物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）于1988年去世时，在黑板上留下了一段话：“凡我不能创造的，我就不能理解（What I can not create I do not understand）。”费曼的这句话反映了他对科学本质的反思，但这种思想其实也反映了合成生物学的精神，即解构和精确地操纵生物过程。

“合成生物学领域的每个人都喜欢这句话。”加州大学伯克利分校的合成植物学家Patrick Shih说：“这几乎变成合成生物学的中心思想了。”

在上个月发表于《科学》杂志上的一项研究中，研究人员在植物根系中构建了一种基因线路，从而实现了对它们生长方式的编程与操控。具体来说，由生物工程师Jennifer Brophy和植物系统生物学家José Dinneny领导的斯坦福大学的研究团队开发了一款遗传工具包，其中的工具可以用来控制两种植物的根系是横向还是水平生长以及根的分支量有多少。

他们的工作证实了植物生长的遗传模型，并首次实现了在复杂生物体特定组织中对基因活动的功能模式进行编程和调控。

也许你和Brophy团队最初设想的那样，觉得对植物根系进行遗传编程并不难，但这项研究的实验结果却表明，将数字逻辑门应用于复杂的生物系统是非常有挑战性的。


重新布线根系生长

二十多年来，合成生物学家们已经成功的在细菌和培养细胞中插入了遗传控制系统，但由于技术上的限制，在复杂多细胞生物（比如植物）中做到这一点是非常困难的。因此，为了构建他们的基因线路，Brophy、Dinneny以及他们的同事组装并改进了一套分子工具，包括经过修饰的病毒和一种能够导致植物肿瘤的细菌。

事实上，合成生物学家们经常创建他们所需的技术和遗传元件，以作为特定生物和实验的一次性产品，但斯坦福大学的这个研究小组则更倾向于创建一个通用的工具包，从而可以根据需要来适应不同的生物体。

通过这个通用的工具包，研究人员得以为他们所研究的特定生物体定制基因线路。在这一前提下，研究人员使用了两种被广泛使用的模式生物——拟南芥（Arabidopsis thaliana）和本生烟草（Nicotiana benthamiana）。

研究人员构建了合成启动子元件，这些元件就像开关一样，与参与根生长的各种靶向基因结合并激活它们。然后，通过将这些控制元件相互连接，就可以构建出类似于编程电路中的布尔逻辑门。这些控制元件能使植物能够招募自身合成的各种蛋白质来驱动或抑制根系生长。

图源：Synthetic genetic circuits enable reprogramming of plant roots doi: https://doi.org/10.1101/2022.02.02.478917

法国国家农业、食品和环境研究所的研究员 Olivier Martin表示。“他们的研究使植物表达出广泛的程序化根变异，从庞大的蜘蛛网一样的根毛到单个长长的主根。他们的研究目标是展示一种灵活的控制方法，而不是根据预期产生特定的结果，或者你可以理解为，这还只是一项概念验证阶段的研究。”

控制根系的生长对农业来说可能是革命性的突破，尤其对于干旱地区，随着持续的气候变化，这些地方的生存环境可能变得越来越极端。作物可以被改造以多长浅根系，这样它们就可以迅速的吸收这些地区不经常下但一下就很大的雨的雨水。或者也可以通过遗传编程让它们的根系直直的向下生长，这样就可以减少它们的生长所需的土地面积。

图源：Synthetic genetic circuits enable reprogramming of plant roots doi: https://doi.org/10.1101/2022.02.02.478917

这项研究的应用也不仅仅限于农业。马丁表示：“植物是自然界的化学家，它们产生的化合物有着惊人的多样性，而合成生物学则正好可以利用这种能力，来进行一些药物的大规模生产。”


消除不一致

尽管愿景十分美好，但这项研究的结果还远远没有达到能够投入应用的程度。这项研究中大多数的植物都表现出预期的生长行为，但它们的基因表达却并不像研究人员所希望的那样黑白分明。Brophy说道：“现在的结果还不能称其为布尔或数字（还达不到布尔逻辑门那样的精确调控），因为‘关闭’的状态并不是完全关闭的，而‘打开’的状态也是相对而言的”。

图源：Synthetic genetic circuits enable reprogramming of plant roots doi: https://doi.org/10.1101/2022.02.02.478917

在根部，“关闭”状态会表现为完整的根帽结构，在这种结构中，根卷须尖端的一层细胞会阻止根的进一步生长。而“开”的状态只简单的表现为根或小根的存在。研究人员观察到，一些出于“关”状态的根只能产生部分根帽，它们能够让根在这些局部区域停止继续生长，但并不足以完全阻止根的生长。

当研究团队将为烟草开发的逻辑门线路应用到拟南芥身上的时候，这种异常表达变得非常明显。但在针对拟南芥进行了工具包的调整之后，这些异常状况也往往会消失掉。

虽然这种部分表达的模式增加了合成生物学所面临的挑战，但Shih却认为这在某种意义上也是一种优势：相对于动物而言，植物可能更容易进行实验测试，因为动物中常常存在一些不怎么表达但（少了之后）却很致命的基因。

加拿大阿尔伯塔大学的系统生物学家Devang Mehta认为，Brophy和Dinneny的这项研究是有机体合成生物学的“一大进步”，但他也谨慎的表示，我们不应该低估进行下一步研究的挑战性。

“像布尔逻辑这样的东西往往在封闭的环境中（比如实验室）更有效，因为在这里你可以对环境变量进行控制。”Mehta说道：“但在自然环境中（实现）则要困难得多”。

这是因为植物和其他生物对环境变化的高度响应是计算机所不具备的，这也使得用基因线路对它们进行编程变得非常有挑战性。

Brophy将它们与计算器进行了对比，2加2每次都得4，但“如果2加2在寒冷时等于3，在太亮的时候等于5，事情就会变得很复杂”。她认为，如果要在田间种植的玉米或小麦等作物中实现布尔基因线路，合成生物学家必须设计出能够控制天气的方法，或者更现实一点，可以防止植物对冷、热和降雨做出太强烈的反应。

“坦率地说，这是一个很重要的限制因素。”Shih说道，他认为Brophy和Dinneny的工作给出了应对这一挑战的初步路线图，“现在我们知道哪些（工具）是有效的，而哪些是无效的。”

参考文献：https://www.quantamagazine.org/biologists-use-genetic-circuits-to-program-plant-roots-20220928/