阶段的结束需要 tetR 离得足够远才能解除对其操纵子序列的抑制。但是，由于其结合过于紧密，这就需要等待 tetR 的最后几个蛋白分子从细胞中被稀释掉，这使得系统对随机波动非常敏感。而这实际上是抑制振荡器动态过程中最大的不确定性来源之一。因此Johan 修复了这个问题，并构建了一个版本，这个版本的线路精度非常高，可以可靠地振荡更长时间，在约 180 代细胞分裂过程中保持其振荡相位。Asimov Press：当人们开始使用“合成生物学”这个术语时，你对此怎么看？你觉得这个领域现在是否已经到了一个拐点？很多你最初担心的炒作如今正在变为现实？Michael Elowitz: 我一直很喜欢“合成生物学”这个术语。它非常贴切，类似于化学领域中的合成化学和分析化学。至于这个领域的发展，是的，我确实觉得如此。一些非常疯狂的设想仍然遥不可及，但合成生物学可以让我们改进或创造有用的治疗方法，比如真正利用对细胞编程的能力，这一基本前提正在慢慢成为现实。这非常令人兴奋。一切都比人们预期的耗时更久，但细胞在很大程度上是一种可编程实体这一基本前提，似乎是成立的。Asimov Press：细胞是计算机吗？或者有更好的类比吗？Michael Elowitz: 用计算机作为类比是一把双刃剑。这种类比很有用，因为细胞是一种可编程的实体，可以执行许多不同的功能。在我们的日常生活中，最接近这种功能的东西就是计算机。你可以对计算机进行编程，使其执行各种任务。同样地，我认为细胞也具备这种特性：你可以编程让细胞生长、分裂、改变形态、与其他细胞交互，甚至完成许多我们难以想象的事情。细胞是开放的可编程系统。我们甚至可以对细胞进行编程，让它们执行一些在自然进化过程中并未被赋予的功能。从这个角度来看，计算机的类比显然是非常有用且准确的。但细胞也在很多方面并不像计算机，我认为这些区别同样重要。细胞是噪声化的系统，它们利用这种噪声在群体水平上调控行为。细胞会自我复制，并呈指数增长——计算机可不会这样。此外，与通过导线连接的晶体管不同，细胞是通过特定分子相互作用的分子进行连接。另一个例子是负数，对吧？在生物学中，不可能有一个分子的浓度为负的情况，这意味着生物学必须以独特的方式解决问题。还有组合性，在生物系统中，信号是通过分子组合来编码的，这些分子通过竞争形成不同的复合体。这些系统在某些方面类似于数字计算，但又有很大的不同。所以，让我对这个类比感到担忧的是，当我们开始把电子工程套用在细胞内部的神秘世界时，可能会忽略细胞的独特之处。电子工程的一些原则确实适用于活细胞，但生物学最有趣的地方恰恰在于它们的与众不同之处。Asimov Press：我最近和爱德华·博伊登（Ed Boyden）交谈时，他有句话让我深感共鸣：“在增强之前先理解。”我很好奇，你是否认为我们应该开发一些工具来更深入地理解细胞，从而让它们变得不那么神秘？在我们能够可靠地对细胞进行编程之前，你觉得还有哪些关键问题需要解决？Michael Elowitz: 这是一个很好的问题。我认为还有许多不同的方面需要探索。比如，我们在理解细胞如何调控基因方面已经有所进步，但我们甚至没有能力理性编程一个基因，让它在所有类型的细胞中表达。 Asimov Press：我们甚至没有能力在实验室中培养绝大多数类型的细胞。Michael Elowitz: 真的是。我们也无法追踪一个细胞中所有激酶的活动，或者类似的情况。因此，当你考虑到在一个细胞中所有不同层次的信息和状态，以及它的空间和时间上的组织结构，然后再将这些与我们当前能够读取和操控的能力进行比较，你会发现它实际上相当原始。在系统层面，递送是一个很大的挑战。我们可以设计出在培养皿中完美运行的合成基因线路，但将这些基因导入细胞仍然很困难。所以我认为这是一个非常重要的领域。另一个问题是免疫原性。例如，当我们开始考虑治疗性线路时，我们如何用某一种方式设计这些组件以避免触发免疫反应？Asimov Press：看起来你的实验室正在尝试开发工具和技术来填补这些空白。但我们在生物学中的未知，是否会影响你们决定开发哪些工具？