以色列魏茨曼科学研究所的科研人员成功观察到单个DNA分子产生蛋白质的过程，这一发现让他们感到非常兴奋：此前从未有人在细胞外观察到这一现象。然而，这只是一个开始。通过这一观察获得的见解使科学家们能够设计出有史以来最小但又自给自足的遗传电路——这一壮举有望帮助设计人造细胞和改进生物技术的纳米器件。

“我们揭示了自然界中一个非常聪明的基因设计原理，这使我们能够在单个DNA分子上构建电路，”魏茨曼化学和生物物理系的博士后费迪南德·格雷斯博士领导了这项研究。

就像电路中的组件一起工作产生物理效应，比如点亮灯泡一样，基因电路是细胞组成部分的网络——基因、启动子、调节蛋白——它们一起引起基因表达或其他生物过程。就像电路是一个独立的单元，可以成为更复杂设备的一部分一样，基因电路是一个独立的实体，可以作为人工生物机器的基础，用于各种医疗或生物技术应用。

进化的惊人成就

这项研究始于一个实验，这个实验产生了一个最不可能的结果。格雷斯正在研究所谓的人造细胞的各个方面，这是巴尔·齐夫实验室研究的核心主题。在一项实验中，他追踪了基因在遗传回路中表达的过程——也就是说，它们产生编码的蛋白质的过程。他对大肠杆菌的DNA进行了改造，创造出一个回路，其中包含一个基因，该基因编码一种调节蛋白，旨在充当另一种基因的“开启”开关。他还添加了一个荧光标签，当另一个基因被表达时，荧光标签就会被点亮。

格雷斯首先将大约10个工程DNA分子整合到一个人造细胞中，然后用一种模拟细胞内部的溶液填充细胞。通常情况下，基因回路要在活细胞或人造细胞中发挥作用，DNA必须产生成百上千个调节蛋白的拷贝;它们在细胞环境中漂浮，直到最终与它们预期的DNA片段相遇，并调节它们的表达。在格雷斯的实验中，只有少数调节蛋白像漂浮物一样漂浮在溶液的海洋中，这是不应该如此容易发生的。然而，令研究人员惊讶的是，荧光标记很快就宣布，他们感兴趣的基因，由调节蛋白开启，已经经历了表达。这么少的调节蛋白是如何如此迅速地找到进入人造细胞DNA的途径的?

更令人惊讶的是，当格雷斯将一个DNA分子附着在一个表面上，并将这个表面浸入溶液中时，荧光标签仍然很快亮起来。换句话说，即使在最极端的稀释条件下，“开启”开关蛋白也以创纪录的速度与它的DNA目标连接在一起。

唯一合理的解释是，在调节蛋白被制造出来后，它暂时附着在DNA上。事实上，其他实验室过去的研究表明，大肠杆菌就是这种情况，但用现有的技术证明这种捆绑的存在是不可能的，部分原因是蛋白质合成在不到一分钟的时间内完成，而标准的荧光标签需要几分钟才能点亮。

通过与德国科学家的合作，格雷斯开发了一种新型标签，这种标签可以在几十秒内亮起，比通常的荧光标签快得多。然后，他花了几个月的时间建造了一个装置，使他能够使用这个标签在显微镜下观察单个分子。因此，他和他的同事们终于能够第一次直接观察到，一个新制造的调节蛋白是如何在大肠杆菌DNA上逗留的，就像被脐带拴在一起一样，直到基因表达完成。使用相同的设置，研究人员随后能够观察到单个DNA分子如何产生由他们感兴趣的基因编码的蛋白质。

“对我来说，发现进化是如何成功地完成如此经济的设计是很有趣的，”格雷斯说，并补充说，他们在实验中观察到的束缚证实了基因设计原则的存在，而在此之前，这种原则只是在理论上被确定的。

然后，研究人员利用这一设计原理在单个DNA分子上建立了一个完整的遗传电路。除了“开”开关外，他们还设计了一个“关”开关。这两个开关都被编程为与DNA保持连接，直到它们的工作完成。在未来，基于相同的原理，许多功能可以被编程到纳米电路中。

巴尔·齐夫说:“我们已经证明，当DNA中编码的东西留在DNA上时，DNA可以用作一个微型的活动中心。”“这意味着我们可以把单个DNA分子想象成一个自我维持的实体——它不需要被放在自己的外壳里;相反，它可以在任何体积的隔间里工作。因此，它可以作为一种独立的纳米器件，用于从生物计算到医学诊断和治疗的各种未来应用。”

科学数据

一个体积为1µm3的大肠杆菌细胞含有大约3-4亿个蛋白质。在这个微小而密集的细胞中，只需要数百个蛋白质就能驱动基因回路。

研究作者包括巴尔·齐夫实验室的Shirley S. Daube博士;德国海德堡马克斯·普朗克医学研究所的Nicolas Lardon博士;德国亚琛大学Leonie sch tz博士和Elmar Weinhold教授;魏茨曼化学研究支持部的Yoav Barak博士;和美国明尼苏达州明尼阿波利斯市明尼苏达大学的Vincent Noireaux教授。