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由細菌製成首個同步基因振盪器
改寫自科學網
美國加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego)的傑夫•海斯第(Jeff Hasty)及其同事在《自然nature》雜誌上發表研究報告指出，他們通過合併群體效應製成了新型細菌振盪器。不過，該振動器不是典型的時鐘，它既沒有石英機芯，也沒有旋轉的秒針，它的“心臟”是一群經基因工程改造的菌群。
 
群體效應是一種分子通信形式，許多細菌利用群體效應來協調它們的活動。振盪器則是生物學世界的一個主要組成部分，可用于定義心跳、腦波及日夜節律的週期。它們還可提供一個重要的電子電路控制機制。
 
生物學家最先著手設計生物振盪器是在10年前，他們建立了一個名為“壓制振盪子”的電路。帶有基因開關的遺傳振盪子在2000年的誕生，被認為是合成生物學的開端。然而，早期的振盪器精度不高，節奏下降很快，且頻率和振幅也無法控制。
 
2008年，海斯第及其同事曾創造了一個更強大的振盪器，它可通過適於細菌生長的溫度、細菌得到的養分及特殊的化學觸發器進行調節。但是，這個振盪器仍受限於個別細胞，無法適時地一起閃爍。
 
而最新研製的振盪器包含一個雙基因簡單電路，由此建立起正、負反饋回路。該電路由一個信令分子啟動，從而觸發信令分子本身及綠色螢光蛋白分子越來越多地產生。該信令分子在細胞外擴散後即可啟動周邊細菌的電路。
 
被啟動的電路還可產生一個能分解信令分子的蛋白，給迴圈提供延時制動。在單個和相鄰細胞中的不同電路發生動態相互作用，即可建立起信號分子和螢光蛋白的定期脈衝，並以同步活動波的形式出現。這個看似簡單的電路允許微生物與螢光燈的同步脈衝保持合拍，以50分鐘到100分鐘的節奏緩慢閃爍。瑞士聯邦技術學院的生物工程學家馬丁•富塞內格爾在論文評注中稱，這個壯舉類似於讓全世界的交通燈步調一致地閃爍。
 
這些細菌菌落生長在定制的微流體晶片內，該設備使科學家得以精確控制微生物所處的環境條件。改變養分流入晶片的速率就可改變振盪的週期。
 
對生物醫藥和生物能源等許多應用來說，對群體細胞的活動進行同步是一個重要的基礎條件。例如，細菌可被設計用來檢測特定的毒素，螢光的閃爍頻率即表示其在環境中的濃度。雖然目前尚需要顯微鏡才能讀取輸出結果，但研究人員表示，他們正在開發用裸眼即可觀測的版本。
 
該細菌振盪器也可用於傳遞藥物，其可按一定的時間間隔釋放藥物以達到最佳的效用。藥物的劑量和振盪器的振幅相關，藥物的投放時間則由其振盪頻率決定。（來源：科技日報 馮衛東 劉霞）

Nautre原文論文
A synchronized quorum of genetic clocks
Nature 463, 326-330 (21 January 2010) | doi:10.1038/nature08753; Received 20 August 2009; Accepted 4 December 2009
Tal Danino1,4, Octavio Mondragón-Palomino1,4, Lev Tsimring2  &  Jeff Hasty1,2,3
   1. Department of Bioengineering,
   2. BioCircuits Institute, University of California, San Diego, La Jolla, California 92093, USA
   3. Molecular Biology Section, Division of Biological Science, University of California, Mailcode 0368, La Jolla, California 92093, USA
   4. These authors contributed equally to this work.