还是你们只是根据自己的创造性兴趣来选择方向？Michael Elowitz: 都有。很多时候我们开发工具，是因为我们想象到了某些东西，并且真的希望它能够成为现实。比如我实验室的Felix Horns等人开发的RNA Exporter就是一个例子。这个工具的灵感源于这样一个想法：每个人都在研究RNA，分析转录组及其随时间的变化非常有价值，但这些工具都需要杀死细胞。而我们想要了解动态过程，探索如何跟踪RNA的变化。因此，我们设计了一个系统，让细胞将RNA打包到胞外囊泡中并分泌出来。通过测定这些从细胞中分泌的RNA序列，你就可以在不杀死细胞的情况下追踪细胞的动态过程。RNA Exporter还催生了另一个与递送问题相关的应用。我们一直想找到更好的方法，将合成基因线路递送到细胞中，从而将其用作治疗手段。我们想知道什么是实现这一目标的最佳递送方式。我们认为将合成线路运送到细胞最好的递送载体可能是另一种细胞本身。然后我们开始思考：如果我们可以编程让某种细胞定位到身体的特定部位，识别位于该部位的目标细胞，然后让这种“递送细胞”启动并开始分泌RNA，那会怎么样？这些分泌的RNA可以只转染目标细胞。因此，RNA Exporter不仅为追踪RNA分子随时间的变化提供了一种手段，也可能成为一种递送RNA的潜在新方法。Asimov Press：这非常有意思。你的研究是从富有想象力的大问题开始，逐步探索，最终开发出实用但是极具创新性的技术。Michael Elowitz: 是的。当然，我们也可以仅仅使用现有的工具，专注于通过它们来构建生物线路。但我觉得，每当你扩展合成生物学的工具箱时，这个过程总会带领你发现一些有趣的新方向。当然，你不可能做所有的事情，所以你需要选择专注于哪些工具。很多时候，我的兴趣在于那些在机制或审美上很优雅的东西：精巧美学的解决方案将为我们开启一种全新的生物学研究。Asimov Press：最后一个问题：为什么物理学家在历史上往往能成为最重要的生物学家之一？Michael Elowitz: 天真？自负？或者是一种对于自然可理解性的信念？我也不确定。有许多物理学家进入生物学领域的精彩例子。但我认为我们应该对此保持谨慎。各种背景的人都以不同的方式为生物学做出了贡献。Asimov Press：但这难道是一种巧合吗？物理学家在分子生物学开端的重要影响，或者包括你在内的物理学家开创了合成生物学领域。Michael Elowitz: 我觉得这也许和物理学的推理、思考和解决问题的方式有关。物理学家注重将问题简化到本质，设想一个问题的最简单案例，并以最简单的方法去解决。同时，他们也非常重视定量分析。如果你想想最初的合成基因线路，它们正是这种思维的体现。它们完全是任何人都想象得到的最简单但却不凡的线路。但在生物学中，我们不断发现生物系统比我们想象的要复杂得多。生物学家发现了TGF-β信号通路，然后又发现了所有这些调控因子，以及这些调控因子调控其他的调控因子。因此，生物学本质上是一个揭示和解构所有这些复杂性的无止境的过程。而合成的方法——通过构建来理解——其实是在倡导科学家应该从最简单的可能的线路出发，观察其功能，并在此基础上逐步构建。我认为这种风格对物理学家很有吸引力，对我而言也非常有吸引力。但这两种方法——合成生物学和“真实”的生物学——是相辅相成的。我们不想要只存在其中一种方法的世界。对于诸如“细胞内振荡器如何工作？”这样的问题，需要从两个方向同时入手。你需要有人绘制出天然振荡器的组成部分并弄清它们是如何相互作用的。但同时，也需要有人提出这样的思考：“好的，但是为什么我们需要这种复杂性？能够产生这种行为的最小线路是什么？这种最小线路对噪声或温度有多敏感？如何使其运行得更加稳健？细胞内是否存在振荡器之外的其他补偿机制来增强其稳健性？”很多时候，真正弄清楚某件事物如何运行的唯一方法，就是亲自控制这些相互作用。这需要亲手构建这样的系统，观察它的运作。我认为这种冲动在生物学领域由来已久，只是直到最近我们才有了所需的实现它的基础遗传工程工具。
译者简介：
赖勇，香港科技大学助理教授；陈子博，西湖大学助理教授。
