加州科学家开发出可以构建细胞内结构的合成基因

来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）塞缪尔工程学院与意大利罗马大学的研究人员开发了一种模仿活细胞基因功能的合成基因。这项研究的突破在于，通过将不同的构建模块编排成级联序列，他们能够实现细胞内结构的自组装。这个过程类似于用宜家（IKEA）家具的模块化单元来搭建家具：相同的部件可以用来构建不同的物品，并且这些部件也可以重新组合或分解，以便创造新的结构。

这项新技术为利用简单的构建模块制造复杂的生物分子材料提供了可能。这些模块不仅可以用于构建像DNA瓦片中的纳米管等微观结构，也能用于控制不同材料的分解过程。简言之，研究人员通过编程这些模块来精确控制它们在生物系统中的自组装和解构过程。

该研究由UCLA塞缪尔工程学院机械与航空航天工程和生物工程教授Elisa Franco领导，研究成果已发表于《Nature Communications》杂志。该研究的第一作者、弗朗哥教授实验室的博士后学者Daniela Sorrentino，提出了一种通过重新连接控制组装时间顺序的元素，利用有限的组件自发发展出多种材料的方式。这种方式为创建复杂的生物分子材料提供了一条新途径，而无需增加更多的分子组件。

Franco教授指出，传统上，生物分子材料的复杂性是通过增加分子数量来实现的，而他们的方法则通过调整分子自组装过程中的时间顺序来实现复杂性的提升。这种方式不仅显著提高了材料构建的效率，还为不同材料的设计提供了灵活性。

在自然界中，复杂有机体通常通过一个单细胞分裂和分化成多个不同的细胞，这些过程需要基因在特定时间和地点的激活。基因在一定顺序和时机下激活，最终促使细胞产生特定的生物反应。例如，果蝇的基因级联就控制着身体各个部位的形成，这个过程通过特定的基因触发的时间顺序，精确地指引了身体部位的发育。

研究团队的核心目标是模仿这种自然界的基因级联过程，在实验室中通过合成基因的方式，精确控制材料的形成和分解。罗马大学化学科学教授Francesco Ricci解释道，他们的想法是通过在合成基因中加入能激活RNA触发分子的指令，从而控制DNA结构的自组装与解体，进而在分子层面上制造出可控的纳米材料。

具体来说，研究人员使用了由合成DNA链组成的“DNA瓦片”，并将其组装成能够自发形成微米级管状结构的模块。这些结构只有在特定RNA分子触发的情况下才能形成，并且相同的RNA分子也能诱导结构的解体。通过编程合成基因，他们能够在特定时间产生这些RNA触发分子，从而精确控制DNA结构的形成和溶解。

此外，研究者通过将不同的合成基因连接成一个基因级联系统，成功地模仿了果蝇基因级联的原理，控制了DNA结构的形成和分解时间。这些基因不仅能够控制结构的形成或溶解，还可以影响其组成特性，使其在不同的时间展现不同的功能。

Sorrentino表示，这项方法不仅适用于DNA结构，也可以扩展到其他依赖生化信号调控的材料和系统。通过协调这些信号，研究者能够为相同的构建模块赋予不同的功能，创造出能够自发“进化”的多功能材料。这种技术在合成生物学中具有重要的应用前景，特别是在医学和生物技术领域，它为开发新型生物材料和生物系统奠定了基础。

总之，这项研究的创新在于提出了通过基因级联的方式来实现分子自组装和解构的概念，为合成生物学和生物技术的未来发展打开了新的可能性。通过精确控制分子组装和解体的时间顺序，研究人员可以设计出更多具有特定功能的生物分子材料，这为疾病治疗、材料科学以及生物制造等领域带来了前所未有的机会。