研生試劑-生命科學生物工程將成為組裝生命的生物工廠

對于以電子工程為模式的生物技術，生物組件是它的基礎

　　雖然“基因工程”這個詞已至少用了30年，DNA重組技術也是現代生物學研究的主流技術，但是大多數生物工程學家所進行的生物相關研究，卻與工程技術鮮有共同之處。其中一個原因就是，現有的生物工具，在標準化和實用性方面還沒有達到與其他工程技術領域相應的水平；而另一個原因，則是生物學的研究方法和思路還有待改進，盡管生物學研究已經 深受工業技術的影響。

　　舉例來說，電子工程的轉型起始于1957年。那一年，美國Fairchild半導體公司(這家公司的所在地就是后來的硅谷)的瓊·霍爾尼(Jean Hoerni)和羅伯特·N·諾伊斯(Robert N.Noyce)發明了平面技術。這是一種利用光掩模(photomask)，在硅晶圓(silicon wafer)內，對金屬及化學物質進行層疊和刻蝕的系統。利用這種新技術，工程師們不僅能夠出品質穩定的、簡潔的集成電路，還能通過改變光掩模的模式，出各種類型的電路。此后不久，工程師們就可以對前人所設計的簡單電路進行選擇組合，設計出更加復雜、應用范圍更廣的電路。

　　在那個年代，電子電路的標準方法還比較原始，只是將電路的各個晶體管(transistor)逐一串連起來。這是一種手工過程，其產品質量參差不齊，被新興電子工業界*為技術瓶頸。相反，平面技術則大步前進，進展速度驚人，與的摩爾定律(Moore’s Law)所提出的速度相差無幾。

　　半導體芯片的設計技術與方法學相結合的產物—— 芯片廠(chip fab)，已成為*zui成功的工程范例之一。它也為另一新興技術領域—— 生物體系業，提供了寶貴的發展模式。

　　實際上，今天的基因工程師所使用的方法，仍處于較原始的階段。正如我們的同事，美國麻省理工學院人工智能實驗室的湯姆·奈特(Tom Knight)所說的那樣：“DNA序列的組裝技術沒有標準化，致使每一次DNA組裝反應在自身還處于實驗階段的同時，就不得不充當解決目前研究課題的實驗工具。”

　　生物工程在方法和組件上的標準化，可以促使兼容組件設計庫建立，并使組件的加工外包成為可能。理論與的分離，使生物工程師能夠自由地構想更加復雜的裝置，并應用強大的工程工具(例如計算機輔助設計)，來處理由此而來的復雜性。

　　生物零件

　　2000年，當時就職于美國普林斯頓大學(Princeton University)的邁克爾·埃洛威茨(Michael Elowitz)和斯坦尼斯拉斯·萊布勒(Stanislas Leibler)，以及美國波士頓大學(Boston University)的柯林斯、蒂姆·加德納(Tim Gardner)和查爾斯·坎托(Charles Cantor)等人，利用生物零件(biobrick)了*批基本電路元件：一個環形振蕩器和一個扳鍵開關。他們的研究代表了人造功能性生物電路的成功。而早在1975年，科學家們就已經知道，自然界的生物正是利用此類電路來調控它們的基因——從知道到成功，科學家們用了整整25年的時間！

　　埃洛威茨和萊布勒的環狀振蕩器很好地闡釋了何為生物電路。振蕩器的基本電路是一個質粒(plasmid，環狀DNA)，該質粒帶有三個基因：tetR、lacI和λcI，分別編碼三種蛋白：TetR、LacI和λcI。任何基因翻譯成蛋白質的首要條件是，聚合酶(polymerase)與基因上游區域的啟動子(promoter)結合。隨后，聚合酶將基因轉錄為信使RNA(messenger RNA)，然后信使RNA被翻譯成蛋白質。如果聚合酶不能與啟動子結合，那么基因就不能被翻譯，也就不能生成蛋白質。

　　埃洛威茨和萊布勒給三個基因的蛋白產物分配了特殊的任務：選擇性地與另外一個基因的啟動子結合。如此一來，LacI蛋白與tetR的啟動子結合，λcI蛋白與lacI基因的啟動子結合，而TetR蛋白則與λcI基因的啟動子結合。這種關聯性使得一個基因的蛋白產物能夠阻遏聚合酶與另一個基因的啟動子結合。因此，這三種蛋白的生成構成了一個振蕩循環：大量LacI蛋白的生成抑制了tetR基因的表達；TetR蛋白的缺失使λcI基因得以表達；而λcI蛋白又抑制LacI蛋白的生成，這個過程不斷循環。

　　若將該循環中的一個基因與表達綠色熒光蛋白的基因相連，再將整個電路轉入一個細菌中，那么你就會發現神奇的一幕：這個細菌會像節日彩燈般閃爍！與之相似，柯林斯小組研制的基因扳鍵開關也可用于細菌的程序化：一旦細菌的DNA受損，那么在細菌周圍就會出現一種跳躍著綠色熒光的“菌苔”！